CN112904354B - 一种高精度激光测距距离模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度激光测距距离模拟装置，其中，激光测距仪的发射端发出的激光脉冲信号进入激光探测器及放大比较电路转换为电脉冲信号，产生的脉冲信号分两路分别送入FPGA模块和TDC模块，FPGA模块通过IO接口向TDC模块发送控制和通讯信息，FPGA模块通过IO接口向激光二极管及驱动电路发送脉冲驱动信号使激光二极管发光，激光二级管输出的激光信号通过分光棱镜进行分光，一路送入激光测距仪的接收端，另一路送入激光探测器，FPGA模块通过IO口与通讯模块进行通讯，通讯模块通过RS232接口与上位机进行通讯。本发明提升了装置的距离模拟精度，增强了装置的可靠性，并降低了装置的使用维护成本。
Description
技术领域
本发明属于激光测距距离模拟技术领域，主要涉及激光测距仪的高精度激光测距距离模拟装置，该装置可以在外场环境下完成对激光测距仪的检测及标定工作。
背景技术
随着激光测距技术的快速发展，脉冲式激光测距因测程大、精度高、抗干扰能力强的特点，在军事、航空、航天等各个领域得到了广泛的应用。测距精度和测距范围是激光测距仪的两个最重要的指标，在激光测距仪的使用过程中这两个指标也会随着外界环境的变化及使用时间的增加而发生变化，因此在激光测距仪的生产研制及后期的使用过程中，通过相关地面检测方法对其进行测试成为一项重要的工作内容。
目前针对脉冲式激光测距仪参数的地面监测主要有实物目标法、光纤延迟法、光电延迟法，实物延迟法对靶标和场地都有较高的要求，而且很难对被测目标物真实距离进行精确标定，还要受到大气能见度和检测时间等因素的制约；光纤延迟法实现简单、精度高，但是用于测试的光纤长度只有固定的几组数值，模拟距离不能实时可调，难以满足大动态范围的距离模拟；光电延迟法延迟时间可通过上位机从外部注入进行调节控制，实现了模拟距离的动态调节，但由于光电延迟法中FPGA所使用的时钟多为纳秒级，很大程度上限制了光电延迟法的距离模拟精度，而且随着外界环境的变化和使用时间的延长，光学和电路中器件参数会发生变化而导致距离模拟精度降低，这些因素严重制约了光电延迟法的距离模拟精度和在恶劣环境中的使用。本发明利用分光棱镜对输出激光信号进行分光，并通过时间数字转换模块(TDC模块)对其进行测量，将纳秒级精度提高到了皮秒级，而且还削弱了因器件参数发生变化对光电延迟法模拟距离精度的影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题有两个，一是一般光电激光测距距离模拟装置由于FPGA时钟引起的不确定性误差为纳秒级，模拟精度较差；二是克服一般光电激光测距距离模拟装置在使用环境发生变化或者使用时间增加时，光学和电路中器件参数会发生变化，导致模拟距离精度降低的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高精度激光测距距离模拟装置，通过分光棱镜对激光二极管输出激光进行分光，并通过时间测量精度为皮秒级的TDC模块对输出激光信号进行测量，这样时钟引起的不确定性误差就由纳秒级提升到皮秒级，并且光路和电路上产生的延迟会相互抵消，在使用环境发生变化或者使用寿命较长时也能得到准确的模拟距离。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的高精度激光测距距离模拟装置，有益效果体现如下。
(一)本发明是通过通过TDC模块对探测器接收到的分光激光脉冲信号和激光测距仪发出的激光脉冲信号的时间差进行测量，TDC模块的时间测量精度最高可达到皮秒级，相对FPGA的纳秒级时间精度提高了2～3个数量级，提升了激光测距距离模拟装置的距离模拟精度。
(二)本发明是通过分光棱镜对激光二极管输出的激光进行分光，一路激光送入激光测距仪的接收端，另一路激光送入该装置的探测器端，并通过TDC模块对两个激光脉冲信号的时间差进行测量，使得信号传递在光路和电路中的延迟得以抵消，提升了装置的距离模拟精度，增强了装置的可靠性，并降低了装置的使用维护成本。
附图说明
图1是本发明激光测距距离模拟装置的原理框图。
图2是本发明激光测距距离模拟装置FGPA模块的工作流程图。
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。
根据图1所示，本发明高精度激光测距距离模拟装置包括激光测距仪、激光探测器及放大比较电路、FPGA模块、TDC模块、激光二极管及驱动电路、分光棱镜、通讯模块以及上位机；激光测距仪的发射端发出的激光脉冲信号进入激光探测器及放大比较电路转换为电脉冲信号，产生的脉冲信号分两路分别送入FPGA模块和TDC模块，FPGA模块通过IO接口向TDC模块发送控制和通讯信息，FPGA模块通过IO接口向激光二极管及驱动电路发送脉冲驱动信号使激光二极管发光，激光二级管输出的激光信号通过分光棱镜进行分光，一路送入激光测距仪的接收端，另一路送入激光探测器，FPGA模块通过IO口与通讯模块进行通讯，通讯模块通过RS232接口与上位机进行通讯。
设定激光测距仪发射端输出激光的时刻记为t1，激光信号从激光测距仪发射端到激光探测器及放大比较电路端产生的延迟记为△t1，激光探测器及放大比较电路从接收到激光信号到输出脉冲信号产生的延迟记为△t2，激光探测器及放大比较电路与FPGA模块、激光探测器及放大比较电路与TDC模块在布线时相邻摆放，其线路延迟可以忽略，FPGA模块输出激光脉冲驱动信号的时刻记为t2，脉冲驱动信号从FPGA模块输出经过激光二极管及驱动电路产生激光信号直到激光信号传输到分光棱镜产生的延迟为△t3，激光信号从分光棱镜到激光测距仪接收端产生的延迟记为△t4，激光信号从分光棱镜到激光探测器产生的延迟记为△t5，空气中的光速为c。
激光探测器接收到激光测距仪发射端激光信号的时刻为
t1+△t1
从激光探测器及放大比较电路输出激光测距仪激光信号转换为电脉冲信号的时刻为
t1+△t1+△t2
FPGA模块输出脉冲信号经激光二级管及驱动电路转换为激光信号直到传输到分光棱镜的时刻为
t2+△t3
激光二极管输出信号发送到激光测距仪接收端的时刻为
t2+△t3+△t4
激光二极管输出信号发送到激光探测器的时刻为
t2+△t3+△t5
激光二极管输出信号经分光棱镜、激光探测器、放大比较电路输出的时刻为
t2+△t3+△t5+△t2
则激光测距仪从发射激光到接收激光二级管输出激光的时间差为
(t2+△t3+△t4)-t1＝t2-t1+△t3+△t4
TDC模块接收到激光二极管发出的激光信号与接收到激光测距仪发射端发射的激光信号时间差为
(t2+△t3+△t5+△t2)-(t1+△t1+△t2)＝t2-t1+△t3+(△t5-△t1)
为使得TDC模块测得接收到激光二极管发出的激光信号与接收到激光测距仪发射端发射的激光信号时间差与激光测距仪从发射激光到接收激光二级管输出激光的时间差相等，即装置报送上位机模拟距离与激光测距仪测得的模拟距离相等，则需：
△t4＝△t5-△t1
即：
c×△t5＝c×(△t4+△t1)
因此，对激光测距仪进行位置摆放时需满足激光测距仪发射端到激光探测器之间的距离与激光测距仪接收端到分光棱镜之间的距离之和等于分光棱镜到激光探测器之间的距离，以得到更高的距离模拟精度。
基于上述距离模拟装置，本实施例中FPGA模块将根据图2所示的流程进行工作。
第一步，在系统上电后，FPGA模块完成TDC模块的初始化设置和FPGA模块自身的倍频设置。
第二步，FPGA模块等待上位机发送模拟距离数据，如果接收到上位机发送的模拟距离数据则进入下一步，否则继续等待。
第三步，FPGA模块根据距离和光速的关系将距离数据转换为时间数据，并根据FPGA模块倍频后的时钟将时间数据转换为时钟个数，并将此时钟个数作为FPGA模块计数器的初始值。
第四步，FPGA模块等待经过放大比较电路处理过的外部激光信号，如果接收到外部激光信号则进入下一步，并且计数器开始按照FPGA模块倍频后的时钟进行反向计数，否则继续等待。
第五步，等到FPGA模块计数器反向计数到0，FPGA模块向驱动电路发送激光输出信号。
第六步，FPGA模块等待TDC模块的转换完成信号，如果接收到TDC模块发出的转换完成信号，则读取TDC模块测量到的两次激光的间隔时间，并将时间信息转换为距离信息通过RS232接口发送给上位机。
第七步，跳回第二步，重复执行第二步到第六步，直到断电为止。
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 (9)
1.一种高精度激光测距距离模拟装置，其特征在于，包括激光测距仪、激光探测器及放大比较电路、FPGA模块、TDC模块、激光二极管及驱动电路、分光棱镜、通讯模块以及上位机；激光测距仪的发射端发出的激光脉冲信号进入激光探测器及放大比较电路转换为电脉冲信号，产生的脉冲信号分两路分别送入FPGA模块和TDC模块，FPGA模块通过IO接口向TDC模块发送控制和通讯信息，FPGA模块通过IO接口向激光二极管及驱动电路发送脉冲驱动信号使激光二极管发光，激光二级管输出的激光信号通过分光棱镜进行分光，一路送入激光测距仪的接收端，另一路送入激光探测器，FPGA模块通过IO口与通讯模块进行通讯，通讯模块通过RS232接口与上位机进行通讯；
所述激光测距仪发射端到激光探测器之间的距离与激光测距仪接收端到分光棱镜之间的距离之和等于分光棱镜到激光探测器之间的距离。
2.如权利要求1所述的高精度激光测距距离模拟装置，其特征在于，所述激光探测器与激光测距仪的发射端同轴布置。
3.如权利要求2所述的高精度激光测距距离模拟装置，其特征在于，所述分光棱镜的一侧为激光二极管，激光二极管输出的激光信号经分光棱镜分光后，反光侧为激光探测器，透光侧为激光测距仪的接收端。
4.如权利要求3所述的高精度激光测距距离模拟装置，其特征在于，所述激光探测器及放大比较电路与FPGA模块、激光探测器及放大比较电路与TDC模块在布线时均相邻摆放。
5.如权利要求4所述的高精度激光测距距离模拟装置，其特征在于，设定激光测距仪发射端输出激光的时刻记为t1，激光信号从激光测距仪发射端到激光探测器及放大比较电路端产生的延迟记为△t1，激光探测器及放大比较电路从接收到激光信号到输出脉冲信号产生的延迟记为△t2，FPGA模块输出激光脉冲驱动信号的时刻记为t2，脉冲驱动信号从FPGA模块输出经过激光二极管及驱动电路产生激光信号直到激光信号传输到分光棱镜产生的延迟为△t3，激光信号从分光棱镜到激光测距仪接收端产生的延迟记为△t4，激光信号从分光棱镜到激光探测器产生的延迟记为△t5，空气中的光速为c；
则，激光探测器接收到激光测距仪发射端激光信号的时刻为：t1+△t1；
从激光探测器及放大比较电路输出激光测距仪激光信号转换为电脉冲信号的时刻为：t1+△t1+△t2
FPGA模块输出脉冲信号经激光二级管及驱动电路转换为激光信号直到传输到分光棱镜的时刻为：t2+△t3
激光二极管输出信号发送到激光测距仪接收端的时刻为：t2+△t3+△t4
激光二极管输出信号发送到激光探测器的时刻为：t2+△t3+△t5
激光二极管输出信号经分光棱镜、激光探测器、放大比较电路输出的时刻为：t2+△t3+△t5+△t2
则激光测距仪从发射激光到接收激光二级管输出激光的时间差为：(t2+△t3+△t4)-t1＝t2-t1+△t3+△t4。
6.如权利要求5所述的高精度激光测距距离模拟装置，其特征在于，所述TDC模块接收到激光二极管发出的激光信号与接收到激光测距仪发射端发射的激光信号时间差为：
(t2+△t3+△t5+△t2)-(t1+△t1+△t2)＝t2-t1+△t3+(△t5-△t1)。
7.如权利要求6所述的高精度激光测距距离模拟装置，其特征在于，所述TDC模块测得接收到激光二极管发出的激光信号与接收到激光测距仪发射端发射的激光信号时间差与激光测距仪从发射激光到接收激光二级管输出激光的时间差相等，即装置报送上位机模拟距离与激光测距仪测得的模拟距离相等，则：
△t4＝△t5-△t1
即：
c×△t5＝c×(△t4+△t1)。
8.如权利要求7所述的高精度激光测距距离模拟装置，其特征在于，所述FPGA模块的工作流程为：
第一步，在系统上电后，FPGA模块完成TDC模块的初始化设置和FPGA模块自身的倍频设置；
第二步，FPGA模块接收上位机发送的模拟距离数据，并根据距离和光速的关系将距离数据转换为时间数据，并根据FPGA模块倍频后的时钟将时间数据转换为时钟个数，并将此时钟个数作为FPGA模块计数器的初始值；
第三步，FPGA模块接收经过放大比较电路处理过的外部激光信号，计数器按照FPGA模块倍频后的时钟进行反向计数；
第五步，FPGA模块计数器反向计数到0时，FPGA模块向驱动电路发送激光输出信号；
第六步，FPGA模块接收TDC模块发出的转换完成信号，读取TDC模块测量到的两次激光的间隔时间，并将时间信息转换为距离信息通过RS232接口发送给上位机。
9.如权利要求1-8中任一项所述的高精度激光测距距离模拟装置在激光测距距离模拟技术领域中的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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