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激光脉冲的发射和接收是循环相关的，这一过程可以表示为
TK+1=F(TK，△T) (2)
其中TK，TK+1分别为第K个和第K+1个激光脉冲发射时刻，函数F的具体形式和测量系统有关，它表示第K个和第K+1个激光脉冲之间的发射时刻关系。不同的系统具有不同函数形式F。
从激光发射单元向被测目标发射的是周期激光脉冲序列，可以描述为
TK+N=TK+NT0 (3)
其中N为整数，T0为发射的激光脉冲序列的周期，其值由式(2)决定。自触发脉冲飞行时间激光测距方法可由基本方程(1)，(2)和(3)描述。从这3个基本方程，可以得到被测距离的表达式：
D=F(NT0，τ) (4)
其中，τ为由系统延时决定的时间常数，其大小由测量系统的结构和带宽等因素决定，NT0为包括N个连续周期的待测量时间间隔，函数F的形式由测量系统具体结构决定。

发射单元由接收单元输出的电信号所控制，即测距脉冲是由接收单元触发的。该过程的光电脉冲信号时序图由图2所示。开始时，发射单元向被测目标发射一束激光；经过△T(光从发射单元到目标然后返回到接收单元的传播时间)的延时，经被测目标反射的光束被接收单元的光电二极管接收；光电二极管输出的电信号经放大和时刻鉴别后，输出一高电平信号，作为发射单元的输入信号，其间电路延时t11；此高电平信号使激光驱动源终止驱动激光器，激光发射单元停止发射激光，其间电路延时t21；而后经过△T的延时，光电二极管从有激光接收状态转变为无激光接收状态；再经过t12的电路延时，接收单元的输出转变为低电平；此低电平信号使激光器再次发射激光，其间电路延时t22。上述过程构成了自触发脉冲飞行时间激光测距的一个完整周期。如此周而复始，就形成了周期激光脉冲序列。该测距信号从接收单元取出，输入到周期测量单元获得周期T0。根据公式(2)，函数F有如下的形式

其中TN=NT0，τ=t11+t21+t12+t22，通常情况下t11≠t12，t21≠t22。在自触发脉冲测距方法中，周期T0可以通过测量一次时间间隔TN后取平均值得到，这其中包括N个周期T0，其精度等效于用传统的脉冲测距方法进行N次单次测量后取平均的结果。因此，自触发脉冲测距方法可以在获得高精度测距结果的前提下极大地缩短测量时间，提高测量速度。与其他传统脉冲测距方法相比，自触发脉冲方法的本质特点是脉冲测距信号不是单个而是连续周期性的。

2 基于CPLD的飞行时间测量单元实验设计
CPLD具有集成度高，工作速度快，编程方便和价格低廉的优点。与FPGA(Field programmable gate array)相比，CPLD内部逻辑结构简单，连线相对固定，延时小且可以预测，更有利于器件在高频下工作，特别适合产品样品的开发与实验。
本设计采用ALTERA公司MAX II系列CPLD器件实现自触发脉冲激光测距的飞行时间测量系统。MAX II系列器件是在ALTERA公司的第三代MAX结构基础上，采用先进的COMSEEPROM技术制造的高密度，高性能的可编程器件。MAX II系列器件采用0．18μm Flash工艺，逻辑单元数(LE)240个、宏单元数192个、最大用户I／O管脚80个、用户Flash存储器8 k，引脚到引脚的延时为3．5 ns，计数器频率可以高达300 MHz。MAX II系列器件内置JTAG BST电路，通过JTAG接口可实现在线编程，从而可以灵活修改设计，缩短了开发周期。图3是利用CPLD实现的自触发脉冲激光测距飞行时间测量系统的电路框图。

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关键词： 自触发脉冲 激光测距 飞行 时间测量