激光测距系统对测距精度的影响.doc

PAGE  PAGE 7 激光测距系统对测距精度的影响 　　引言 　　脉冲式激光测距仪是利用脉冲激光器向目标发射单个激光脉冲，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间，由所进入的钟频脉冲个数来计算距离，再经处理器在显示器上显示出来。 　　由于大气的不均匀和非稳态特性，在工程上常把光束路径上大气的折射率用平均值n来近似，则有：R=Cm/2nf 　　式中：R为目标距离，C为真空中的光速（2.998×108m/s），m是时标振荡器在光往返过程的脉冲个数，n值由大气实况决定， f为振荡频率（每秒产生f个电脉冲）。 　　 　　一、下面将从两个方面对测距精度进行分析 　　 　　 （1）晶体振荡器频率稳定度的外界影响 　　激光在空气中传播时，由于受介质、气压、温度、湿度的影响，晶体振荡器频率会有一定的变化，若f=30×106Hz,在测距500m时，实验中用数字频率计可测得，晶体稳定度引 　　起计数误差为Δm=±0.15，由此项引起的测距误差为： 　　ΔS振=±cΔm/2f=3×108×Δm/2×30×106=±5Δm=±0.75(m) 　　（2） 激光脉冲宽度的影响 　　激光光源及雪崩光电二极管一定，放大器的带宽也是一定的，但是由于大气衰减、目标反射等影响，激光回波的光脉冲的相位、幅度就会随距离、气候条件、目标反射特性的变化而变化，即脉冲宽度随之变化，因此测距精度也会随之变化[3]。 　　 如图1所示，曲线1为取样电脉冲，曲线2为回波电脉冲，曲线3为大目标回波电脉冲，Vi为成形单稳态电路的阈值。由图可见曲线3中的tp1要增大3ns左右，由此引起的测距误差为： 　　ΔS脉=1（m） 　　对于大目标，由图可见曲线3中的tp2测距误差要比tp1大两倍。即相当于测距误差为： 　　 　　所以要提高精度，就得从减小脉冲宽度入手，要减小脉宽，理论上有很多方法可以实现，比如增加电路的工作频率、采用光学调Q技术、电光调制技术等等，如果增加电路的工作频率，会使设计成本大幅增加，并且对电路的可靠性、元件的选择都很费时间，其余二者都是大成本投入项目。因此这些思路成本很高，但采用电容充放电及快速开关技术，在精度和成本方面是一个择中方案。 　　 　　二、脉冲式激光测距仪的误差消除方法 　　 　　由前面误差分析可见：仪器本身的系统误差是脉冲式激光测距仪的主要误差。因此，我们从发射和接收两个方面对脉宽进行控制。 　　 （一）发射方面采用电容充放电技术和高速开关技术对LD驱动脉冲进行脉宽控制。 　　 （1）在脉冲激光电源中，储能电容器十分重要，它必须是漏电很小的无极性耐高压电容器。在重复频率的每一个周期里，储能电容器两端电压UC是变化的,如图2所示： 　　 　　其中，再t0-t1时间内给电容器充电，再t1-t2时间内要求电容器两端电压保持不变（等于UC），而在t2-t3时间内电容器的能量迅速向负载释放。能否在短时间内将电容器充到所希望的UC值，充到UC值后又能否保持住，这是由充电电路的性能决定的。激光器电源采用恒功率充电，以保证激光器稳定可靠地以一定重复频率工作如图3所示。 　　 　　通过以上分析，恒功率充电：PPO=PC，从充电开始到充电结束，吸取相同的功率，至始至终等于电容器上获得的功率。可见，恒功率充电方式是最有利的。 　　对放电电路的要求是在存储在储能器中的电荷如何高效率的转换成电能。放电电路的负载是LD，而放电灯的电流i和电压U遵守下述关系：U=k0|i|1/2 　　式中 k0――LD的电阻系数。 LD的电阻可表示为：R=k0|i|-1/2 ，放电电路由储能电容器或储能电感器一级放电开关和成形电感组成。 　　 （2）采用高速、大电流的FET开关管作为充电电容的充放电开关，用以控制充电电容的充放电控制。通过控制电容的充放电时间，和电容所含能量相配合，来控制电流脉冲的脉宽和幅值，从而减小测距误差，但是要充分降低成本，保持精度，这就对电子器件的高可靠性和高精度提出了严峻的要求[6]。故提出了以下解决方案： 　　1.采用高速、大电流、高可靠性的FET,2SK2141作为开关管。 　　2.采用高速MOS管驱动器作为驱动FET栅极的驱动转换器，它能将CPU输出的控制 　　信号迅速的转换成MOS管的大电压驱动信号，从而建立起CPU与MOS管的控制的桥梁。 　　VMOS管驱动电路如图4所示， 　　 　　该电路设计使用MMH0026作为驱动电路，其工作原理是其供电电压为12到20V，但计算机给2、4脚控制信号，该驱动芯片将把较低电平的TTL逻辑信号转换成VMOS器件所需的高电平（这和所提供的供电电压和MOS管所需驱动电压相关），从而在7、5脚上输出频率相等，幅值为12-20V的