基于FPGA的激光测距技术研究

　　自1960年第一台激光器———红宝石激光器发明以来,人们便开始了激光测距的研究。激光测距是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点[1]实现高精度的计量和检测。与微波测距等方法相比,激光测距具有更好的方向性和更高的测距精度,测程远,抗干扰能力强,隐蔽性好, 因而得到广泛的应用[2-5]。本文主要研究脉冲激光测距系统,即通过发射和接收带编码的脉冲激光信号,测出激光从发出到目标、然后返回所经过的时间及其来回所需时间的差值,根据该时间差和光速计算出探测器到目标物的距离。制约脉冲激光探测系统精度的一个关键点是计时时钟的频率,频率越高,计时就越精确,其探测精度就越高, 为此本文引入现场可编程门阵列(FGPA)芯片作为信号处理核心,以提高系统的测量精度。

　　1　激光测距原理

　　总体设计思想是捕捉激光从发出到遇到目标被反射回来所经过的时间,根据光速计算出探测器到被测目标之间的距离。基本公式为

　　L=c×t/2(1)

　　式中:L为探测器到探测目标之间的距离; t为激光往返经过的时间; c为光速。因为激光来回经过的距离是探测器到被测目标之间距离的两倍,所以整个结果需要除2。式(1)只是理论计算公式,在实际测量中由于有噪声[6-8]、延时等,需要对计算公式进行多方面的修正[1, 9]。

　　目前激光测距的方法主要有连续波体制和脉冲波体制。本文主要研究脉冲波体制激光测距系统。整个激光测距系统的发射、接收以及计时系统的工作顺序如图1所示(显示部分和数据接口部分等未标出)。

　　由图1可以看出,同步脉冲上升沿控制激光发射模块工作的同时计时器开始计时,信号依次经过发射、反射和接收过程,当接收到反射信号时计时器纪录时间。计时器记录的时间为激光信号往返探测器和目标物之间的时间,因为光的速度非常快,所以应考虑到其中的电路延时(电路延时可以通过试验方法测得),然后再对激光测距系统进行修正。

　　激光发射端发射出激光脉冲,遇到目标反射到激光接收端,由接收电路对回波信号进行放大、波形整形后形成回波脉冲,送入控制与计算单元。对激光信号在发射端进行编码,在接收端进行解码,通过控制与计算单元内部的高频记数时钟进行记时,测得激光脉冲经过的时间,从而可以根据公式(1)计算出探测器到被测目标之间的距离。

　　2　激光的编码与解码

　　由于激光测距系统在实际应用过程中受到很多干扰,为此,在激光发射和接收时,可以对激光脉冲信号进行编码和译码以降低干扰因素的影响。