基于回波强度的激光测距误差补偿算法研究

基于回波强度的激光测距误差补偿算法研究
作者：王永志；孙超君；段存高；张明祎；





       激光测距以及基于该技术的激光雷达、激光导引等技术已在军用和民用领域取得广泛的应用。根据激光的发射体制，激光测距技术可分为连续波激光测距与脉冲激光测距两种体制。得益于脉冲激光源的高峰值功率，脉冲激光测距体制更适用于较远距离及室外复杂光背景环境下非合作目标的距离测量，应用范围非常广泛。

       回波强度变化引入的时刻鉴别误差是脉冲激光测距中主要的误差来源之一。本文提出一种基于回波强度的脉冲激光测距时刻鉴别补偿算法。以探测器输出信号的固定阈值比较电平宽度作为回波强度的表征量，通过分析回波强度与时刻鉴别误差的关系，阐述了延迟补偿算法的基本原理。通过基于固定阈值前沿时刻鉴别的脉冲激光测距样机验证了该算法的补偿精度，并分析影响误差补偿精度的因素，提出了进一步提高误差补偿精度的措施。

1、脉冲激光测距及误差分析

      脉冲激光测距体制中通常采用飞行时间测量法（TOF）实现距离测量。TOF方法的原理是通过测量激光脉冲在激光源与目标面之间往返飞行的时间 Δｔ得到目标距离。根据该定义，目标距离L 的计算公式为L ＝ 1/2ｃ×Δｔ式中：ｃ为真空中的光速。在 TOF脉冲激光测距技术中，测距误差主要有两类：系统误差和随机误差。其中，系统误差主要包括计时误差、时刻鉴别误差以及大气折射率误差；随机误差主要是噪声引起的误差。在本文讨论的测距精度范围内，随机误差与大气折射率误差可以忽略，同时通过采用时钟频率较高的FPGA将计时误差降低到可接受的范围内，主要考查时刻鉴别误差的补偿。

2、误差补偿原理

      时刻鉴别误差是指初始（Start）与截止（Stop）时间的判断误差，它是脉冲激光测距主要的误差来源之一。前沿时刻鉴别方法是脉冲激光测距技术中一种基本时刻鉴别方法，它以回波信号脉冲前沿超过阈值电压的时刻作为截止时刻。对某一设定的阈值电压U0，相同距离下不同的回波强度得到的时刻鉴别截止时间不同（ｔ1，ｔ1′），由此引入时刻鉴别误差 Δτ。

      对于给定的激光脉冲波形，Δτ 与回波强度、比较电平宽度 ΔＴ 存在一个固定的函数关系：Δτ ＝f（ΔＴ）利用这一固定关系，可以通过测量 ΔＴ 对时刻鉴别误差进行补偿。根据TOF测距公式，加入补偿量的目标距离Ｌ 满足以下关系式：L ＝ 1/2e［Δt＋f（ΔT）］函数ｆ（ΔT）的形式与激光脉冲的波形有关。由于脉冲的形状并不是理想的高斯波形，因此准确的补偿函数的数学形式是很难得到的。本文提出，通过离散点测量结合曲线拟合的方式获得ｆ（ΔＴ）的近似函数形式ｆ′（ΔＴ），并利用该函数实现对测距误差的补偿。

3、时刻鉴别误差补偿试验验证

       为了对测距补偿算法的效果进行验证，搭建了基于FPGA的脉冲激光测距样机。其中，激光二极管发射波长为905nm，脉冲宽度约为60ns，重复频率1kHz，峰值功率为75W；采用硅基光电二极管（Si-Pin）作为探测器。利用FPGA 移相时钟对回波进行高速采样，测量反射回波的延时与脉宽。利用0°时钟移相技术实现4倍频等效采样时钟，采用采样频率为 200mHz的FPGA 芯片可以得到1.25ns时间测量精度。FPGA根据测得的前沿时刻与比较电平宽度，采用查表方式得到误差补偿量。

3.2误差补偿原理验证

       比较电平宽度 ΔT 与延迟误差 Δτ 之间的固定关系是补偿算法成立的理论基础。实验中，首先对二者之间的固定关系进行了验证。激光测距技术中影响 ΔT 大小的因素主要有两个，即目标反射特性与目标距离。本文研究内容主要针对非合作扩展目标，目标反射特性只考虑反射率。实验中，利用示波器监测输出比较电平宽度，通过改变目标反射率同时调整目标距离，使比较电平保持某一固定宽度不变，记录实测延迟与时刻鉴别误差。实验测量了多种比较电平宽度下时刻鉴别误差的变化，列出比较电平宽度为60ns时的测量数据分析可以看出，时刻鉴别误差 值是稳定的（起伏保 持在±0.5ns范围内，小于FPGA计时精度）。这表明时刻鉴别误差 Δτ 与输出比较电平宽度 ΔＴ 之间存在固定关系，不随目标距离和目标反射特性

改变。

3．3时刻鉴别误差补偿与效果分析

       为得到时刻鉴别误差 Δτ 与比较电平宽度ΔＴ 的近似函数关系ｆ′（ΔＴ），实验中通过改变目标距离与反射率，对20ns-200ns比较电平宽度范围内的时刻鉴别误差进行了离散采样测量。实验中为了得到大的回波强度变化范围，采用了反射率为0.3（实心点）和0.9（空心点）两种标准目标板。其中，采用反射率为0.3的目标时，测距样机可以在0.5m-15m 范围内实现有效信号探测。需要指出的是，两种目标板在测量数据的50ns-150ns范围处存在交叠，二者测量结果具有高度一致性，进一步验证了上节的结论。

       通过对实验数据进行曲线拟合 ，得到了 Δτ与 ΔＴ 近似的解析函数关系式：τ＝ｆ′（ΔＴ）＝Ａ ＋Ｂ×ｅｘｐ （ΔＴ/k）式中：Ａ＝59.365；Ｂ＝96.280；ｋ＝42.761。可以看出 Δτ与 ΔＴ 之间近似呈指数关系。测距样机内部FPGA的计时精度为1.25ns，为简化降低计算复杂度，根据式以1.25ns为比较电平宽度单位间隔制作时刻鉴别误差表。FPGA通过测量得到的比较电平宽度查表得到时刻鉴别误差补偿值，利用式计算得到目标距离值Ｌ。

       考查采用以上补偿算法后的残余误差 Δτ′，实验中在 （20-200）ns比较电平宽度范围内选取若干采样点进行测量，得到补偿后测量延迟与真实值之间的误差。分析以上采样点误差分布可以看出：ΔT 在（40-220）ns范围， Δτ′在 ±2ns以内，即测距误差小于0.3m；当ΔT＜40ns，即回波信号强度接近设定的阈值电压时，残余误差较大。这是由回光太弱，测距机中比较电平宽度抖动误差较大导致的。

       补偿时刻鉴别误差后，系统的残余误差主要来源于两个方面：一是 FPGA采样时钟频率有限引起的计时误差（计时精度1.25ns），它会引起包括时刻鉴别与比较电平宽度在内的测量误差；二是发射脉冲形状不规则引入的补偿误差，发射脉冲波形可以看出发射脉冲波形中包含较多高频成分，这导致误差拟合曲线与实际误差量难以实现高度符合。

      综上分析，为进一步提高误差补偿精度，可以采取以下两种措施：一是适当提高FPGA的采样时钟频率，以提高时刻测量精度；二是在探测器输出信号后增加低通滤波器，滤除信号中的高频成份，使输出信号波形平滑，降低回光强度起伏引起的比较电平宽度的高频抖动。

4、结论

       针对脉冲激光测距技术，本文开展了基于回波比较电平宽度测量的时刻鉴别误差补偿算法的研究。分析了该误差补偿算法的原理，并对该算法成立的前提条件与补偿算法的测距效果进行了实验验证。在本文实验条件下，采用该补偿算法可以基本将测距误差控制在±0.3mm以内，实现了较高的测距精度。该算法实现简单，可用于具有强抗干扰能力的成本低脉冲激光测距。此外，该算法可与恒比定时、高通容阻等高精度的时刻鉴别技术结合提升其测距精度。该技术在激光引信、激光 测 距、环境感知等领域有较好的应用前景。






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