Development of Time Interval Measuring System with Multi-Channel for Array LiDAR*

ZHOU Guoqing，ZHOU Xiang，ZHAND Lieping，ZHANG Biao，YANG Chuntao，LIU Yilong，LI Mingyan

(1.GuangXi Key Laboratory for Geospatial Informatics and Geomatics Engineering，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China; 2.Department of Mechanical and Control Engineering，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China; 3.Department of Information Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China)

Development of Time Interval Measuring System with Multi-Channel for Array LiDAR*

ZHOU Guoqing1*，ZHOU Xiang2，ZHAND Lieping2，ZHANG Biao3，YANG Chuntao2，LIU Yilong2，LI Mingyan2

(1.GuangXi Key Laboratory for Geospatial Informatics and Geomatics Engineering，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China; 2.Department of Mechanical and Control Engineering，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China; 3.Department of Information Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China)

Time interval measuring system with multi-channel and high precision is designed and implemented，which is applied to solve a critical technology of multi-beam laser flight time measuring for APD array LiDAR．The hardware system consists of one data packing unit and four basic measurement units．Software programming adopts event driven mode，and utilizes circular FIFO and interrupt technology to accomplish data communication．The interval measuring system is used on 5×5 APD LiDAR with fiber coupling，the ranging precision meets requirements of array LiDAR，ranging deviation by converting from time is－6．41 cm～10．58 cm and the maximum ranging standard deviation is 4．22 cm in all 25 channels．

APD Array LiDAR;multi-channel time interval measurement;TDC-GPX;STM32F103ZET6

激光雷達(dá)測(cè)量為獲取空間三維數(shù)據(jù)提供了重要手段。90年代，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員Scott M首次提出了無(wú)掃描面陣激光雷達(dá)的概念，目前無(wú)掃描面陣激光雷達(dá)已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［1－6］。APD(雪崩光電二極管)面陣激光雷達(dá)采用脈沖激光對(duì)目標(biāo)實(shí)施泛光照明，單次探測(cè)面積大，可并行接收從目標(biāo)不同位置處反射的多束激光回波［7］，為了能夠瞬間獲取目標(biāo)區(qū)域多點(diǎn)三維信息，如何并行測(cè)量多路激光回波飛行時(shí)間是APD面陣激光雷達(dá)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，針對(duì)這一技術(shù)，人們必須同時(shí)解決兩個(gè)問(wèn)題:一是時(shí)間的高精度測(cè)量，因?yàn)橐怨馑俚募す怙w行時(shí)間每1 ns的測(cè)量誤差就會(huì)導(dǎo)致±15 cm的測(cè)距偏差;二是多通道并行測(cè)量。本論文就這兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)研究，研發(fā)了一個(gè)多通道高精度時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)，即測(cè)時(shí)系統(tǒng)，并用于面陣激光雷達(dá)試驗(yàn)。

1　面陣激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)

圖1為5×5光纖陣列耦合APDs面陣激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)框圖，圖中脈沖激光器發(fā)射脈沖激光，分光片將發(fā)射的脈沖激光分為比例懸殊的兩部分，極小部分激光經(jīng)PIN高速光電探測(cè)模塊轉(zhuǎn)換處理后以數(shù)字形式輸出一個(gè)開(kāi)始(Start)信號(hào)至本論文設(shè)計(jì)的測(cè)時(shí)系統(tǒng)Start端，該Start信號(hào)即為激光發(fā)射時(shí)刻的標(biāo)志。絕大部分激光經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)泛光照明，從目標(biāo)反射的激光回波經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)匯聚到陣列探測(cè)模塊中5×5光纖陣列耦合APDs探測(cè)器的25個(gè)光敏面上，該陣列探測(cè)器將激光回波信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換輸出微弱電流信號(hào)，再經(jīng)25路并行跨阻放大及高速比較電路處理后輸出25路數(shù)字信號(hào)作為停止(Stop)信號(hào)分別進(jìn)入測(cè)時(shí)系統(tǒng)25個(gè)Stop端，該測(cè)時(shí)系統(tǒng)并行測(cè)量從收到Start信號(hào)至25路Stop信號(hào)到達(dá)的25路激光往返飛行時(shí)間間隔，根據(jù)基本測(cè)距公式L=1/2ct［8］轉(zhuǎn)換即可得到25路距離信息。

圖1　5×5光纖陣列耦合APDs面陣激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件設(shè)計(jì)

2．1芯片選型

目前高精度時(shí)間間隔測(cè)量主要有FPGA和TDC專用計(jì)時(shí)芯片這兩種方案。由于FPGA沒(méi)有合適的鎖相環(huán)(PLL)和延時(shí)鎖定環(huán)(DLL)技術(shù)電路來(lái)穩(wěn)定延遲線的時(shí)間延遲，同時(shí)延遲線的一致性不夠好［9］，作為時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路其線性度可能會(huì)變差，測(cè)時(shí)精度很難保證［10］;通過(guò)采用雙邊沿計(jì)數(shù)器的脈沖計(jì)數(shù)與相位延遲內(nèi)插相結(jié)合的時(shí)間測(cè)量方法，測(cè)量精度得到改善，但是只能測(cè)量一個(gè)通道［11］，所以FPGA方案不適合面陣激光雷達(dá)的多通道高精度測(cè)時(shí)要求。TDC專用計(jì)時(shí)芯片方案主要集中在TDC-GP1、TDC-GP2、TDC-GP21芯片的應(yīng)用［9－11］，但它們都只有兩個(gè)測(cè)量通道而且是同步串行方式輸出測(cè)量數(shù)據(jù)，而本面陣激光雷達(dá)需要并行測(cè)量25路激光飛行時(shí)間，因此這種兩通道的TDC專業(yè)芯片方案也不適用。德國(guó)ACAM公司功能最強(qiáng)大的TDCGPX芯片工作在I模式下可以并行測(cè)量8路時(shí)差，分辨率81 ps，數(shù)據(jù)輸出總線為28位或16位兩種形式［12］，只需使用4片TDC-GPX芯片就足以滿足25路激光飛行時(shí)間測(cè)量。意法半導(dǎo)體(ST)公司生產(chǎn)的ARM Cortex－M3架構(gòu)STM32F103ZET6處理器系統(tǒng)時(shí)鐘頻率72 MHz，112個(gè)I/O口，16個(gè)外部中斷，5個(gè)串口，內(nèi)存64 kbyte，閃存容量512 kbyte［13－14］，能夠滿足TDC-GPX芯片寄存器配置和測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取，且性價(jià)比高［15］，操作本測(cè)時(shí)系統(tǒng)。

2．2硬件總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的測(cè)時(shí)系統(tǒng)由4個(gè)基本測(cè)量單元和1個(gè)數(shù)據(jù)打包單元構(gòu)成，測(cè)時(shí)系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。圖2中每個(gè)單元都包含1片STM32F103ZET6處理器，整個(gè)測(cè)時(shí)系統(tǒng)硬件形成了一個(gè)多核并行處理機(jī)，而且擴(kuò)展性好，適用性強(qiáng)。考慮到TDC-GPX芯片價(jià)格較高，同時(shí)為了提高通用性和互換性，每個(gè)基本測(cè)量單元均包含兩塊子電路板，兩塊子板都設(shè)計(jì)為雙面板，并通過(guò)2．54雙排插針和雙排母連接。子板1包含1片TDC-GPX芯片可測(cè)量8路激光飛行時(shí)間，子板2上包含1片ARM STM32F103ZET6處理器用于配置子板1中的TDC-GPX芯片并讀取其測(cè)量數(shù)據(jù)，再由串口輸出測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)打包單元中的STM32F103ZET6處理器通過(guò)串口2～5接收4個(gè)基本測(cè)量單元輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)存儲(chǔ)打包后再由串口1上傳至上位PC機(jī)。

圖2　測(cè)時(shí)系統(tǒng)硬件框圖

2．3基本測(cè)量單元硬件設(shè)計(jì)

圖3為基本測(cè)量單元硬件框圖，Start為TDCGPX芯片進(jìn)行時(shí)間間隔測(cè)量的Start信號(hào)，來(lái)自圖1中“PIN高速光電探測(cè)模塊”的輸出。Stop1～Stop8為8路Stop信號(hào)，來(lái)自圖1中“25路并行跨阻放大及高速比較電路”的輸出，由于PCB板上1cm的銅導(dǎo)線將引起幾十皮秒(ps)的傳輸延遲，因此8路Stop信號(hào)在PCB板上盡可能等長(zhǎng)布線，并位于同一布線層。PuResN為TDC-GPX芯片復(fù)位信號(hào)，低電平有效，連接STM32F103ZET6的PB9腳;AluTriggier為主復(fù)位信號(hào)用于清空TDC-GPX片內(nèi)FIFO，連接PE3腳; StopDis1～StopDis4共4個(gè)信號(hào)，為8路Stop信號(hào)Stop1～Stop8的輸入使能，分別連接STM32F103ZET6的PC0、PE6、PC1、PC2;CSN、OEN、RD、WR分別為TDC-GPX的片選、測(cè)量數(shù)據(jù)輸出使能、讀信號(hào)、寫(xiě)信號(hào)，分別連接到PB13、PE0、PB14、PB15;Addr0～Addr3為4 bit地址總線，分別連接到PF0、PE5、PE2、PE4;D0～D27為28 bit數(shù)據(jù)總線，連接到STM32F103ZET6的PD口高12 bit即PD4～PD15和PG口，共28 bit;Ir-Flag為TDC-GPX中斷請(qǐng)求信號(hào)，連接到PC10;EF1、EF2分別表示TDC-GPX內(nèi)部的IFIFO1和IFIFO2的狀態(tài)為1時(shí)表示對(duì)應(yīng)的IFIFO為空，連接到PB8和PB6腳。

圖3　基本測(cè)量單元硬件框圖

2．4數(shù)據(jù)打包單元硬件設(shè)計(jì)

每個(gè)基本測(cè)量單元都將測(cè)得的8路時(shí)間間隔數(shù)據(jù)由各自STM32F103ZET6處理器的串口1輸出。4個(gè)基本測(cè)量單元的串口1分別連接到數(shù)據(jù)打包單元處理器的串口2至串口5，數(shù)據(jù)打包單元將收到的25路時(shí)間間隔測(cè)量數(shù)據(jù)打包、存儲(chǔ)后由串口1輸出到USB轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換芯片PL2303，這樣25路測(cè)量數(shù)據(jù)就由USB口上傳至PC機(jī)進(jìn)行顯示、處理及存儲(chǔ)。USB轉(zhuǎn)串口接口電路中PL2303的RXD、TXD連接數(shù)據(jù)打包單元處理器的串口1(PA9，PA10)，DM、DP通過(guò)22 Ω電阻分別連接到Mini-USB插頭的數(shù)據(jù)口D－和D+;該轉(zhuǎn)換電路必須在數(shù)據(jù)口D+上拉1．5 K電阻到3．3 V(PL2303的17腳)，這樣上位PC機(jī)中的USB主機(jī)就可以判斷是否有高速USB設(shè)備接入，否則接入的USB設(shè)備不能被識(shí)別。

3　軟件研究

3．1基本測(cè)量單元主程序?qū)崿F(xiàn)方法

本測(cè)時(shí)系統(tǒng)軟件部分包括基本測(cè)量單元軟件和數(shù)據(jù)打包單元軟件。基本測(cè)量單元的測(cè)量主程序工作流程如圖4所示，該程序運(yùn)行在基本測(cè)量單元中STM32F103ZET6處理器上，第1步，初始化處理器主要包括:(1)時(shí)鐘初始化，本設(shè)計(jì)使用8 MHz外部時(shí)鐘倍頻產(chǎn)生72 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘。(2)I/O初始化，主要配置與TDC-GPX連接的相關(guān)I/O，28 bit數(shù)據(jù)總線D0～D27支持雙向操作，由于ARM Cortex－M3架構(gòu)的處理器為16 bit外部數(shù)據(jù)總線，而本設(shè)計(jì)使用非標(biāo)準(zhǔn)的28 bit數(shù)據(jù)總線，因此采用通用I/O模擬28 bit數(shù)據(jù)總線的讀、寫(xiě)時(shí)序，讀操作前必須將D0～D27配置為輸入，寫(xiě)操作前又必須將D0～D27配置為輸出;4 bit地址總線Addr0～Addr3配置為輸出;讀寫(xiě)控制線RD、WR配置為輸出，4根Stop信號(hào)輸入使能線StopDis1～StopDis4配置為輸出;TDCGPX的復(fù)位PuResN，主復(fù)位Alutrigger，片選CSN，數(shù)據(jù)輸出使能OEN均配置為輸出;TDC-GPX的中斷線IrFlag，IFIFO0空標(biāo)志EF1，IFIFO1空標(biāo)志EF2均配置為輸入，IrFlag配置為STM32F103ZET6的一個(gè)外部中斷源，上升沿觸發(fā)。(3)串口初始化，使用串口1，波特率38．4 kbit/s。(4)中斷初始化，用于初始化串口1中斷，IrFlag外部中斷。(5)延時(shí)初始化，配置延時(shí)函數(shù)，以供程序調(diào)用。

圖4　基本測(cè)量單元的測(cè)量主程序工作流程

第2步TDC-GPX芯片初始化:通過(guò)清零PuResN復(fù)位TDC-GPX;對(duì)StopDis1～StopDis4置1禁止Stop信號(hào)輸入;配置TDC-GPX內(nèi)部相關(guān)寄存器設(shè)定其工作方式，本設(shè)計(jì)配置的工作方式為:I模式，選擇Start信號(hào)和Stop信號(hào)觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)，Mtimer定時(shí)到則觸發(fā)IrFlag中斷;對(duì)4個(gè)引腳StopDis1～StopDis4清零，使能Stop信號(hào)輸入則TDC-GPX進(jìn)入時(shí)間間隔測(cè)量狀態(tài)。

第3步測(cè)量程序進(jìn)入事件循環(huán)，等待事件發(fā)生，由于主程序按事件驅(qū)動(dòng)模式設(shè)計(jì)，因此該循環(huán)永不返回。如果沒(méi)有事件發(fā)生，程序一直處于等待狀態(tài)。若有事件發(fā)生，程序就會(huì)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)事件的中斷處理程序入口，然后執(zhí)行事件處理的中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完后回到事件循環(huán)繼續(xù)等待下一個(gè)事件發(fā)生。本設(shè)計(jì)主要處理兩個(gè)事件:(1)TDC-GPX產(chǎn)生的IrFlag外部中斷事件，請(qǐng)求處理器讀取8路測(cè)量數(shù)據(jù)，處理器將測(cè)量數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部開(kāi)辟的8K循環(huán)FIFO中。(2)串行口1數(shù)據(jù)發(fā)送中斷事件，每次中斷處理器從循環(huán)FIFO中讀取1 byte送至串行口發(fā)送。

3．2IrFlag中斷服務(wù)程序

TDC-GPX執(zhí)行測(cè)量后向處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)IrFlag，隨后處理器響應(yīng)中斷并執(zhí)行IrFlag中斷服務(wù)程序。圖5為IrFlag中斷程序流程圖。第1步

圖5　IrFlag中斷程序工作流程圖

判斷EF1信號(hào)是否為0，如果EF1=0，STM32F103ZET6從數(shù)據(jù)總線D0～D27上讀取來(lái)自IFIFO0中的1～4通道測(cè)量結(jié)果，并寫(xiě)入片內(nèi)RAM中開(kāi)辟的8 kbyte循環(huán)FIFO中。如果EF1=1，表示TDC-GPX的IFIFO0為空，即:1～4通道沒(méi)有測(cè)量數(shù)據(jù)，程序轉(zhuǎn)入下一步。第2步，判斷EF2信號(hào)是否為0，如果EF2=0，處理器從數(shù)據(jù)總線D0～D27上讀取來(lái)自IFIFO1的5～8通道測(cè)量結(jié)果，并寫(xiě)入片內(nèi)RAM中開(kāi)辟的8 kbyte循環(huán)FIFO中。如果EF2 =1，表示TDC-GPX的IFIFO1為空，即:5～8通道沒(méi)有測(cè)量數(shù)據(jù)。第3步，程序?qū)DC-GPX進(jìn)行主復(fù)位，即對(duì)信號(hào)Alutrigger置1后再清零，用于清空TDC-GPX內(nèi)部FIFO中數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備下一輪測(cè)量。第4步，STM32F103ZET6啟動(dòng)串口1發(fā)送上述第1步和第2步寫(xiě)入循環(huán)FIFO中的測(cè)量數(shù)據(jù)。最后，IrFlag中斷退出，程序返回事件循環(huán)。

3．3數(shù)據(jù)打包單元軟件

數(shù)據(jù)打包單元的STM32F103ZET6在串口2～5的中斷服務(wù)程序中分別接收4個(gè)基本測(cè)量單元從各自串口1發(fā)送的時(shí)間間隔測(cè)量數(shù)據(jù)，并將收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入其內(nèi)部RAM中開(kāi)辟的32 kbyte循環(huán)FIFO中，這就實(shí)現(xiàn)了25路時(shí)間間隔測(cè)量數(shù)據(jù)的打包存儲(chǔ)，同時(shí)STM32F103ZET6也在串口1中斷服務(wù)程序中讀取32 kbyte循環(huán)FIFO中的數(shù)據(jù)并發(fā)送。串口1輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)PL2303芯片轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)流進(jìn)入上位PC機(jī)進(jìn)行顯示、處理及存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)打包單元STM32F103ZET6配置串口1波特率為115．2 kbit/s，串口2～串口5波特率為38．4 kbit/s，串口1～串口5中斷均配置為子優(yōu)先級(jí)方式，不允許搶占運(yùn)行，這是因?yàn)榇?～串口5寫(xiě)入的與串口1讀出的都是同一塊32 kbyte循環(huán)FIFO，只有采用子優(yōu)先級(jí)方式，才能保證并行操作下數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的正確性。

3．4循環(huán)FIFO實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)在4個(gè)基本測(cè)量單元上STM32F103ZET6片內(nèi)RAM中開(kāi)辟了8 kbyte循環(huán)FIFO作為串口1的發(fā)送緩沖區(qū)。在數(shù)據(jù)打包單元上STM32F103ZET6片內(nèi)RAM中開(kāi)辟了32 kbyte循環(huán)FIFO作為串口1～串口5的收、發(fā)緩沖區(qū)。這樣通信收、發(fā)緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)域都是一個(gè)循環(huán)隊(duì)列，如此設(shè)計(jì)可有效避免因通信緩沖區(qū)溢出引發(fā)的通信處理異常。

循環(huán)FIFO設(shè)置有讀指針和寫(xiě)指針。每寫(xiě)入或讀出一個(gè)數(shù)據(jù)，寫(xiě)指針或讀指針就沿緩沖區(qū)移動(dòng)一位。循環(huán)FIFO空、滿狀態(tài)判斷非常方便，下面的語(yǔ)句組摘自本設(shè)計(jì)的基本測(cè)量單元STM32F103ZET6串口1發(fā)送中斷服務(wù)程序，其中SEND_BUF_SIZE= 8192，即循環(huán)FIFO大小為8 kbyte，Scom1定義了串口1操作的結(jié)構(gòu)體。

第①句判斷循環(huán)FIFO是否為空，即判斷讀指針pRD_SendBuf是否等于寫(xiě)指針pWR_SendBuf，如果相等表示循環(huán)FIFO為空，跳出該判斷分支。如果不等表示循環(huán)FIFO中有數(shù)據(jù)，隨即執(zhí)行第②句，從循環(huán)FIFO讀出1 byte送串口1進(jìn)行發(fā)送。第③句判斷循環(huán)FIFO讀指針pRD_SendBuf是否已經(jīng)指向循環(huán)FIFO的最后1個(gè)單元，如果為真則執(zhí)行第④句調(diào)整讀指針使其指向循環(huán)FIFO的第1個(gè)單元，覆蓋已發(fā)送的測(cè)量數(shù)據(jù)，這就實(shí)現(xiàn)了FIFO的循環(huán)操作，只要緩沖區(qū)大小設(shè)置合理，循環(huán)FIFO中被覆蓋的數(shù)據(jù)必定是已發(fā)送了的過(guò)時(shí)數(shù)據(jù);如果第③句判斷為假則執(zhí)行第⑤句，對(duì)讀指針+1使其指向循環(huán)FIFO下一個(gè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)單元。

4　試驗(yàn)及誤差分析

研發(fā)的測(cè)時(shí)系統(tǒng)是項(xiàng)目組研制5×5光纖陣列耦合APDs面陣激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的關(guān)鍵部件之一，為了驗(yàn)證該研發(fā)的測(cè)時(shí)系統(tǒng)性能，我們利用面陣激光雷達(dá)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖6所示，實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)包含圖1所示的結(jié)構(gòu)框圖各組成部分。

圖6　5×5光纖陣列耦合APDs面陣激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)

圖7　25個(gè)通道的距離標(biāo)準(zhǔn)偏差值

測(cè)試試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，探測(cè)目標(biāo)為室內(nèi)白色墻面，探測(cè)距離11．267 m(由測(cè)量精度±3 mm的Leica DISTO A3型號(hào)激光測(cè)距儀標(biāo)定)，限于篇幅本論文僅對(duì)此距離的測(cè)量進(jìn)行詳細(xì)分析。設(shè)定激光器發(fā)射頻率為1 Hz，共測(cè)試了228次，測(cè)試過(guò)程中時(shí)間間隔測(cè)量數(shù)據(jù)由USB口自動(dòng)上傳至PC機(jī)，參與測(cè)量的所有25通道獲得228組時(shí)間測(cè)量值，然后根據(jù)基本測(cè)距公式將測(cè)得的228組25個(gè)通道的時(shí)間間隔值轉(zhuǎn)化為距離值再與真實(shí)距離進(jìn)行比較得出每個(gè)通道每次的距離偏差值ΔL，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出所有25通道距離偏差范圍為－6．41 cm＜ΔL≤10．58 cm，各通道的距離標(biāo)準(zhǔn)偏差值如圖7(其中Ch1，Ch2…Ch25分別表示通道1至通道25)，距離標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值為4．22 cm位于Ch18。為了更清晰的獲知25通道單次測(cè)量距離偏差值的分布情況，對(duì)所有通道的距離偏差值分成4個(gè)區(qū)間(即:(－6．41 cm，0］，(0，5 cm］，(5 cm，10］，(10 cm，10．58］)，統(tǒng)計(jì)出各通道在每個(gè)區(qū)間的偏差值占各自的百分比，各通道的分布情況如圖8所示。從圖8可見(jiàn)對(duì)于所有的25個(gè)通道，在(－6．41 cm，0］區(qū)間的距離偏差，比例最小位于Ch10占該通道的0．44%，最大位于Ch18占該通道的21．49%;在(0，5 cm］區(qū)間的距離偏差，比例最小位于Ch1占該通道的55．26%，最大位于Ch14占該通道的92．11%;在(5 cm，10］區(qū)間的距離偏差，比例最小位于Ch14占該通道的5．26%，最大位于Ch21占該通道的25．44%;在(10 cm，10．58］區(qū)間的距離偏差，只有6個(gè)通道出現(xiàn)且最多只占該通道的0．88%?？梢?jiàn)全部25個(gè)通道的距離偏差基本集中在10 cm以內(nèi)。

根據(jù)上面的結(jié)果從3方面分析測(cè)試誤差，首先，從偏差范圍可以看到正方向偏差大于負(fù)方向，主要原因是PIN高速光電探測(cè)模塊從收到取樣激光脈沖至產(chǎn)生Start信號(hào)的延時(shí)要小于陣列探測(cè)模塊從接收到激光回波至產(chǎn)生Stop信號(hào)的延時(shí)，進(jìn)而Stop-Start的時(shí)間差將比實(shí)際的激光飛行時(shí)差偏大，最終導(dǎo)致測(cè)量值向正方向偏移;對(duì)于這兩種探測(cè)模塊的延時(shí)不一致的原因是PIN高速光電探測(cè)模塊收到的取樣激光信號(hào)遠(yuǎn)大于陣列探測(cè)模塊各APD單元收到的回波信號(hào)，導(dǎo)致前者放大電路得到的模擬信號(hào)幅值和上升速度遠(yuǎn)大于后者，而這兩種探測(cè)模塊是采用前沿固定閾值時(shí)刻鑒別的方式，使得兩者的延時(shí)不一致。其次，可以看到各通道之間任意一個(gè)區(qū)間占本通道距離偏差百分比不一樣即各通道距離偏差非一致性，通過(guò)分析主要原因是照射到目標(biāo)的激光光斑能量分布不均勻使得接收到的各個(gè)通道回波信號(hào)的強(qiáng)度不同導(dǎo)致定時(shí)的時(shí)刻點(diǎn)不一致，引起25路Stop信號(hào)不能同時(shí)輸入TDC-GPX芯片的各Stop信號(hào)引腳，進(jìn)而有Sotp1－Start、Sotp2－Start…Sotp25－Start之差不一致。再次，可以發(fā)現(xiàn)各通道的測(cè)距精度相比TDC-GPX芯片81 ps(對(duì)應(yīng)±1．215 cm)的分辨率有一定的差距，通過(guò)分析原因主要是激光雷達(dá)系統(tǒng)光電探測(cè)處理電路引起的誤差，由高速示波器可以觀察到各Stop信號(hào)有500 ps左右的抖動(dòng)，對(duì)應(yīng)距離測(cè)量精度±7．5 cm。通過(guò)分析誤差引起的原因可知這些測(cè)量誤差主要是由Start信號(hào)與各Stop信號(hào)這一參與測(cè)時(shí)的“信號(hào)”引起，而非設(shè)計(jì)的測(cè)時(shí)系統(tǒng)。

綜合上述分析可知設(shè)計(jì)的測(cè)時(shí)系統(tǒng)滿足面陣激光雷達(dá)多通道高精度的測(cè)距需求，而且其本身的測(cè)量精度應(yīng)優(yōu)于測(cè)試面陣激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)得到的距離偏差。

5　結(jié)論

本文研制了一個(gè)時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了面陣激光雷達(dá)多路激光飛行時(shí)間的并行高精度測(cè)量，已成功應(yīng)用于面陣激光雷達(dá)樣機(jī)測(cè)試試驗(yàn)，達(dá)到了面陣激光雷達(dá)三維成像設(shè)計(jì)的精度需求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，我們得出:該測(cè)時(shí)系統(tǒng)的正方向測(cè)時(shí)偏差大于負(fù)方向、通道間的測(cè)時(shí)偏差非一致性、測(cè)時(shí)精度與TDC-GPX芯片分辨率有一定差距，其主要原因是輸入該測(cè)時(shí)系統(tǒng)的Start信號(hào)和Stop信號(hào)本身引起。為了提升面陣激光雷達(dá)的整體性能，對(duì)于探測(cè)光源可以采用脈寬更窄、光斑能量分布更均勻的激光器，選取響應(yīng)速度更快的光電探測(cè)器，同時(shí)必須改進(jìn)圖1中兩種探測(cè)模塊產(chǎn)生Start信號(hào)和Stop信號(hào)的定時(shí)時(shí)刻方式，這些問(wèn)題也是本項(xiàng)目后續(xù)研究需重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

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圖8　25通道測(cè)量結(jié)果與實(shí)際距離的偏差分布在各區(qū)間的百分比

周國(guó)清(1965－)，男，漢族，江西湖口人，現(xiàn)任桂林理工大學(xué)廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，博士生導(dǎo)師，主要研究方向攝影測(cè)量與遙感、激光雷達(dá)技術(shù)，gzhou@glut．edu．cn。

EEACC:4360;6320C10．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．036

面陣激光雷達(dá)多通道時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)研制*

周國(guó)清1*，周祥2，張烈平2，張飆3，楊春桃2，劉毅龍2，黎明焱2
(1.桂林理工大學(xué)廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004;2.桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西桂林541004;3.桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004)

為解決APD面陣激光雷達(dá)多路激光飛行時(shí)間測(cè)量這一關(guān)鍵技術(shù)，研制了多通道高精度并行時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件由研制的4個(gè)基本測(cè)量單元和1個(gè)數(shù)據(jù)打包單元組成，系統(tǒng)軟件采用事件驅(qū)動(dòng)模式編程，利用循環(huán)FIFO和中斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信。被研發(fā)的測(cè)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用于5×5光纖陣列耦合APD面陣激光雷達(dá)試驗(yàn)后，面陣激光雷達(dá)所有25個(gè)通道最大的距離標(biāo)準(zhǔn)偏差為4．22 cm，測(cè)距偏差為－6．41 cm～10．58 cm，達(dá)到面陣激光雷達(dá)測(cè)距精度要求。

APD面陣激光雷達(dá);多通道時(shí)間間隔測(cè)量;TDC-GPX;STM32F103ZET6

TN958．98

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:1005－9490(2015)01－0166－08

2014－03－26修改日期:2014－04－24

項(xiàng)目來(lái)源:廣西區(qū)主席基金項(xiàng)目(2010－169);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41162011);廣西區(qū)自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2012GXNSFCB053005);廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(桂科合14123001－4);廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(13－051－14－14)