数字TDC技术在相位式激光测距中的应用研究.pdf

年月
应用天地20098
第28卷第8期

数字TDC技术在相位式激光测距中的应用研究3

张小勇张丕状
(中北大学电子测试技术国家重点实验室太原030051)

摘要:介绍了相位式激光测距与数字TDC(time2to2digitalconverter)技术原理,提出将数字TDC技术应用于相位式激光测
距的方法。对方法进行了理论分析,并使用MATLAB/Simulink建立了系统的模型,通过仿真验证了理论推导的结论,将数
字TDC技术应用于相位式激光测距可在单一、较低的调制频率下,可以达到很高的精度,使用1MHz调制频率,最大量程为
150m,理论精度可达到9.75μm。
关键词:测量;激光测距;相位差;数字TDC
中图分类号:P225.2文献标识码:A

ApplicationstudyondigitalTDCinphaseshiftlaserrangefinder

ZhangXiaoyongZhangPizhuang
(NationalkeyLaboratoryforElectronicTestingTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

Abstract:TheprincipleofphaseshiftlaserrangefinderandDigitalTDC(time2to2digitalconverter)areintroduced,andthe
applicationofDigitalTDCinphaseshiftlaserrangefinderisreferredinthepaper.Themethodisanalyzedandthemodel
isbuiltonMATLAB/Simulink,thenthetheoreticalconclusionsisverifiedthroughthesimulation.Theapplicationofdig2
italTDCinphaseshiftlaserrangefindercanachieveahighprecisionwhenusingasingle,lowmodulationfrequency.The
largestmeasurementrangeis150metersandthetheoryprecisionmayachieve9.75μmwhenusing1MHzmodulation
frequency.
Keywords:measurement;laserrangefinder;phase;digitalTDC

应用于脉冲式激光测距,达到了cm级测量精度[3],但脉冲
0引言
式激光测距受到反射光波峰辨识误差等因素的影响,测量
激光测距是激光最早的应用之一,这项技术经过40精度难以进一步提高。本文在研究相位式激光测距与数
余年的发展,已在军事、航天等多个领域得到了应用。目字TDC技术原理的基础上,以数字TDC芯片TDC2GP2
前的激光测距方法主要可以分为脉冲式与相位式2种:脉为例提出了应用数字TDC技术实现高精度相位式激光测
冲式激光测距是通过发出短脉冲,计算脉冲飞行时间测距的方法,并使用MATLAB/Simulink建立了系统的模型
距;相位式激光测距是通过光强调制,测量接收到的光波验证了理论推导的结论。
与参考信号的相位差测距[1]。
1相位式激光测距方法分析
高精度时间数字转换TDC(time2to2digitalconverter)
是从实验核物理中发展起来的一门技术[2]。随着CMOS相位式激光测距是将发射光波的光强进行正弦调制,
工艺的进步,基于CMOS工艺的数字TDC技术受到广泛光信号经被测目标反射后由测距系统放大,通过测定经被
的关注,并取得了很大的发展。TDC2GP2芯片是ACAM测目标反射后的信号与参考信号的相位差,间接求得Δt,
公司出品的基于数字TDC技术的TDC芯片,具有65ps从而得到距离D[4]。通过测量相位差来间接测量时间,较
量级的时间间隔测量精度,目前已有文献报道,将该芯片直接测量往返时间的处理难度降低了许多。此时距离D

作者简介:张小勇,在读硕士研究生,主要研究方向为信号与信息处理。
3基金项目:山西省自然科学基金(2007012003)资助项目

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第28卷第8期

可由计算公式(1)可表示为:变器电路组成的延迟电路产生延迟,而每个的逆变器延时
Δφ
1Δ1是确定的。在这里,将测试信号输入到触发器的时钟部
D=Ct=Cπ(1)
222f分,将逆变器/延迟电路中的TAP(CK1,CK2,⋯)产生的
式中Δφ表示信号往返测距仪与目标一次所产生的相位
:参考时钟输入到触发器的数据部分(D