TDC与FPGA脉冲激光测距系统的数字除噪方法研究

吴凯旋，毛有明，岱　钦，姚　俊

(沈阳理工大学 理学院,沈阳 110159)



TDC与FPGA脉冲激光测距系统的数字除噪方法研究

吴凯旋，毛有明，岱钦，姚俊

(沈阳理工大学 理学院,沈阳 110159)

摘要：设计实现了基于TDC与FPGA脉冲激光测距系统。针对TDC芯片误触发导致的系统测量不稳定性，对系统误差产生原因进行分析,进行数字噪声除杂、系统优化研究，设计了以消除系统误差为目的数据筛选和误差补偿方法,并进行实验构建和测试。在不影响测距速度、硬件电路的前提下有效地抑制了TDC误触发噪声，保证了系统运行稳定性。

关键词：TDC;FPGA;脉冲激光测距系统;数据筛选

脉冲激光测距与其它激光测距方式相比，在进行单点测量、动态目标物测量等方面具有一定优势[1]；同时脉冲激光有较高的峰值功率，被普遍应用在中长距离测量中[2]。

时间间隔测量是脉冲激光测距技术重点之一。目前，在高频脉冲激光测距中应用比较广泛的是延迟线插入法时间间隔测量[3]。TDC芯片是一种内嵌延迟单元的高速时间间隔测量芯片，作为专用的时间间隔测量芯片被应用到脉冲激光测距系统中[4]，但由于线路受高频信号干扰以及外界环境制约，产生使TDC芯片误触发的噪声信号，使测量结果与实际值出现大幅度误差偏移。

论文设计实现了脉冲激光测距系统，分析了系统测距误差，针对TDC芯片误触发导致的系统测量不稳定性，进行了误差结果筛选校准，充分保证测距系统的稳定。

1脉冲激光测距系统设计

脉冲激光测距系统主要包括FPGA模块、TDC时间间隔测量模块、前级放大、峰值保持、时刻鉴别、脉冲触发激光器等。工作原理如图1所示。

图1　系统工作原理

FPGA产生Start信号，触发激光器发射脉冲光通过发射透镜聚焦后照射到目标物，同时Start触发TDC芯片开始时间间隔测量。脉冲光经目标物反射通过接收透镜聚焦照射APD上形成回波电脉冲，回波电脉冲历经前级放大、峰值保持、时刻鉴别后变为Stop信号到达TDC模块，停止时间间隔测量将测量数据传至FPGA中等待发送给上位机，在终端上显示测量结果。

2脉冲激光测距误差分析

脉冲激光测距系统影响测量结果的因素可以分为外部因素和内部因素两类。外部因素主要是指大气折射率的变化等，这部分因素不可控；内部因素主要指由于测距系统自身的因素，包括系统带宽、脉冲时刻鉴别、时间测量精度等，这些因素可以通过设计合理的系统接收电路(例如针对其回波脉冲的前级放大、峰值保持、时刻鉴别电路)，避免或消除其影响，从而减小测距误差[5]。但在实际设计系统接收电路中，回波信号在经过前置放大、峰值保持、时刻鉴别后，布局布线在一定情况下既要满足外形设计又要考虑电路优化，在进行高频脉冲激光测距时电路连线互相之间干扰，产生噪声信号，导致测量结果中存在与实际值偏离。

图2　TDC芯片模拟输入结构

图3为测距系统实验结果分布图，可以看出，在测量过程中TDC被噪声误触发，对系统测量结果造成影响，产生偏离实际结果的误差。

图3　测距系统实验结果分布图

噪声信号会触发TDC，但低于FPGA触发电平。而回波脉冲历经峰值保留、时刻鉴别后其峰值电压可以触发FPGA，并且此类噪声具有随机性，因此，可以通过FPGA直接对脉冲时间间隔测量产生一基准测量结果，将FPGA产生的基准测量结果与TDC返回测量结果进行比较实现对该类误差的数据筛选。

3系统数据筛选结构设计

3.1数据筛选原理

在上述实验结果中可以得出有的误差与实际测量值偏差小于1m。因此，在数据筛选结构中应用采用最大计数时钟，Clk信号采用上升沿下降沿同时触发，保证数据筛选结构要尽可能过滤掉所有误差测量结果。数据筛选原理如图4所示。

图4　数据筛选原理

在Clk上升沿(或者下降沿)检测到Start信号置为1时事件触发，计数器开始计数，直至Clk在上升沿(或者下降沿)检测到Stop置为1时，计数器停止计数[7]。T表示Clk时钟信号半周期时间，ta与tb分别表示起始脉冲与结束脉冲和Clk信号脉冲上升沿时间间隔，实际时间间隔t，测量时间间隔t′,时间误差Δt表示为如下公式：

t=(N-1)T+ta+tb

(1)

t′=NT

(2)

Δt=t′-t=Y-ta+tb

(3)

在式(3)中，当ta、tb最大限度接近T时，Δt≈-T。当ta、tb大限度接近0时，Δt≈T[7]。

实际时间间隔t满足：

(N-1)T

(4)

当TDC返回测量结果超出数据筛选范围时，系统认为此刻测量结果无效，由于激光测距要求测量结果与测量频率相对应。所以引入中值补偿对此类无效的测量结果进行有效补偿。

在系统电路中，回波信号中夹带噪声是随机性噪声，其引起TDC误触发的误差结果也具有随机性，因此可根据前一测量结果与后一测量结果数值大小进行中值补偿。

3.2数据筛选模块设计

设计以FPGA搭建TDC芯片的测量系统为基础构建筛选模块，数据筛选模块的工作流程如图5所示。

图5　数据筛选模块工作流程

首先，FPGA对TDC芯片进行初始化，然后产生驱动脉冲触发激光二极管发射激光脉冲信号，并以此脉冲信号作为筛选模块与TDC芯片的开始信号，TDC芯片与FPGA同时开始时间间隔测量，当收到回波信号后，TDC测量结束返回时间数据，经系统处理后形成距离信息。FPGA同时也结束测量将自身测量的时间信息转变为距离数据，根据前文原理部分式(4)计算出筛选区间，对TDC测量的距离数据进行筛选，距离数据超出区间进行中值补偿。形成筛选区间，对TDC返回的数据进行筛选，最后将测量结果存到结果FIFO中，等待发送到上位机[8]。

4实验结果及误差分析

系统在加入数据筛选结构后进行脉冲激光测距实验，通过FPGA与TDC芯片时间间隔测量系统测量时间间隔数据，并通数据筛选对TDC返回时间间隔数据进行过滤筛选，实验对10m距离进行了500次重复测量，系统测量结果的分布图如图6所示。

图6　加入数据筛选系统测量结果分布图

由图6可以看出，在测距系统中加入了数据筛选模块后，消除了接收信号噪声造成的TDC误触发，使测距误差保持在合理范围内，并且不影响系统的测距速度，系统达到了应用要求。

5结束语

设计了基于FPGA与TDC测距系统的数据筛选结构，分析了系统测量结果与产生误差原因。提出并实现了数据筛选与数据补偿方法。在不影响系统测距速度的条件下保证了系统运行稳定性，使系统满足应用要求。

参考文献：

[1]杨成伟,陈千颂,林彦,等.脉冲激光测距时间间隔测量及误差分析[J].红外与激光工程,2003,32(2):123-126.

[2]岱钦,耿岳,李业秋,等.利用TDC-GP21的高精度激光脉冲飞行时间测量技术[J].红外与激光工程,2013,42(7):1707-1709.

[3]安国臣,张秀清,王晓君,等.基于FPGA的高精度时间数字转换方法研究[J].电测与仪表,2014,51(2):76-80.

[4]宋娜,邓甲昊,崔静.基于高精度时间间隔测量芯片TDC-GP2的脉冲激光引信定距系统[J].兵工自动化,2012,31(10):64-66.

[5]黄民双,龙腾宇,刘慧慧,等.基于正弦曲线的高精度脉冲激光测距时间间隔测量技术[J].中国激光,2014,41(8):1-6.

[6]ACAM公司.TDC-GP21datasheet[EB/OL].2010-11-24[2014-12-10].http://www.acam.de/company/distributors.

[7]宋建辉,袁 峰,丁振良.脉冲激光测距中高精度时间间隔的测量[J].光学精密工程,2009,17(5):1046-1050.

[8]陈瑞强,江月松,裴朝.基于双阈值前沿时刻鉴别法的高频脉冲激光测距系统[J].光学学报,2013,33(9):1-8.

(责任编辑：马金发)

Study of Digital Filter in the Pulse Distance Measuring System Based on TDC and FPGA

WU Kaixuan,MAO Youming,DAI Qin,YAO Jun

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：The pulse distance measuring system is designed and realized based on TDC and FPGA,the principle of the error generation is analyzed according to the unstability of the measuring system due to TDC chip error trigger,and the study of digital filter and the research of system optimization is conducted.Data filtering and error compensation methods to eliminate the systematic errors are designed,experiments and debug tests are conducted.The design effectively suppresses noise TDC false triggering without affecting the speed and the hardware circuit of the system,and secures the stability of the system.

Key words：TDC;FPGA;the pulse distance measuring system;data filtering

中图分类号：TN247

文献标志码：A

文章编号：1003-1251(2016)01-0031-04

作者简介：吴凯旋(1990—)，男，硕士研究生；通讯作者：岱钦(1977—)，男，副教授，博士，研究方向：固体激光技术。

基金项目：辽宁省教育厅科技项目( L2012070)；沈阳理工大学激光与光信息技术辽宁省重点实验室开放基金资助课题

收稿日期：2014-12-12