基于连续波脉冲的高精度激光测高仪

第 37 卷，增刊 Vol.37 Supplement
红外与激光工程
Infrared and Laser Engineer ing
2008 年 4 月 Apr. 2008
基于连续波脉冲的高精度激光测高仪
赵顾颢，蒙 （空军工程大学 文，马丽华，李云霞，赵尚弘 西安 710077）
电讯工程学院，陕西
摘要：研制出了可用于飞行器滑翔着陆时使用的高精度激光测高仪。采用连续波脉冲测距的方 法，实现高数据测量频率的要求，采用多数据加权平均的方法消除了测量数据的抖动以及杂光干扰 带来的误差，提高了脉冲测距的精度。 关键词：激光测高； 连续波脉冲； 数据测量频率 中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2008)增(几何量)-0296-03
Highly accur ate laser altimeter based on the continuous wa ve pulse
ZHAO Gu-hao,MENG Wen,MA Li-hua,LI Yun-xia,ZHAO Shang-hong
(The Telecommunication Engi neering Institute, Air Force Engineering Universi ty, Xi'an 710077,China)
Abst r act : A highly accurate laser altimeter is developed, which can be used on large pilotless aircraftfor landing. Continuous wave pulse range finder technique realizes the high frequency of measure data. In order to avoid the error brought by data shake and random light, weighted average replaces the single sampling data point; the precision of pulse finder is thus improved. Key wor ds: Laser altimeter; Continuous wave pulse; Frequency of measure data
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引
言
要由控制中心综合分析各种探测信息后作出。 落地前 飞行器的高度、速度、 姿态等参数的精确测量对安全 准确着陆都是必不可少的， 特别是对高度的精确测量 对飞行器的精确着陆控制至关重要。 研制了适用于无人驾驶飞行器进近着陆阶段的高 精度，高数据率小体积激光测高仪，可以弥补无线电测 高的盲区，给飞行控制提供更加精确可靠的高度数据， 为无人驾驶飞行器的安全着陆提供有力的保障。
随着无人驾驶飞行器技术的发展及功能、 用途的 不断扩大， 其在军民等各个实用方向的作用也越来越 得到人们的认识和重视。 无人驾驶飞行器着陆时对自身的精确控制要求 很高， 而对其状态参数的精确测量是实现精确的控制 的前提和基础。高度信息是最重要的飞行参数之一， 传统的飞行高度测量通常都是用无线电高度表， 在普 通飞机上已经广泛应用， 但在飞行高度较低时无线电 高度表由于其原理上的问题，测量精度会大幅度下 降。普通飞机可以靠飞行员目视观察、判断，操纵飞 机安全降落；而对无人驾驶飞行器来说，其着陆控制
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测量方式及原理
激光测距技术是一项比较成熟的技术， 在各个方
面已经得到广泛应用，对于测量精度要求较高的应
收稿日期：2008-03-21 作者简介：赵顾颢(1986-)，男，硕士研究生，浙江杭州人，主要研究方向为光通信以及激光测量。Email:zghlupi n@https://www.wendangku.net/doc/6b2754414.html, 导师简介：蒙文(1966-)，男，副教授，硕士生导师，广西桂平人，主要研究方向为光电子信息技术与系统、激光测量和光纤通信。 Email :me ngweng82 3@https://www.wendangku.net/doc/6b2754414.html,

增刊
赵顾颢等： 基于连续波脉冲的高精度激光测高仪
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用，通常选用相位测距方法 [1- 2]，距离测量精度可以 达到毫米量级； 但是相位式激光测距最大的问题是测 程较近以及测量数据率不高， 在本项目中， 由于测距 精度要求达到厘米量级，而且测程要求在 100 m 以 下，因此相位测距应该是首选方案。但相位测距的数 据率只能达到 10 Hz 左右， 对于以较高速度运动的无 人驾驶飞行器飞机来说， 这显然达不到使用要求。脉 冲测距 虽然可以达到十几千赫兹甚至几十千赫兹 的数据率， 但测距精度又达不到要求。 由于系统要求 测距机要达到很高的测量精度， 同时又要求较高的数 据测量频率，所以，采用连续波脉冲测距的方法，既 克服了相位测距测量数据率低的问题， 又弥补了脉冲 测距精度不高的缺陷。其原理图如图 1 所示[4-5] 。
[3]
漂移误差为 t，最大值可能接近脉冲上升时间 t，因 此，前沿鉴别法的测量误差是很大的。 恒定比值鉴别法取脉冲上升沿中一定值的点到 达的时刻为起止时刻， 如果不考虑波形畸变和噪声等 其他因数的影响， 由幅度变化引起的误差 t=0，由此 可见， 恒定比值鉴别法能有效消除由脉冲幅度变化带 来的误差。高通容组时刻鉴别法如图 3 所示。
图 3 高通容阻时刻鉴别法 Fig.3 Qualcomm ca pacity moment identification of r esistance
为了有效地克服波形畸变和噪声带来的误差， 本 项目采用了高通容阻时刻鉴别方法， 接收通道输出的 起止信号脉冲通过一个高通容阻滤波线路， 原来的极
图 1 激光测高仪原理图 Fig.1 Pulse-lase r tele me ter pr inciple map
值点转变为零点． 以此作为起止时刻点， 它的误差主 要受信号脉冲在极大值附近斜率的影响。 1.2 时间间隔测量 时间间隔的测量主要有 3 种方法：模拟法、数字 法和数字插入法 [7] 。在精度要求不高的激光测距机 中，常采用直接计数法完成时间测量，由主波（激光 器发出的光脉冲经光电转换、 放大等处理电路到达终 端机的信号）作为开门信号，回波（光信号发射到目 标并由目标返回到接收机后经处理送达终端机的信 号）作为关门信号，在“ 被打开期间，作为时间测 门” 量基准单位的晶振脉冲可到达计数器， 由计数器计出 脉冲个数，从而求出待测时间。 为了提高测距精度， 采用直接计数与模拟内插结合 的方法。 晶振脉冲的整数倍部分用直接计数法， 对不足 1 个计数脉冲部分采用模拟量转换以达到测量目的。
鉴于激光测距技术原理已经较为成熟， 将不再加 以赘述，下面着重讨论一下提高测量精度方法。 对于脉冲飞行时间测距来说， 提高距离的测量精 度关键是如何精确稳定地确定脉冲起止时刻和精确 测量时间间隔， 它们各自对应的是时刻鉴别单元和时 间间隔测量单元 [6]。 1.1 时刻鉴别 时刻鉴别的方法主要有 3 种： 前沿鉴别、恒定比 值鉴别和高通容阻鉴别。前沿鉴别法如图 2 所示。
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图2 前沿鉴别法 Fig.2 Leading edge discr iminator
试验、测试情况
该系统所研制的激光测距机主要用来测量飞机相
对于跑道的高度，飞机跑道通常为水泥面，针对这一情 以脉冲前沿当中强度等于所设阈值 vth 的点到达 的时刻作为起止时刻。 由脉冲幅度与形状变化引起的 况， 以水泥表面为被测表面进行了一系列的试验测量 [8]。 测量分为静态和动态两种情况。 静态测量时， 用

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红外与激光工程：高精度几何量光电测量与校准技术
第 37 卷
测距机对某一固定水泥表面进行测距， 测量试验数据 见表 1。 表1 激光测距机静态试验数据 Tab.1 Da ta fr om the experiment in the st ill la ser telemet er
Dist ance /m 35 7.155 0.526 750 750 750 Hit s Average /mm 35 167.2 7 156.06 518.93 Maximum /mm 35 17 3 7 163.4 539.02 Minimum /mm 35 159 7 147.7 498.96 Mean-square error /mm 6.39 7.26 9.52
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结
论
采用了连续波脉冲测距的方法成功地解决了高 精度激光测距与较高的数据测量频率之间的矛盾。 通 过静态、动态测量以及半实物仿真滑轨的试验测试， 达到了系统测量精度要求系统作用距离大于 30 m 最 大数据采样频率 1 000 Hz 的研制要求。弥补了无线 电测高仪在飞机高度测量上的盲区。 参考文献：
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为了检验测高机的动态测量性能， 还设计制造了 一个专用滑动导轨， 实验时， 将测距机安装在滑动导 轨上， 闭环控制模拟仿真滑轨上的目标板运动， 测得 目标板以不同的速度运动时， 相对于测距机的动态位 置，并与飞控仿真计算机给出的实际高度数据比对， 激光测距的动态精度可以达到厘米量级。 为检验半实物仿真系统的功能及指标，设计并编 写了激光测高仪系统检测软件。检测软件可以模拟飞 控仿真计算机对激光测高仪和滑动导轨进行功能测试 与指标检测。检测软件根据不同实验数据产生仿真指 令数据，利用 RS422 串口发送给滑动导轨，控制导轨 进行伺服运动， 实时接收导轨反馈回的当前位置数据， 通过对比指令数据与位置得到导轨的动态运动精度。 图 4 给出在 5 ms 控制周期， 导轨最大速度为 3 m/s 时的数据曲线图。图中 3 条曲线重合度非常好，表明 伺服精度与测高精度都很高。以当前点为例，导轨的 运动定位精度为 1.5 cm，测高仪的测距精度为 1.4 cm。
图 4 测高仪、仿真机和滑动导轨的实时数据图表 Fig.4 Real-time data of telemeter simulate plane and ha rdware-in-loop system