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CN107843903B - 一种多阀值tdc高精度激光脉冲测距方法 - Google Patents

一种多阀值tdc高精度激光脉冲测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多阀值TDC高精度激光脉冲测距系统，其包括：多个比较器、多个TDC芯片和处理器，主波信号同时输入多个TDC芯片作为开始启动信号，多路回波信号分别经过对应的比较器，比较器将得到的脉冲信号输入每个TDC芯片，处理器同时读取多个TDC芯片的测时结果，并结合回波信号的幅值，得到回波信号的等幅采样值，根据回波信号幅度，获得测时结果，结合光速得到测距结果。本发明通过选取多阀值，利用TDC实现对回波的幅值采样，已知回波为类高斯波形，采用二次拟合，恢复回波信号，进而利用多点信息求出测距结果，测距精度高。

Description

一种多阀值TDC高精度激光脉冲测距方法
技术领域
本发明属于激光脉冲测距技术领域，涉及一种多阀值TDC高精度激光脉冲测距方法。
背景技术
目前激光脉冲测距法利用脉冲激光器发射一个或一列很窄的激光脉冲，通过测量回波与发射主波之间的脉冲延迟时间来测量距离，如图1所示即测量飞行时间法。在灵敏度足够和不产生测距模糊的情况下，其最大测量距离为：
Figure BDA0001448490580000011
式中：c是光速，Tr是激光往返于发射器和目标之间的飞行时间，在这里它等于发射脉冲的重复周期；fr是激光发射脉冲的重复频率。
在激光测距的信号处理系统中，用来确定计时开始和结束的信号是光电转换器的输出信号，是模拟量，需要转换成数字电路中的脉冲信号才能用来触发计时系统工作。通常采用的转换方法是单一阀值法，即把输入信号与一个固定的阀值进行比较，以阀值点作为脉冲时间参考点。由于激光脉冲是钟形脉冲，而且受激光传输距离和目标反射率等影响有较大的幅度变化，采用的单一阀值的鉴别方法会在激光脉冲幅度变化时产生误差T,对测量精度造成很大的影响，见图1。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种多阀值TDC高精度激光脉冲测距方法，应用于激光脉冲测距，提高测距精度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多阀值TDC高精度激光脉冲测距系统，其包括：多个比较器、多个TDC芯片和处理器，主波信号同时输入多个TDC芯片作为开始启动信号，多路回波信号分别经过对应的比较器，比较器将得到的脉冲信号输入每个TDC芯片，处理器同时读取多个TDC芯片的测时结果，并结合回波信号的幅值，得到回波信号的等幅采样值，根据回波信号幅度，获得测时结果，结合光速得到测距结果。
本发明还提供了一种多阀值TDC高精度激光脉冲测距方法，其包括以下步骤：
步骤1：主波信号同时输入多个TDC芯片作为开始启动信号；
步骤2：多路回波信号分别经过对应的比较器，并得到脉冲信号；
步骤3：每个TDC芯片根据接收到的主波信号和回波信号，测得脉冲信号前沿测时结果和脉冲信号后沿测时结果；
步骤4：处理器根据脉冲信号前沿测时结果和脉冲信号后沿测时结果得到回波信号等幅采样值；
步骤5：根据回波信号幅度，获得测时结果，结合光速得到测距结果。
其中，所述步骤1中，TDC芯片有n个，主波信号作为TDC的开始信号START，同时进入TDC1，TDC2，TDC3，......，TDCn。
其中，所述步骤2中，比较器有n个，回波信号经过比较器1，比较电平为V1，得到脉冲信号STOP1；回波信号经过比较器2，比较电平为V2，得到脉冲信号STOP2；回波信号经过比较器3，比较电平为V3，得到脉冲信号STOP3；以此类推，回波信号经过比较器n，比较电平为Vn，得到脉冲信号STOPn。
其中，所述步骤2中，回波信号输出的范围是0-a伏，V1取a*1/(n+1)伏，V2取a*2/(n+1)伏，V3取a*3/(n+1)伏，以此类推，Vn取a*n/(n+1)伏。
其中，所述步骤3中，开始信号START与脉冲信号STOP1信号进入TDC1芯片，测得开始信号START与脉冲信号STOP1脉冲信号前沿测时结果为T1，开始信号START与脉冲信号STOP1脉冲信号后沿测时结果为T(n+1)；开始信号START与脉冲信号STOP2信号进入TDC2芯片，测得START与脉冲信号STOP2脉冲信号前沿测时结果为T2，开始信号START与脉冲信号STOP2脉冲信号后沿测时结果为T(n+2)；开始信号START与脉冲信号STOP3信号进入TDC3芯片，测得开始信号START与脉冲信号STOP3脉冲信号前沿测时结果为T3，开始信号START与脉冲信号STOP3脉冲信号后沿测时结果为T(n+3)；开始信号START与脉冲信号STOPn信号进入TDCn芯片，测得开始信号START与脉冲信号STOPn脉冲信号前沿测时结果为Tn，开始信号START与脉冲信号STOPn脉冲信号后沿测时结果为T(n+n)。
其中，所述步骤4中，处理器读取n个TDC芯片的测时结果T1，T2，T3，......，Tn，T(n+1)，T(n+2)，T(n+3)，......，T2n，结合n个比较电平V1，V2，V3，......，Vn，即回波信号的幅值，由此得到回波信号2n个点的等幅采样值。
其中，所述步骤5中，当回波信号幅度小于V1时，无测距结果；
当回波信号幅度大于等于V1且小于V2时，测时结果T＝V1*T1+V1*T(n+1)+/2*V1；
当回波信号幅度大于等于V2且小于V3时，测时结果T＝V1*T1+V2*T2+V1*T(n+1)+V2*T(n+2)/2*(V1+V2)；
当回波信号幅度大于等于V3且小于V4时，测时结果T＝V1*T1+V2*T2+V3*T3+V1*T(n+1)+V2*T(n+2)+V3*T(n+3)/2*(V1+V2+V3)；
以此类推，当回波信号幅度大于等于Vn时，测时结果T＝V1*T1+V2*T2+V3*T3+...Vn*Tn+V1*T(n+1)+V2*T(n+2)+V3*T(n+3)+....Vn*T2n/2*(V1+V2+V3+...Vn)；
T乘以光速的一半得到测距结果。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的多阀值TDC高精度激光脉冲测距方法，通过选取多阀值，利用TDC实现对回波的幅值采样，已知回波为类高斯波形，采用二次拟合，恢复回波信号，进而利用多点信息求出测距结果，测距精度高。
附图说明
图1为现有技术中激光测距的单一阀值时刻鉴别示意图。
图2为本发明实施例中多阀值TDC测距实现框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参照图2所示，本实施例多阀值TDC高精度激光脉冲测距系统包括：多个比较器、多个TDC芯片和处理器，主波信号同时输入多个TDC芯片作为开始启动信号，多路回波信号分别经过对应的比较器，比较器将得到的脉冲信号输入每个TDC芯片，处理器同时读取多个TDC芯片的测时结果，并结合回波信号的幅值，得到回波信号的等幅采样值，根据回波信号幅度，获得测时结果，结合光速得到测距结果。
基于上述测距系统，本实施例多阀值TDC高精度激光脉冲测距方法，其包括如下步骤：
步骤1：主波信号同时输入多个TDC芯片作为开始启动信号
主波信号作为TDC的开始信号START，同时进入TDC1，TDC2，TDC3，......，TDCn；
步骤2：多路回波信号分别经过对应的比较器，并得到脉冲信号
回波信号经过比较器1，比较电平为V1，得到脉冲信号STOP1；回波信号经过比较器2，比较电平为V2，得到脉冲信号STOP2；回波信号经过比较器3，比较电平为V3，得到脉冲信号STOP3；......；回波信号经过比较器n，比较电平为Vn，得到脉冲信号STOPn；
其中，回波信号输出的范围是0-a伏，V1取a*1/(n+1)伏，V2取a*2/(n+1)伏，V3取a*3/(n+1)伏，......，Vn取a*n/(n+1)伏；
步骤3：每个TDC芯片根据接收到的主波信号和回波信号，测得脉冲信号前沿测时结果和脉冲信号后沿测时结果
START与STOP1信号进入TDC1芯片，测得START与STOP1脉冲信号前沿测时结果为T1，START与STOP1脉冲信号后沿测时结果为T(n+1)；START与STOP2信号进入TDC2芯片，测得START与STOP2脉冲信号前沿测时结果为T2，START与STOP2脉冲信号后沿测时结果为T(n+2)；START与STOP3信号进入TDC3芯片，测得START与STOP3脉冲信号前沿测时结果为T3，START与STOP3脉冲信号后沿测时结果为T(n+3)；START与STOPn信号进入TDCn芯片，测得START与STOPn脉冲信号前沿测时结果为Tn，START与STOPn脉冲信号后沿测时结果为T(n+n)；
步骤4：处理器根据脉冲信号前沿测时结果和脉冲信号后沿测时结果得到回波信号等幅采样值
处理器读取n个TDC芯片的测时结果T1，T2，T3，......，Tn，T(n+1)，T(n+2)，T(n+3)，......，T2n，结合n个比较电平V1，V2，V3，......，Vn，即回波信号的幅值，由此得到回波信号2n个点的等幅采样值，由于回波信号为类高斯波形，通过二次拟和得到回波的恢复波形。
步骤5：根据回波信号幅度，获得测时结果，结合光速得到测距结果
当回波信号幅度小于V1时，无测距结果；当回波信号幅度大于等于V1且小于V2时，T＝V1*T1+V1*T(n+1)+/2*V1求得测时结果T；
当回波信号幅度大于等于V2且小于V3时，T＝V1*T1+V2*T2+V1*T(n+1)+V2*T(n+2)/2*(V1+V2)求得测时结果T；
当回波信号幅度大于等于V3且小于V4时，T＝V1*T1+V2*T2+V3*T3+V1*T(n+1)+V2*T(n+2)+V3*T(n+3)/2*(V1+V2+V3)求得测时结果T；
当回波信号幅度大于等于Vn时，T＝V1*T1+V2*T2+V3*T3+...Vn*Tn+V1*T(n+1)+V2*T(n+2)+V3*T(n+3)+....Vn*T2n/2*(V1+V2+V3+...Vn)求得测时结果T；
T乘以光速的一半得到测距结果。
由于激光脉冲是钟形脉冲，而且受激光传输距离和目标反射率等影响有较大的幅度变化，采用的单一阀值的鉴别方法会在激光脉冲幅度变化时产生误差，对测量精度造成很大的影响。在本发明中，采用多阀值法，多TDC联合工作，实现高精度测距，测时精度达到45皮秒，对应测距精度为6.75毫米。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多阀值TDC高精度激光脉冲测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：主波信号同时输入多个TDC芯片作为开始启动信号；
步骤2：多路回波信号分别经过对应的比较器，并得到脉冲信号；
步骤3：每个TDC芯片根据接收到的主波信号和回波信号，测得脉冲信号前沿测时结果和脉冲信号后沿测时结果；
步骤4：处理器根据脉冲信号前沿测时结果和脉冲信号后沿测时结果得到回波信号等幅采样值；
步骤5：根据回波信号幅度，获得测时结果，结合光速得到测距结果；
所述步骤1中，TDC芯片有n个，主波信号作为TDC的开始信号START，同时进入TDC1，TDC2，TDC3，......，TDCn；
所述步骤2中，比较器有n个，回波信号经过比较器1，比较电平为V1，得到脉冲信号STOP1；回波信号经过比较器2，比较电平为V2，得到脉冲信号STOP2；回波信号经过比较器3，比较电平为V3，得到脉冲信号STOP3；以此类推，回波信号经过比较器n，比较电平为Vn，得到脉冲信号STOPn；
所述步骤2中，回波信号输出的范围是0-a伏，V1取a*1/(n+1)伏，V2取a*2/(n+1)伏，V3取a*3/(n+1)伏，以此类推，Vn取a*n/(n+1)伏；
所述步骤3中，开始信号START与脉冲信号STOP1信号进入TDC1芯片，测得开始信号START与脉冲信号STOP1脉冲信号前沿测时结果为T1，开始信号START与脉冲信号STOP1脉冲信号后沿测时结果为T(n+1)；开始信号START与脉冲信号STOP2信号进入TDC2芯片，测得START与脉冲信号STOP2脉冲信号前沿测时结果为T2，开始信号START与脉冲信号STOP2脉冲信号后沿测时结果为T(n+2)；开始信号START与脉冲信号STOP3信号进入TDC3芯片，测得开始信号START与脉冲信号STOP3脉冲信号前沿测时结果为T3，开始信号START与脉冲信号STOP3脉冲信号后沿测时结果为T(n+3)；开始信号START与脉冲信号STOPn信号进入TDCn芯片，测得开始信号START与脉冲信号STOPn脉冲信号前沿测时结果为Tn，开始信号START与脉冲信号STOPn脉冲信号后沿测时结果为T(n+n)。
2.如权利要求1所述的多阀值TDC高精度激光脉冲测距方法，其特征在于，所述步骤4中，处理器读取n个TDC芯片的测时结果T1，T2，T3，......，Tn，T(n+1)，T(n+2)，T(n+3)，......，T2n，结合n个比较电平V1，V2，V3，......，Vn，即回波信号的幅值，由此得到回波信号2n个点的等幅采样值。
3.如权利要求2所述的多阀值TDC高精度激光脉冲测距方法，其特征在于，所述步骤5中，当回波信号幅度小于V1时，无测距结果；
当回波信号幅度大于等于V1且小于V2时，测时结果T＝V1*T1+V1*T(n+1)/2*V1；
当回波信号幅度大于等于V2且小于V3时，测时结果T＝V1*T1+V2*T2+V1*T(n+1)+V2*T(n+2)/2*(V1+V2)；
当回波信号幅度大于等于V3且小于V4时，测时结果T＝V1*T1+V2*T2+V3*T3+V1*T(n+1)+V2*T(n+2)+V3*T(n+3)/2*(V1+V2+V3)；
以此类推，当回波信号幅度大于等于Vn时，测时结果T＝V1*T1+V2*T2+V3*T3+...Vn*Tn+V1*T(n+1)+V2*T(n+2)+V3*T(n+3)+....Vn*T2n/2*(V1+V2+V3+...Vn)；
T乘以光速的一半得到测距结果。
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