TDC-MS1022在激光測距中的應用

摘要：有幾種不同的方法來實現一個激光測距儀，原理上它們是相似的,都是發射光脈沖,然后接收。一旦返回脈沖被接收到,一些簡單的算術和幾何公式被用來計算光脈沖的飛行距離，例如：三角測量、調頻連續波、飛行時間等，這些不同的方法都有自己的優缺點。 三角測量距離小于10m,精度較高達um級別，依賴于表面,便宜,結實；調頻連續波測量距離小于200m，精度為厘米級別，低生產成本,測量速度慢；飛行時間測量距離可達幾公里，同時可將誤差控制在mm級別，反應時間短,價格昂貴,沒有光圈。對于長距離測距來講，采用飛行時間測距是最為有效的一種方案，本文介紹了基于TDC-MS1022的飛行時間測量方案在激光測距中的應用。

關鍵字：TDC-MS1022,飛行時間，激光測距

1飛行時間 

飛行時間，這是一個光脈沖前往目標并返回的時間。已知光的速度,和精確的測量結果:飛行時間,可以計算出距離。許多脈沖順序被發射,平均響應時間是最常用的。這種技術要求非常精確的亞納秒定時電路。測量距離用激光或激光掃描儀很好的被建立–你會發現這個技術在地質測量系統,安全系統, 生產控制系統中,甚至高爾夫系統中。基于要測量的距離,不同的方法被使用。小距離,通過三角測量。使用這種方法實現的方案是在微米范圍內,但只有幾米的最大范圍是有限的。對于100 米左右的距離,人經常使用的相移測量技術。進行激光調制,傳出和傳入的光之間的相移給出距離。為了達到毫米范圍內的分辨率,非常高的采樣率是必要的。只有帶有高電流消耗的低測量頻率是可能的。使用時間數字轉換器,人們有了捷徑來數字化飛行時間。它使直接測量光的飛行時間成為可能。原理很簡單,但是細節是難點!眾所周知,光的飛行速度很快。

因此, 必須能夠處理極短的時間。在僅僅1微秒的時間里,光線就可以穿過300 米! 高分辨率意味著在時間測量中的最高精度。一般情況下,光線能夠通過一個物體和鏡子反射回來,所有光線通過兩倍的實際距離。 

所以我們得出:

數據表：

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

2.測量范圍從 0 到300m

TDC-MS1022 – 測量模式 1

概述

·測量范圍從 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)

·可以通過平均來達到更好的分辨率 

·直到每秒500,000 次測量

·20 ns 最小脈沖間隔, 最多接受4 個脈沖

·對于每一個通道的四次采樣能力

·對于每個通道可選擇上升和/或下降沿觸發

·窗口功能的使能引腳

·典型應用: 手持激光測距儀:可以達到300 m, 聲速槍

框架圖

圖2.1 框架圖– 測量范圍1

溫度對于發射和接受途徑上影響,可以通過測量參考光束和反射光束之間的間隔來消除。所以,TDC 從微處理器得到一個假測量的開始。光學參考觸發Stop1,反射光束觸發Stop2。 

優勢

· 可以測量到零納秒

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

 · TDC 有必須的統計功能實現通過平均提高分辨率

3 測量范圍從75 米到公里級別 

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

概述

·相對于一個開始通道,一個stop通道。

·典型22ps/45ps/90ps分辨率

·測量范圍從2 x Tref到4 ms @ 4MHz

·2 x Tref 脈沖對分辨率

·3 個綜合采樣能力, 完全的自動校準

·可選擇上升沿/下降沿觸發

·集成的可編程窗口,每個Stop 精度10 納秒

·典型應用: 長距離測距儀(狩獵,高爾夫,測儀器)

框架圖

圖3.1 框架圖– 測量模式2

4 寬范圍應用設計

有些應用程序可能希望短期和長期相結合的測量范圍。對此,有必要在測量模式1(短距離)和測量模式2(長距離)之間進行切換。這可以通過使用由微處理器控制的兩個TDC-MS1022 設備,覆蓋兩個測量模式。

基本原理圖：

圖4.1 基本原理圖

總結：

激光測距最主要的難點就是時刻鑒別精度和時間間隔測量精度，影響時刻鑒別精度的因素主要是回波幅度的不穩定，影響時間間隔測量精度的因素則包括計數器時鐘頻率、計數量化誤差、晶體振蕩器頻率穩定性和系統固有的延時。TDC-MS1022,單次測量分辨率達到45ps，集成度高，功耗超低，測量靈活性高，操作簡便。此芯片可以與微控制器通過SPI通信實現測量時間間隔和傳輸測量結果等功能，被廣泛應用在脈沖激光測距系統中。