激光测距系统

1、脉冲激光测距系统设计脉冲激光测距系统设计n脉冲激光测距原理：脉冲式激光测距是利用激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大的特点进行测距的，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测量距离，在进行几公里的近程测距时，如果精度要求不高，即使不使用合作目标，只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得回波信号，也可以进行测距。脉冲式激光测距的原理如下图 所示。由激光发射系统发出一个持续时间极短的脉冲激光，经过待测距离 L 之后，被目标物体反射，发射脉冲激光信号（回波信号）被激光接收系统中的光电探测器接收，计时电路通过计算脉冲激光发射和回波信号到达之间的时间间隔，即激光脉冲从激光器

2、到目标物体之间的往返时间t，即可计算出目标物体与激光测距仪之间的距离 L 为：L=(1/2)ct式中，c 为光速。n脉冲式激光测距系统组成系统主要包括窄脉冲激光发射系统、脉冲激光接收系统、高精度时间间隔测量系统、微控制器、液晶显示、串口以及光学系统组成。脉冲发射系统：半导体激光器的发射单元主要由 LD偏置电压发生器、脉冲发生器、LD 驱动电路组成。LD 偏置电压发生器为半导体激光器提供工作所需的偏置高压，并加载至 LD 驱动电路中，驱动半导体激光器发光，脉冲信号发生器则为 LD 驱动电路提供所需的高速窄脉冲信号。激光脉冲接收系统：激光脉冲接收单元为本系统的核心部分之一，主要分为两个子块：PIN

3、 光电二极管（以下简称 PIN）接收电路和雪崩管（Avalanche PhotoDiode 简称 APD）接收电路。高精度时间间隔测量系统：高精度时间间隔测量系统主要由计时芯片（本文中选取通用型 TDC 模块 TDC-GP2）以及其外围电路组成。该部分为系统提供精准的时差测量，保证了测量的精度。微控制器及显示接口部分：该部分主要有微处理器，液晶显示，RS-232 串口组成。MCU 主要为各分部的正常工作提供控制信号，并通过 SPI 口配置 TDC-GP2 芯片，并读去相应的测量结果进行计算与处理，处理完成的送至 LCD 显示或者发送至串口送至上位机进行进一步处理。此处的串口除了传送测量数据之外

4、，还可接收上位机的操作指令，用于控制系统工作。光学系统：光学系统的主要功能是将半导体激光器产生的激光分成两束，一束经反射镜送入 PIN 管光敏面上，另一束则经过准直之后发射至目标物体；另一方面光学系统将其接收到的激光回波信号汇聚到 APD 的光敏面上，以提高光电接收器件的探测能力。系统工作流程 激光测距系统工作流程如图 所示。系统上电之后，控制器便进行系统初始化，初始化完成之后即可开启发射接收电路，并发射脉冲信号进行测量，等待测量结束之后停止发射激光，读取测量结果并对数据进行处理显示。激光发射系统半导体激光器工作原理是通过一定的激励方式，当高能态的粒子数多于低能态的粒子数，并且工作电流达到阈值

5、电流时，激光器输出相干的受激光束。n窄脉冲信号发生器设计根据脉冲式半导体激光器的驱动要求，系统需要一个脉宽20ns50ns，重复频率为 2.5kHZ 的脉冲信号，作为半导体激光器驱动电路的开关信号。本文中选用 CPLD 作为窄脉冲信号发生器的核心部件。CPLD 硬件描述采用的是 Verilog HDL 硬件描述语言，采用 Quartus II 7.2 编译环境实现了周期为 2.5KHz，脉冲宽度为 25ns 的信号。n半导体激光器的驱动电路设计脉冲半导体激光器的驱动电路原理图如图 所示。其中 R1 为充电限流电阻，R2 为脉冲电流限流电阻，C 为储能电容，VH为输入高压偏置，D 为钳位二极管，

6、LD 为半导体激光器，K 为控制开关。其本质是个 RLC 电路。当开关 K 断开时，高压偏置 VH通过 R1 向储能电容 C 充电，C 两端的电压随即升高，充电完成后，储能电容两端的电压 UC即与高压偏置电压 VH相等，当开关 K 闭合后储能电容 C 通过开关 K、放电限流电阻 R2 以及激光器所组成的回路瞬时放电，加在 LD 两端的电压为-VH。图 所示的脉冲半导体激光器驱动电路中，通过改变偏置电压 VH，R1、C、R2 参数的大小，即可调节输出激光脉冲的峰值功率、脉冲宽度和重复频率。偏置电压 VH越高，储能电容 C 越大、放电限流电阻 R2 电阻越小，则输出的激光峰值功率就越大；若储能电容

7、 C 越小、R2 的阻值越小，则激光脉冲的宽度就越窄；R1的阻值越小，则激光脉冲的重复频率就越高。脉冲激光接收系统脉冲激光接收系统是的主要作用是，接收由目标物体反射回来的回波脉冲激光信号，并将其转换为电脉冲信号，进行滤波、放大、峰值保持、时刻鉴别、整形等处理。本系统中，激光接收电路分为两个部分，PIN 光电二极管接收电路与雪崩管接收电路。在本系统中，半导体激光器输出的激光有分光镜分为两路，强度较弱的一路光信号由反射镜送入 PIN 光电二极管的光敏面，由 PIN 驱动放大电路进行信号采集，并将其作为时差测量的起始时刻（即 Stop1 信号），如图 （a）所示。另一路光信号则通过光学系统准直之后发

8、射出去，由目标物体反射的回波信号经过光学系统的接收，送至 APD 接收电路进行放大处理，将该路输出的信号作为时差测量的截止时刻（即 Stop2 信号），如图 （b）所示。a、PIN接收电路框图b、APD接收电路框图PIN 光电二极管的驱动电路原理如图 4.4 所示，该光电检测电路采用了高速电流负反馈运算放大器电路。图 中，20V 为 PIN 管反向偏置电压，R1 为偏压限流电阻，RL 为 PIN 管的负载电阻，对光电流进行电流-电压转换。运放用来对信号进行放大，以达到预期的要求。 PIN 光电二极管驱动原理在 APD 驱动电路设计中，使用了电流转电压的方式，对 APD 中输出电流进行读取，如图

9、 4.5 所示。图中，VH为 APD工作所需的偏置电压，VH=160V。R 为高压偏置的限流电阻，其值至少为 1M。C是为防止高压偏置中的电源纹波对 APD 读取电路影响而设置的滤波电容，其值应该至少为 0.1uf，并且在电路板的设计中，C 应该尽量靠近 APD。Rf 为由运放组成的电流电压电路的反馈电阻，调节 Rf 的大小，可使得该读取电路的增益发生改变。如图 所示，设 APD 中的光电流为 I，则计算出读取电路输出端的输出电压 U0为：U0=IxRf当图 所示的 APD 驱动电路中，反馈电阻 Rf 失效时，图中 A 点的电压将升高接近反向偏置电压 VH，这将直接导致运放反向输入端电压过高，

10、将其烧毁，更严重的后果是会影响到后续放大电路的安全，因此，该电路中在 A 点和正电源VCC 之间并联一个二极管作为保护，当 A 点电压升高至一定值时，保护二极管 D导通，可将 A 点的高压拉低至电源电压，这样可对后续处理电路起到保护作用。APD驱动电路高精度时间间隔测量模块本系统选取了TDC-GP2为系统提供高精度时间间隔测量。TDC 是以信号通过内部门电路的传输延时来进行高精度时间间隔测量的。下图 显示的是这种测量绝对时间 TDC 的主要架构。测量过程中，只需计算出开始信号和结束信号之间所经过的逻辑门的个数，就可以精确的计算出Start 信号与 Stop 信号之间的时间间隔。芯片上的智能电路结构、担保电路和特殊的布线方式保证芯片可以精确地记下信号通过门电路的