《電子技術(shù)應(yīng)用》
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低成本脈沖激光測距系統(tǒng)研究
2020年信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全第9期
馬鴻斌1,，尚建華1,，潘世光1,，羅 遠(yuǎn)2,，賀 巖2
1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,，上海201620； 2.中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 空間激光信息技術(shù)研究中心，上海201800
摘要： 基于脈沖飛行時間測距法構(gòu)建了一套近程高精度脈沖激光測距系統(tǒng),，系統(tǒng)采用直接探測工作方式，利用FPGA(Field Programmable Gate Array)主控芯片控制脈沖激光的發(fā)射以及回波信號的采集和處理,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度測距。在實(shí)驗(yàn)室條件下,，借助測距性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),，獲得了泡沫板目標(biāo)的距離信息，且系統(tǒng)測距精度可達(dá)5.43 [email protected] m,。主要介紹了脈沖激光測距系統(tǒng)的工作原理,、系統(tǒng)構(gòu)成以及基于FPGA的距離信息提取算法。
中圖分類號： TN249
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.09.014
引用格式： 馬鴻斌,，尚建華,，潘世光，等. 低成本脈沖激光測距系統(tǒng)研究[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全,，2020,，39(9)：74-78.
Research on the low-cost pulse laser ranging system
Ma Hongbin1，Shang Jianhua1,，Pan Shiguang1,，Luo Yuan2，He Yan2
1.School of Information Science and Technology,，Donghua University,，Shanghai 201620，China,； 2.Research Center of Space Laser Information Technology,，Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics， Chinese Academy of Sciences,，Shanghai 201800,，China
Abstract： A short-range high-precision pulse laser ranging system working on the direct detection mode is presented based on the time of flight(TOF). By means of the FPGA(Field Programmable Gate Array), the sequential control for the pulse laser transmission and the high-speed acquisition and real-time processing of the echo signal are realized. With one foam target, the ranging calibration experiment is conducted and the ranging accuracy is up to 5.43 mm at 8.08 m under laboratory conditions. In this paper, the principle,the constitution and the distance information extraction algorithm of this pulse laser ranging system are introduced.
Key words : laser range finder；short range measurement,；time of flight,；FPGA

0 引言

    科技的進(jìn)步加快了測距技術(shù)的發(fā)展步伐，同時也對測距系統(tǒng)提出了更為苛刻的要求,。其中,，激光測距技術(shù)利用激光優(yōu)異的單色性以及極窄的脈沖寬度等特點(diǎn)，能夠有效降低地面雜波的影響和背景噪聲的干擾,，在超低空或地面目標(biāo)探測等領(lǐng)域具有明顯的探測優(yōu)勢[1],。對于地理勘測以及復(fù)雜地理環(huán)境下的工程測量，激光測距系統(tǒng)能夠提供較高的測距精度[2],。近年來,，無人汽車[3],、無人機(jī)[4]、機(jī)器人等新興技術(shù)的快速發(fā)展離不開高性能的測距技術(shù),，越來越多的新型智能裝備將激光測距系統(tǒng)作為其探測模塊,，因此，對激光測距系統(tǒng)的測距性能(測距精度,、動態(tài)范圍和數(shù)據(jù)上傳速率等),、功耗以及體積等方面提出了更高的要求，同時也衍生出了新的測距指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[5],。目前,，激光器技術(shù)的發(fā)展成熟以及高靈敏度探測器等光電器件性能的不斷提高給激光測距技術(shù)帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，如何提高測距系統(tǒng)的測距性能,、如何有效降低系統(tǒng)成本,、加快其實(shí)用化進(jìn)程是未來激光測距技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。

    激光測距系統(tǒng)是激光技術(shù)和現(xiàn)代信息處理技術(shù)的綜合產(chǎn)物,，其以激光作為探測媒介,，通過對回波信號光的相位、振幅或偏振態(tài)等特征量的處理,，計(jì)算得到目標(biāo)的距離信息[6-7],。根據(jù)激光測距的工作原理，可將激光測距技術(shù)分為三角測距,、脈沖測距,、相干測距和光子計(jì)數(shù)測距。根據(jù)測距范圍,，可將激光測距技術(shù)分為近程,、中程和遠(yuǎn)程測距[8]。根據(jù)探測方式,，可將激光測距技術(shù)分為相干探測方式和直接探測方式,。相干探測時，光電探測器是對本振光和信號光的拍頻信號進(jìn)行響應(yīng),，再通過鑒頻或鑒相處理得出距離信息[9],。直接探測[10]時，光電探測器直接對回波信號光進(jìn)行響應(yīng),。由于直接探測容易受到背景光的干擾[11]且要求單個回波信號光的能量必須大于光電探測器的等效噪聲功率,，因此，常采用響應(yīng)快,、噪聲小,、靈敏度高的雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，APD)探測微弱的回波信號光并對其進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換，其次,，在回波信號處理過程中也需要做消噪處理,，以便提高測距的準(zhǔn)確度[12]。

    目前技術(shù)最為成熟且應(yīng)用最為廣泛的測距方法是脈沖飛行時間測距法和單光子計(jì)數(shù)測距法,。脈沖飛行時間測距法,，是通過測量發(fā)射信號光和回波信號光之間的時間間隔而得到距離信息[13]；單光子計(jì)數(shù)測距法,，是采用光子計(jì)數(shù)和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的思想從回波信號光中提取得到距離信息[8,，14]。

    在信號處理方面,，應(yīng)用日益廣泛的無人智能裝備對其搭載的激光測距系統(tǒng)提出了新的要求，系統(tǒng)必須需要具備實(shí)時,、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集能力,。然而，DSP和ARM的時鐘頻率比較低,，僅能在軟件層進(jìn)行編程,，無法滿足實(shí)際應(yīng)用時激光測距雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集和處理要求[15]。相比而言,，FPGA的時鐘頻率非常高且內(nèi)部延時短,，可直接編程實(shí)現(xiàn)相關(guān)邏輯功能，因而可作為激光測距系統(tǒng)的主控芯片,，以達(dá)到工作可靠,、設(shè)計(jì)靈活、響應(yīng)迅速等要求,。

    綜上所述,，本文基于脈沖飛行時間測距原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套脈沖激光測距系統(tǒng)，系統(tǒng)采用直接探測的工作方式,，并利用APD實(shí)現(xiàn)回波信號光的光電轉(zhuǎn)換,；在時序控制及距離信息提取方面，以FPGA作為主控芯片[16]控制激光脈沖的發(fā)射并從回波信號光中提取得到待測目標(biāo)的距離信息,。




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作者信息:

馬鴻斌1,，尚建華1，潘世光1,，羅  遠(yuǎn)2,，賀  巖2

(1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620,；

2.中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 空間激光信息技術(shù)研究中心,，上海201800)

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