基于汽车防撞的激光测距系统
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基于汽车防撞的激光测距系统
摘要： 随着高速公路的发展和汽车保有量的增长，汽车碰撞事故越来越多，行车安全问题成为备受关注的社会问题。为有效减少事故发生，关键是车辆采取主动防护措施。利用激光测距 [1]原理简单，通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离，使它成为
距离检测的主要手段。由于激光具有高单色性、高方向性等特点，激光束近似直线，很少
扩散，波束能量集中，传输距离远。因此激光雷达防追尾仪具有探测距离远、精确性高、抗
电磁干扰能力良好、尺寸小等特点。 正常行驶时，该系统不报警，当自车与前车之间的距
离小于所设定的安全距离并有可能 发生碰撞时，该系统将发出报警信息，提醒驾驶员采取
相应的措施，以避免碰撞事故的发生。实现报警或自动制动等操作防止汽车相撞。
1 引 言
随着汽车行驶速度和流量的不断增加，汽车碰撞事故越来越多，行车安全问题也越来越受到人们的重
视。据有关统计分析，80 %以上的事故是由于司机反映不及时或判断失误引起的。由于被动防护手段可以在发生事故时保护车内人员的安全、降低车辆碰撞事故里死亡人数，降低车辆碰撞事故里死亡人数。本系
统采用相位法激光测距技术，在测相前先进行混频处理，使测量更加简单可行，并采用先进的频域数字测
相方法和改进的快速傅里叶变换，使得DFT 的运算大大简化，最终实现高精度测量和报警、自动制动等操
作防止汽车相撞。 在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房
地产，休闲/户外运动等都可以用到激光测距仪。激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：
相位法和脉冲法。
2 相位法测距的基本原理
相位法激光测距是用连续调制的激光光束照射被测目标并接收反射光，利用发射光和接收光之间光波
的相位差包含的距离信息实现对目标距离的测量。设光以速度c 在大气中传播，调制波的频率为f，待测两点之间的距离为d，往返时间为t2d ,则两点之间往返一次的时间和距离之间的关系为
设在起始时刻t1发射的调制光光强为：
在接收时刻的调制光光强为
接收光与发射光的相位差为：
可得所测两点间的距离为：
其中，N 为相位差Φ中包含2π 的整数倍，ΔN 为不足整波数的尾数，λ 为调制波的波长。L=1 /2λ 称为测尺长度。
在实际应用中，由于无法确定N 的数值而采取增大调制光波长λ 的方法，即测尺长度L大于被测距
离d 的2 倍。在本系统中所选测量量程为100 米，即调制波波长为200 米，调制波频率为1.5MHz。
3 系统硬件设计
本系统是采用ADSP-BF533开发平台设计的高精度激光测距系统。整个系统由BF533最小系统开发板、激光发射单元、激光接收单元、显示单元、报警单元、制动单元等组成。其结构框图如图1所示。
激光发射单元包括产生调制波信号的直接信号频率合成器（简称DDS）和激光器驱动电路。本系统选
用的DDS是AD公司的一款四通道高速直接信号频率合成器AD9959。处理器通过SPI接口向DDS写入控制字产生两路频率相近的正弦信号，分别作为本振信号和主振信号。
液晶显示单元使用TFT-LCD液晶显示器。DSP处理器通过PPI口实现对TFT屏的驱动及图像和距离的
实时显示；报警单元采用TI公司的TLV320AIC23B音频Codec芯片连接BF533处理器的SPORT口，实现音频报警功能。激光接收单元利用雪崩二极管将接收到的光信号转化为电信号，经过混频器AD831的混频处
理后，利用AD转换器转换为数字信号通过SPI口进入微处理器。微处理器先利用FFT算法计算出相位差，
再根据相应的算法分别采取报警或制动处理。
图1 系统结构框图
4 系统软件设计
4.1 软件流程图
系统的软件部分采用C语言编写，用MATLAB对信号进行仿真，最终在Visual DSP++环境下编译完成。软件流程框图如图2所示。系统上电后首先进行初始化工作，主要包括设置堆栈指针、初始化LCD、DDS、
时钟等工作。初始化工作完成以后，系统进入键盘扫描等待状态。等有键按下时，判断是停止按键还是设
置按键，如果是停止按键则系统停止运行，如果是设置状态，等完成设置后进入中断子程序。当有停止键
按下时，系统停止运行。中断子程序流程图如图3所示。
图2 软件主流程图 图3 中断流程图
4.2 FFT的原理和实现 傅里叶变换是将信号由时域信号变换到频域信号，进而在频域内对信号进行分析的一种重要的工具。
FFT显著地减小了DFT运算的强度，对于用DSP技术实现“实时”频谱分析有着重要价值。FFT的原理是通
过许多小的更加容易进行的变换去实现大规模的变换。本系统的分解方法采样时域抽选法（DIT），这种方法是将输入序列的奇数点和偶数点分别抽取出来组成两个N/2点的序列进行DFT，产生的中间结果再通过
N/2次的2点DFT合成，得到所需的输出结果。
一维离散傅里叶变换的公式为：
式中，n为输入离散信号f(n)的序列号，m是转换后F(m)的序列号，
称为蝶形因子。
用二进序号表示的信号频率和DFT中采样点数以及采样频率有关的关系式是：
式中，f为信号频率，Δf 为频率分辨率， f s为A/D转换的采样频率，m为出现功率谱最大值的频
率序号。当满足式（3.2）时，单一频率的FFT结果在功率上正好对应于一条谱线。
最后在幅度谱上取第m个频谱值的实部Re和虚部Im，按照公式（3.3）计算就可以得到输入信号的初
始相位。
5 试验结果
由试验得出，在一定测向精度下，提高相位式测距仪精度的主要手段是提高激光测距仪的调制频率。
频率与测尺长的关系如表4.1所示：
表1 调制频率与测尺长的关系
由于本系统所选测尺为100米，即调制频率为1.5MHz，测量精度为10cm。
6 结论
本系统利用相位激光测距的原理，使用先进的DSP微处理器对数据进行处理，采用改进的快速傅里叶
变换（FFT）对采样的电信号进行频谱分析，实现了中短距离的高精度测量，并通过LCD数字显示单元实时
显示出来，根据测得的实时距离采取相应处理，可以有效的防止汽车相撞事故的发生，其社会效益和经济效益都是巨大的。
脉冲式激光测距
脉冲式激光测距仪是通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离的。脉冲式激光测距
的原理是通过激光测距仪向目标发射激光束，当信号
碰到前方目标被反射回来后，记录激光往返的时间间隔，然后用光速乘以往返时间的 1/2，
即可获得目标的距离。因此时间测量对于脉冲式激光测距仪来说是非常重要的一个环节。由于
激光的速度特别快，所以发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔非常小。。例如要测量1
公里的距离，分辨率要求1cm，则时间间隔测量的分辨率则要求高达67ps。德国acam 公司
的时间数字转换器TDC-GP2 单次测量分辨率为典型65ps，功耗超低，集成度高，测量灵活
性高，是脉冲式激光测距仪时差（TOF）测量非常理想的选择。 2. TDC-GP2 激光测距原理
TDC-GP2 的激光测距基本原理如图1 所示：
图1：TDC-GP2 激光测距原理
激光发射装置发射出光脉冲同时将发射脉冲输入到TDC-GP2 的start 端口，触发时差测量。 一旦从物体传回的反射脉冲达到了光电探测器（接收电路）则给TDC 产生一个Stop 信号，
这个时候时差测量完成。那么从Start 到Stop 脉冲之间的时差被TDC-GP2精确记录下来，用于计算所测物体与发射端的距离。在这个原理中，单片机对于TDCGP2进行寄存器配置
以及时间测量控制，时间测量结果传回给单片机通过算法进行距离的精确计算，同时如果有
显示装置的话，将距离显示出来。在这个原理当中距离的测量除了与TDC-GP2 的时差测量精度有关外还与很多其他因素有关系： - 激光峰值功率
- 激光束发散程度
- 光学元件部分
- 光传输的媒体 (空气，雨天，雾天等) - 物体的光反射能力
- 光接收部分的灵敏程度等等
被测物体特性以及传输媒介的铁性一般是由应用的条件给出的，那么可以根据应用的条件来
选择激光的发射器（波长，驱动条件，光束的特性等）和接收器（类型，灵敏度，带宽等）。
测量的范围在激光峰值功率更高以及信噪比更高的情况下也会相应增加。那么时差测量的精度除了与TDC-GP2 芯片本身测量精度有关系外还与激光的脉冲特性有关，比如脉冲的形状
（宽度，上升下降沿的时间），以及探测器带宽和信号处理电路。对于tdc-gp2 而言，脉冲
信号的速度越快，带宽越宽，则测量精度相应得会越高。
那么上面所述的一些需要注意的问题在这里我们并不做讨论，我们假设其他方面都已经解
决，那么这里我们着重介绍一下如何应用单片机和TDC-GP2 来控制时间测量。对于tdc-gp2 而言，这颗芯片本身有两个测量范围，测量范围1 和测量范围2。测量范围1 的时间测量
从0ps-1.8us,相对于距离来讲大约为0-270m。测量范围2 的测量范围从2 倍的高速时钟周
期到4ms.也就是说最高的距离测量可以到25 公里以外.那么我们下面就以不同的测量范围
来进行介绍.
测量范围1: 0ps-1.8us 在这个测量范围下,TDC-GP2 芯片的测量工作全部是由TDC 高速测量单元完成的。在这个
测量范围中，gp2 的start 通道，stop1，stop2 通道都可用。每个stop 通道有4 个脉冲的测
量能力。在这个测量范围下，测量结果可以选择校准结果（32 位）或者非校准结果16 位。
推荐使用32 位的校准结果，也就是每次测量都对TDC 测量单元进行一次校准。 需要引起注意的问题： - 对于TDC-GP2 来讲触发它的脉冲宽度必须要大于2.5ns。
- 在 start 通道的触发边沿与第一个 stop 通道的脉冲边沿之间的时间间隔要大于 3.5ns。
- 推荐自动校准结果，并且选择每次测量完成后进行自动校准。 这个功能通过设置寄存器
0 的自动校准位为0 来开启。 - 如果计算stop1 和stop2 通道的脉冲时差的话，脉冲的时差范围可以降低到0。Start 到最
后一个stop 脉冲的距离不能够超过1.8us,这是由于硬件本身所限制的。
在这个测量模式下测量流程以及典型的寄存器设置如下：
