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TDC-MS1022在激光测距中的应用
摘要:有几种不同的方法来实现一个激光测距仪,原理上它们是相似的,都是发射光脉冲,然后接收。一旦返回脉冲被接收到,一些简单的算术和几何公式被用来计算光脉冲的飞行距离,例如:三角测量、调频连续波、飞行时间等,这些不同的方法都有自己的优缺点。 三角测量距离小于10m,精度较高达um级别,依赖于表面,便宜,结实;调频连续波测量距离小于200m,精度为厘米级别,低生产成本,测量速度慢;飞行时间测量距离可达几公里,同时可将误差控制在mm级别,反应时间短,价格昂贵,没有光圈。对于长距离测距来讲,采用飞行时间测距是最为有效的一种方案,本文介绍了基于TDC-MS1022的飞行时间测量方案在激光测距中的应用。
关键字:TDC-MS1022,飞行时间,激光测距
1飞行时间
飞行时间,这是一个光脉冲前往目标并返回的时间。已知光的速度,和精确的测量结果:飞行时间,可以计算出距离。许多脉冲顺序被发射,平均响应时间是最常用的。这种技术要求非常精确的亚纳秒定时电路。测量距离用激光或激光扫描仪很好的被建立–你会发现这个技术在地质测量系统,安全系统, 生产控制系统中,甚至高尔夫系统中。基于要测量的距离,不同的方法被使用。小距离,通过三角测量。使用这种方法实现的方案是在微米范围内,但只有几米的最大范围是有限的。对于100 米左右的距离,人经常使用的相移测量技术。进行激光调制,传出和传入的光之间的相移给出距离。为了达到毫米范围内的分辨率,非常高的采样率是必要的。只有带有高电流消耗的低测量频率是可能的。使用时间数字转换器,人们有了捷径来数字化飞行时间。它使直接测量光的飞行时间成为可能。原理很简单,但是细节是难点!众所周知,光的飞行速度很快。
因此, 必须能够处理极短的时间。在仅仅1微秒的时间里,光线就可以穿过300 米! 高分辨率意味着在时间测量中的最高精度。一般情况下,光线能够通过一个物体和镜子反射回来,所有光线通过两倍的实际距离。
所以我们得出:
数据表:
这个范围非常适合使用TDC-MS1022。单个芯片TDC有一个单一的分辨率90ps ,它相当于13.5mm 距离。通过平均可以提高分辨率到<10 ps or< 1.5mm。TDC-MS1022是一个非常通用的集成电路,它可以在不同的模式下被使用。具体哪个模式被选择,我们看一下具体的说明:
2.测量范围从 0 到300m
TDC-MS1022 – 测量模式 1
概述
·测量范围从 3.5 ns 到 2.0 μs (0 到 2.0 μs 在不同的Stop 通道之间)
·Typ. 90 ps 分辨率rms (13.5 mm)
·可以通过平均来达到更好的分辨率
·直到每秒500,000 次测量
·20 ns 最小脉冲间隔, 最多接受4 个脉冲
·对于每一个通道的四次采样能力
·对于每个通道可选择上升和/或下降沿触发
·窗口功能的使能引脚
·典型应用: 手持激光测距仪:可以达到300 m, 声速枪
框架图
图2.1 框架图– 测量范围1
温度对于发射和接受途径上影响,可以通过测量参考光束和反射光束之间的间隔来消除。所以,TDC 从微处理器得到一个假测量的开始。光学参考触发Stop1,反射光束触发Stop2。
优势
· 可以测量到零纳秒
·带有激活的噪声单元的平均可以提高测量结果 (EN_STARTNOISE = “1”)
· TDC 有必须的统计功能实现通过平均提高分辨率
3 测量范围从75 米到公里级别
TDC-MS1022 – 测量模式 2
测量模式2提供远距离测量,可以到几公里。但是它的测量范围下端受限。测量模式2需要最小2*Tref在Star和Stop1之间。
概述
·相对于一个开始通道,一个stop通道。
·典型22ps/45ps/90ps分辨率
·测量范围从2 x Tref到4 ms @ 4MHz
·2 x Tref 脉冲对分辨率
·3 个综合采样能力, 完全的自动校准
·可选择上升沿/下降沿触发
·集成的可编程窗口,每个Stop 精度10 纳秒
·典型应用: 长距离测距仪(狩猎,高尔夫,测仪器)
框架图
图3.1 框架图– 测量模式2
4 宽范围应用设计
有些应用程序可能希望短期和长期相结合的测量范围。对此,有必要在测量模式1(短距离)和测量模式2(长距离)之间进行切换。这可以通过使用由微处理器控制的两个TDC-MS1022 设备,覆盖两个测量模式。
基本原理图:
图4.1 基本原理图
总结:
激光测距最主要的难点就是时刻鉴别精度和时间间隔测量精度,影响时刻鉴别精度的因素主要是回波幅度的不稳定,影响时间间隔测量精度的因素则包括计数器时钟频率、计数量化误差、晶体振荡器频率稳定性和系统固有的延时。TDC-MS1022,单次测量分辨率达到45ps,集成度高,功耗超低,测量灵活性高,操作简便。此芯片可以与微控制器通过SPI通信实现测量时间间隔和传输测量结果等功能,被广泛应用在脉冲激光测距系统中。
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