TDC-MS1022在激光測(cè)距中的應(yīng)用

摘要：有幾種不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)激光測(cè)距儀，原理上它們是相似的,都是發(fā)射光脈沖,然后接收。一旦返回脈沖被接收到,一些簡(jiǎn)單的算術(shù)和幾何公式被用來(lái)計(jì)算光脈沖的飛行距離，例如：三角測(cè)量、調(diào)頻連續(xù)波、飛行時(shí)間等，這些不同的方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。 三角測(cè)量距離小于10m,精度較高達(dá)um級(jí)別，依賴于表面,便宜,結(jié)實(shí)；調(diào)頻連續(xù)波測(cè)量距離小于200m，精度為厘米級(jí)別，低生產(chǎn)成本,測(cè)量速度慢；飛行時(shí)間測(cè)量距離可達(dá)幾公里，同時(shí)可將誤差控制在mm級(jí)別，反應(yīng)時(shí)間短,價(jià)格昂貴,沒(méi)有光圈。對(duì)于長(zhǎng)距離測(cè)距來(lái)講，采用飛行時(shí)間測(cè)距是最為有效的一種方案，本文介紹了基于TDC-MS1022的飛行時(shí)間測(cè)量方案在激光測(cè)距中的應(yīng)用。

關(guān)鍵字：TDC-MS1022,飛行時(shí)間，激光測(cè)距

1飛行時(shí)間 

飛行時(shí)間，這是一個(gè)光脈沖前往目標(biāo)并返回的時(shí)間。已知光的速度,和精確的測(cè)量結(jié)果:飛行時(shí)間,可以計(jì)算出距離。許多脈沖順序被發(fā)射,平均響應(yīng)時(shí)間是最常用的。這種技術(shù)要求非常精確的亞納秒定時(shí)電路。測(cè)量距離用激光或激光掃描儀很好的被建立–你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)技術(shù)在地質(zhì)測(cè)量系統(tǒng),安全系統(tǒng), 生產(chǎn)控制系統(tǒng)中,甚至高爾夫系統(tǒng)中。基于要測(cè)量的距離,不同的方法被使用。小距離,通過(guò)三角測(cè)量。使用這種方法實(shí)現(xiàn)的方案是在微米范圍內(nèi),但只有幾米的最大范圍是有限的。對(duì)于100 米左右的距離,人經(jīng)常使用的相移測(cè)量技術(shù)。進(jìn)行激光調(diào)制,傳出和傳入的光之間的相移給出距離。為了達(dá)到毫米范圍內(nèi)的分辨率,非常高的采樣率是必要的。只有帶有高電流消耗的低測(cè)量頻率是可能的。使用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器,人們有了捷徑來(lái)數(shù)字化飛行時(shí)間。它使直接測(cè)量光的飛行時(shí)間成為可能。原理很簡(jiǎn)單,但是細(xì)節(jié)是難點(diǎn)!眾所周知,光的飛行速度很快。

因此, 必須能夠處理極短的時(shí)間。在僅僅1微秒的時(shí)間里,光線就可以穿過(guò)300 米! 高分辨率意味著在時(shí)間測(cè)量中的最高精度。一般情況下,光線能夠通過(guò)一個(gè)物體和鏡子反射回來(lái),所有光線通過(guò)兩倍的實(shí)際距離。 

所以我們得出:

數(shù)據(jù)表：

這個(gè)范圍非常適合使用TDC-MS1022。單個(gè)芯片TDC有一個(gè)單一的分辨率90ps ,它相當(dāng)于13.5mm 距離。通過(guò)平均可以提高分辨率到<10 ps or< 1.5mm。TDC-MS1022是一個(gè)非常通用的集成電路,它可以在不同的模式下被使用。具體哪個(gè)模式被選擇,我們看一下具體的說(shuō)明:

2.測(cè)量范圍從 0 到300m

TDC-MS1022 – 測(cè)量模式 1

概述

·測(cè)量范圍從 3.5 ns 到 2.0 μs (0 到 2.0 μs 在不同的Stop 通道之間)

·Typ. 90 ps 分辨率rms (13.5 mm)

·可以通過(guò)平均來(lái)達(dá)到更好的分辨率 

·直到每秒500,000 次測(cè)量

·20 ns 最小脈沖間隔, 最多接受4 個(gè)脈沖

·對(duì)于每一個(gè)通道的四次采樣能力

·對(duì)于每個(gè)通道可選擇上升和/或下降沿觸發(fā)

·窗口功能的使能引腳

·典型應(yīng)用: 手持激光測(cè)距儀:可以達(dá)到300 m, 聲速槍

框架圖

圖2.1 框架圖– 測(cè)量范圍1

溫度對(duì)于發(fā)射和接受途徑上影響,可以通過(guò)測(cè)量參考光束和反射光束之間的間隔來(lái)消除。所以,TDC 從微處理器得到一個(gè)假測(cè)量的開始。光學(xué)參考觸發(fā)Stop1,反射光束觸發(fā)Stop2。 

優(yōu)勢(shì)

· 可以測(cè)量到零納秒

·帶有激活的噪聲單元的平均可以提高測(cè)量結(jié)果 (EN_STARTNOISE = “1”)

 · TDC 有必須的統(tǒng)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)通過(guò)平均提高分辨率

3 測(cè)量范圍從75 米到公里級(jí)別 

TDC-MS1022 – 測(cè)量模式 2
測(cè)量模式2提供遠(yuǎn)距離測(cè)量,可以到幾公里。但是它的測(cè)量范圍下端受限。測(cè)量模式2需要最小2*Tref在Star和Stop1之間。 

概述

·相對(duì)于一個(gè)開始通道,一個(gè)stop通道。

·典型22ps/45ps/90ps分辨率

·測(cè)量范圍從2 x Tref到4 ms @ 4MHz

·2 x Tref 脈沖對(duì)分辨率

·3 個(gè)綜合采樣能力, 完全的自動(dòng)校準(zhǔn)

·可選擇上升沿/下降沿觸發(fā)

·集成的可編程窗口,每個(gè)Stop 精度10 納秒

·典型應(yīng)用: 長(zhǎng)距離測(cè)距儀(狩獵,高爾夫,測(cè)儀器)

框架圖

圖3.1 框架圖– 測(cè)量模式2

4 寬范圍應(yīng)用設(shè)計(jì)

有些應(yīng)用程序可能希望短期和長(zhǎng)期相結(jié)合的測(cè)量范圍。對(duì)此,有必要在測(cè)量模式1(短距離)和測(cè)量模式2(長(zhǎng)距離)之間進(jìn)行切換。這可以通過(guò)使用由微處理器控制的兩個(gè)TDC-MS1022 設(shè)備,覆蓋兩個(gè)測(cè)量模式。

基本原理圖：

圖4.1 基本原理圖

總結(jié)：

激光測(cè)距最主要的難點(diǎn)就是時(shí)刻鑒別精度和時(shí)間間隔測(cè)量精度，影響時(shí)刻鑒別精度的因素主要是回波幅度的不穩(wěn)定，影響時(shí)間間隔測(cè)量精度的因素則包括計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率、計(jì)數(shù)量化誤差、晶體振蕩器頻率穩(wěn)定性和系統(tǒng)固有的延時(shí)。TDC-MS1022,單次測(cè)量分辨率達(dá)到45ps，集成度高，功耗超低，測(cè)量靈活性高，操作簡(jiǎn)便。此芯片可以與微控制器通過(guò)SPI通信實(shí)現(xiàn)測(cè)量時(shí)間間隔和傳輸測(cè)量結(jié)果等功能，被廣泛應(yīng)用在脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)中。