自觸發(fā)脈沖激光測距飛行時間測量研究
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激光脈沖的發(fā)射和接收是循環(huán)相關(guān)的，這一過程可以表示為
TK+1=F(TK，△T) (2)
其中TK，TK+1分別為第K個和第K+1個激光脈沖發(fā)射時刻，函數(shù)F的具體形式和測量系統(tǒng)有關(guān)，它表示第K個和第K+1個激光脈沖之間的發(fā)射時刻關(guān)系。不同的系統(tǒng)具有不同函數(shù)形式F。
從激光發(fā)射單元向被測目標(biāo)發(fā)射的是周期激光脈沖序列，可以描述為
TK+N=TK+NT0 (3)
其中N為整數(shù)，T0為發(fā)射的激光脈沖序列的周期，其值由式(2)決定。自觸發(fā)脈沖飛行時間激光測距方法可由基本方程(1)，(2)和(3)描述。從這3個基本方程，可以得到被測距離的表達式：
D=F(NT0，τ) (4)
其中，τ為由系統(tǒng)延時決定的時間常數(shù)，其大小由測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和帶寬等因素決定，NT0為包括N個連續(xù)周期的待測量時間間隔，函數(shù)F的形式由測量系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)決定。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/193796.htm
發(fā)射單元由接收單元輸出的電信號所控制，即測距脈沖是由接收單元觸發(fā)的。該過程的光電脈沖信號時序圖由圖2所示。開始時，發(fā)射單元向被測目標(biāo)發(fā)射一束激光；經(jīng)過△T(光從發(fā)射單元到目標(biāo)然后返回到接收單元的傳播時間)的延時，經(jīng)被測目標(biāo)反射的光束被接收單元的光電二極管接收；光電二極管輸出的電信號經(jīng)放大和時刻鑒別后，輸出一高電平信號，作為發(fā)射單元的輸入信號，其間電路延時t11；此高電平信號使激光驅(qū)動源終止驅(qū)動激光器，激光發(fā)射單元停止發(fā)射激光，其間電路延時t21；而后經(jīng)過△T的延時，光電二極管從有激光接收狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o激光接收狀態(tài)；再經(jīng)過t12的電路延時，接收單元的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑淮说碗娖叫盘柺辜す馄髟俅伟l(fā)射激光，其間電路延時t22。上述過程構(gòu)成了自觸發(fā)脈沖飛行時間激光測距的一個完整周期。如此周而復(fù)始，就形成了周期激光脈沖序列。該測距信號從接收單元取出，輸入到周期測量單元獲得周期T0。根據(jù)公式(2)，函數(shù)F有如下的形式
其中TN=NT0，τ=t11+t21+t12+t22，通常情況下t11≠t12，t21≠t22。在自觸發(fā)脈沖測距方法中，周期T0可以通過測量一次時間間隔TN后取平均值得到，這其中包括N個周期T0，其精度等效于用傳統(tǒng)的脈沖測距方法進行N次單次測量后取平均的結(jié)果。因此，自觸發(fā)脈沖測距方法可以在獲得高精度測距結(jié)果的前提下極大地縮短測量時間，提高測量速度。與其他傳統(tǒng)脈沖測距方法相比，自觸發(fā)脈沖方法的本質(zhì)特點是脈沖測距信號不是單個而是連續(xù)周期性的。
2 基于CPLD的飛行時間測量單元實驗設(shè)計
CPLD具有集成度高，工作速度快，編程方便和價格低廉的優(yōu)點。與FPGA(Field programmable gate array)相比，CPLD內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)簡單，連線相對固定，延時小且可以預(yù)測，更有利于器件在高頻下工作，特別適合產(chǎn)品樣品的開發(fā)與實驗。
本設(shè)計采用ALTERA公司MAX II系列CPLD器件實現(xiàn)自觸發(fā)脈沖激光測距的飛行時間測量系統(tǒng)。MAX II系列器件是在ALTERA公司的第三代MAX結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用先進的COMSEEPROM技術(shù)制造的高密度，高性能的可編程器件。MAX II系列器件采用0．18μm Flash工藝，邏輯單元數(shù)(LE)240個、宏單元數(shù)192個、最大用戶I／O管腳80個、用戶Flash存儲器8 k，引腳到引腳的延時為3．5 ns，計數(shù)器頻率可以高達300 MHz。MAX II系列器件內(nèi)置JTAG BST電路，通過JTAG接口可實現(xiàn)在線編程，從而可以靈活修改設(shè)計，縮短了開發(fā)周期。圖3是利用CPLD實現(xiàn)的自觸發(fā)脈沖激光測距飛行時間測量系統(tǒng)的電路框圖。
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