基于背景光抑制的自触发激光测距系统设计∗

仇金桃 张春富

（1.江苏科技大学 镇江 212000）（2.盐城工学院 盐城 224000）

1 引言

激光测距技术的本质是通过测量激光的飞行时间计算出距离，其难点在于激光飞行时间极短不易测量，因此时间间隔测量是激光测距技术的核心［1］。早期的方法是采用计数器测量，但是这种方案完全受制于计数器的性能。随着电子技术的快速发展，时间间隔测量的准确度和稳定性不断提高［2~4］。在传统的直接计数法基础上又发展了插值法、游标法、时间幅度测量法和延迟线法等新型技术［5~6］。高精度时间间隔测量技术的硬件电路结构复杂，设计难度很大，并且当时间分辨率降至纳秒甚至皮秒级时，微观层面一些效应（如电荷迁移、量子效应等）的干扰影响会愈发显著［7~9］。

光电接收单元用于接收激光回波，其性能直接影响最终的测距精度。传统光电接收单元的接收对象主要包括激光回波和光电接收管附近杂散的环境光。由于激光回波是以漫反射的形式传播，随着测量距离的增大，接收到的光信号中环境光占比逐渐提高。此外，不同时间、天气、地形的测量条件下，背景光也将明暗迥异［10~13］。

因此，设计了一种能够实现抑制背景光干扰的脉冲激光测距系统，使得系统在不同的环境下仍能够具有较好的稳定性。基于自触发原理设计了无需手动启动的多次测量模式，一定程度上提高了测量速度和测量精度，同时也从原理上解决了因系统分辨率限制导致测量失效的问题。该系统的设计和使用为高精度激光测距的应用提供了一种切实可行的方案，有利于激光测距应用领域的拓展。

2 测距原理及系统方案

脉冲激光测距系统通过测量激光的往返飞行时间计算出距离［14］，测量点与目标间距离S为

式中：c 为光在真空中的速度，T 为通过测量得到的时间间隔。

设计的脉冲激光测距系统整体架构如图1 所示，系统主要包括控制器、激光发射模块、激光接收处理模块以及自触发控制单元。基于MAXII 型FPGA 芯片完成控制单元的设计，激光器波长为650nm，激光接收器选用HAMAMATSU 公司的S5973_01型PIN光电二极管。

图1 脉冲激光测距系统原理框图

系统测距过程描述如下：首先，由FPGA 完成对测距指令的响应，给出激励使单稳态触发器产生窄脉冲触发激光器发射激光，首次接收到窄脉冲后，逻辑锁定单元将该信号锁定并作为起始信号触发计数器CNT1开始计数；然后，接收单元完成对激光回波的接收，经过光电转换、放大滤波等处理后得到有效的回波信号；最后，经过固定延时单元后，将回波信号作为激励输出给单稳态触发器，使其再次产生窄脉冲触发激光器发射激光。由此构成一个无需手动控制，且时间间隔相对固定的发射-接收-延时-再发射的循环测量模式。每当检测到回波信号，计数器CNT2 计数值加一，当CNT2 达到预设次数时，其输出由低电平跳变为高电平，使计数器CNT1 终止计数，将计数结果交由FPGA 运算处理后输出测距结果。

3 自触发式脉冲激光测距系统设计

3.1 信号接收与处理电路

1）接收电路设计原理

如图2 所示为接收单元原理图。接收端的设计采用以下两种方法排除干扰：

图2 接收单元原理框图

（1）在光电接收二极管前端加置滤光片，滤光片的窄带高透波长与激光波长一致，允许与激光波长相近的光通过，阻隔其他波长的光，能够很大程度上抑制其他波长背景光的干扰。

（2）在传统接收电路基础上加入采样保持电路和差分放大电路。

当系统接收到测距命令后，首先由FPGA 发出指令使采样保持电路对当前环境下光电二极管的输出进行采样保持，在其有效保持期内完成光电二极管对回波脉冲的接收和初级放大，再由差分放大电路完成差分比例运算。差分放大电路可有效地抑制共模干扰的影响，从驳杂的光信号中筛选出激光回波信号；最后，经过数字滤波电路和整形电路处理后，传递至计时单元。

2）采样保持电路

光电接收管接收到的光信号中混杂着外界的环境光，其强度未知，与所处测试环境相关。滤光片能够滤除了大部分波长的环境光，但其中与测试激光波长相近的部分，仍能够穿过滤光片并由光电二极管接收产生光电流。这部分光电流大小受外界环境光强弱影响，因此想要在电路中直接设定某一直流比较电平作为参考是不可行的。本文设计的方案是：通过实时采样再相互抵消来实现滤除这部分光电流的目的。LF398采样保持电路如图3所示。

图3 LF398采样保持电路原理图

图中LF398 芯片第2 引脚与电阻R1和电位器R2构成直流调零电路，调节电位器，使其通过电流约为0.6mA，并使图中Vin为零时，输出Vout也为零。外界保持电容Ch选用大小为1000pF 的云母电容。芯片第8 引脚为控制信号输入端，与FPGA 控制单元相接，高电平采样，低电平保持。

3）放大电路

由于对电流信号的直接采集和处理十分困难，因此需要对PIN 光电二极管的电流信号进行电流到电压的转换［15~17］。微弱的电流信号使得转换而来的电压信号同样十分微弱，为避免传输线路产生的耦合交流噪声将有效信号淹没，需要对信号进行前置放大以提高信噪比。根据PIN 型光电二极管工作电压低、偏置电路简单但输出电流较小的特点，同时考虑到采样保持电路的饱和电压与差分放大电路的增益上限，将放大电路分为两部分，即前置放大电路与主放大电路。根据系统设计需要，主放大电路采用的是差分放大电路的形式。如图4所示为前置放大电路和主放大电路的原理图。

图4 前置放大电路与主放大电路原理图

如图4（a）所示，运算放大器采用电阻器形式的连接方式实现电流到电压的转换。电阻R1、RL和PIN 管串联，为PIN 管施加反向偏压，RL作为负载电阻，一端接地。由于电路的时间响应很大程度上取决于反馈电阻的时间常数和并联杂散电容，为了最小化时间常数的影响，采用两个或者多个电阻串联的方式设计反馈电阻能够有效地分散并联杂散电容。前置放大电路的输出V0为

式中：ISC为光电二极管产生的光电流，RF1、RF2为串联反馈电阻。

前置放大电路的输出端同时与LF398 采样保持电路的输入端和差分放大电路的同相输入端相接。

图4（b）为差分放大电路原理图，同相输入端与前置放大前路的输出端相连，反向输入端连接的则是LF398 采样保持电路的输出端。仅从反向输入端考虑，其输出Vout1为

而仅考虑同相输入端，其输出Vout2则为

取R3=R4，R2=RF3，则差分放大电路的输出Vout为

由上式可知，差分放大电路实现了Vs2与Vs1两路信号电压差的放大，其放大倍数为RF3/R3。

3.2 自触发测量方案设计

提高时间间隔测量精度的方法有很多，除了采用高精度的计时芯片、各种形式的内插法等测量方法外［18~19］，还可以通过改进测量方式达到目的，最为简单也最常用的是进行多次测量取平均值法。传统的多测量取平均值法存在以下问题：

1）多次测量即需要多次启动系统，占用更多的存储空间，这些操作容易导致测量时间的延长，不适用于实时性要求较高的场合；

2）每一次测量本身必然带有一定的误差，最终的数据处理环节将累积这些误差，使测量结果的准确度降低；

3）当测量距离过近，激光在两点间的飞行时间小于系统最小分辨率时，单次测量将无法得到有效的结果，这样的多次测量方法也将失效。

为有效解决上述问题，采用自触发原理设计的多次测量方法可以避免多次开启系统导致的测量时间延长，提高测量速度的同时也从原理上根本性地解决了近距离测量时受系统分辨率限制的问题；同时，由于去除了手动触发环节使得系统内部的响应延时相对固定，通过定量分析的方法能够很大程度上规避由于误差累积导致的精度降低。

自触发测距系统的关键是使激光接收模块与发射模块形成闭环回路，从而实现接收模块自动对发射模块发送指令。如图5 所示为自触发测距方法时序示意图，T0为相邻两次单稳态触发器发出窄脉冲的时间间隔，τ为从回波信号接收到单稳态触发器再次发出窄脉冲的时间间隔，其中包含未知的系统结构延时和已知的延时单元预设延时两个部分。

图5 自触发测距方法时序示意图

自触发形式测距方法将当前接收过程与下次测量的发射过程结合到一起，完成一系列的循环测量。因此，激光的发射与接收具备一定的相关性，具体可以表示为

上式中TK与TK+1分别表示第K次与K+1次单稳态触发器发出窄脉冲的时刻，理想情况下：

考虑到系统内部存在一定的延时和非线性因素导致的误差，因此将三者间关系概括为F1，F1由测距系统决定。假设TK之后进行了N 次自触发测量，则：

T0为单稳态触发器相邻两次发出窄脉冲的时间间隔。由此可以得出自触发测量方法下的距离表达式：

式中用时间常数τ概括表示系统内部所有的模块单元延时，F2是与实际系统相关的函数。可以得出：

式中TN为N次循环测得的时间间隔，通过结构与原理上的分析可以得出，自触发测距系统能够在提高测距精度的同时，兼具规避掉因测量距离过短导致测量失败的优势。

4 实验结果分析

实验包括光电接收单元输出波形对比试验和实际距离测量对比试验两部分。

按照图2 所示光电接收单元框图搭建实物实验平台，为验证LF398 采样保持电路、差分放大电路能够实现背景光抑制的效果，设置实验组与对照组进行对比，实验组采用本文光电接收模块，对照组则没有LF398 采样保持电路并将差分放大电路的反向端接地作为一般的放大电路使用，其余参数与实验组保持一致。

图6 为示波器探测两组Vout端的输出波形，图6（a）、（b）分别为实验组与对照组得到的回波信号。通过对比可以看出加入LF398 采样保持电路和差分放大电路处理后，能够得到较好的回波信号波形，实现了背景光抑制的目的，易于后续的信号处理。

测距实验包含系统延时校准和0.5m~10m范围内任意一点测距两部分。自触发测量次数设定为3000 次，理论上可以将误差降至毫米级，FPGA 内部晶振频率为50MHz，即时钟脉冲周期为20ns。

延时校准实验通过测量两组标定距离为1.01m 和3.02m 的计时结果计算系统总延时，两组距离分别测量50 次。测得计时平均值分别为5027.971ns和5041.371ns，由式（1）计算理论计时值为6.733ns 和20.133ns，两次计算取平均值，可以得出系统总延时τ≈5021.237ns，以此为基础，进行第二部分实验，每个测量点上系统测距与卷尺量取各进行10 次测量取平均值。表1 为3 组系统测距结果与卷尺量取结果对照。

表1 系统测距与卷尺量取结果平均值

从波形对比实验结果可以看出，本文加入LF398 采样保持电路和差分放大电路的激光接收单元，能够较好地实现背景光抑制效果，使回波信号更加清晰，能够降低环境光对测距结果的影响。

从测距结果可以看出，实际测距与理论结果仍存在差距，分析造成系统误差的原因如下：

1）多次重复测量，使得芯片、激光二极管等发热，产生温度漂移；

2）回波脉冲上升沿的鉴别误差，计时起始与终止信号均由上升沿触发，因此回波脉冲的脉宽越窄，时刻鉴别越准确。

5 结语

研究了环境光因素对于系统测距精度的影响，分析了光信号的组成结构，提出通过采用加入采样保持电路的方法抵消环境光产生的光电流，达到抑制环境光干扰的目的。综合分析了现有提高时间测量精度方法的利弊，结合系统设计条件，基于自触发原理完成了自触发测距系统的设计，实现了多次测量求取平均值以提高测量精度的效果。在常温常压环境下首先测量标定距离，结合实际测量数据与标定值，计算出距离测量误差。基于背景光抑制的自触发激光测距系统具有高精度测量的优点，能够降低环境光对测距结果的影响，同时对较短距离的测量也保持良好的稳定性。