激光測距系統(tǒng)

1、脈沖激光測距系統(tǒng)設(shè)計脈沖激光測距系統(tǒng)設(shè)計n脈沖激光測距原理：脈沖式激光測距是利用激光脈沖持續(xù)時間極短，能量在時間上相對集中，瞬時功率很大的特點進行測距的，在有合作目標的情況下，脈沖激光測距可以達到極遠的測量距離，在進行幾公里的近程測距時，如果精度要求不高，即使不使用合作目標，只是利用被測目標對脈沖激光的漫反射所取得回波信號，也可以進行測距。脈沖式激光測距的原理如下圖 所示。由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出一個持續(xù)時間極短的脈沖激光，經(jīng)過待測距離 L 之后，被目標物體反射，發(fā)射脈沖激光信號（回波信號）被激光接收系統(tǒng)中的光電探測器接收，計時電路通過計算脈沖激光發(fā)射和回波信號到達之間的時間間隔，即激光脈沖從激光器

2、到目標物體之間的往返時間t，即可計算出目標物體與激光測距儀之間的距離 L 為：L=(1/2)ct式中，c 為光速。n脈沖式激光測距系統(tǒng)組成系統(tǒng)主要包括窄脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、脈沖激光接收系統(tǒng)、高精度時間間隔測量系統(tǒng)、微控制器、液晶顯示、串口以及光學(xué)系統(tǒng)組成。脈沖發(fā)射系統(tǒng)：半導(dǎo)體激光器的發(fā)射單元主要由 LD偏置電壓發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、LD 驅(qū)動電路組成。LD 偏置電壓發(fā)生器為半導(dǎo)體激光器提供工作所需的偏置高壓，并加載至 LD 驅(qū)動電路中，驅(qū)動半導(dǎo)體激光器發(fā)光，脈沖信號發(fā)生器則為 LD 驅(qū)動電路提供所需的高速窄脈沖信號。激光脈沖接收系統(tǒng)：激光脈沖接收單元為本系統(tǒng)的核心部分之一，主要分為兩個子塊：PIN

3、 光電二極管（以下簡稱 PIN）接收電路和雪崩管（Avalanche PhotoDiode 簡稱 APD）接收電路。高精度時間間隔測量系統(tǒng)：高精度時間間隔測量系統(tǒng)主要由計時芯片（本文中選取通用型 TDC 模塊 TDC-GP2）以及其外圍電路組成。該部分為系統(tǒng)提供精準的時差測量，保證了測量的精度。微控制器及顯示接口部分：該部分主要有微處理器，液晶顯示，RS-232 串口組成。MCU 主要為各分部的正常工作提供控制信號，并通過 SPI 口配置 TDC-GP2 芯片，并讀去相應(yīng)的測量結(jié)果進行計算與處理，處理完成的送至 LCD 顯示或者發(fā)送至串口送至上位機進行進一步處理。此處的串口除了傳送測量數(shù)據(jù)之外

4、，還可接收上位機的操作指令，用于控制系統(tǒng)工作。光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)系統(tǒng)的主要功能是將半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光分成兩束，一束經(jīng)反射鏡送入 PIN 管光敏面上，另一束則經(jīng)過準直之后發(fā)射至目標物體；另一方面光學(xué)系統(tǒng)將其接收到的激光回波信號匯聚到 APD 的光敏面上，以提高光電接收器件的探測能力。系統(tǒng)工作流程 激光測距系統(tǒng)工作流程如圖 所示。系統(tǒng)上電之后，控制器便進行系統(tǒng)初始化，初始化完成之后即可開啟發(fā)射接收電路，并發(fā)射脈沖信號進行測量，等待測量結(jié)束之后停止發(fā)射激光，讀取測量結(jié)果并對數(shù)據(jù)進行處理顯示。激光發(fā)射系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器工作原理是通過一定的激勵方式，當高能態(tài)的粒子數(shù)多于低能態(tài)的粒子數(shù)，并且工作電流達到閾值

5、電流時，激光器輸出相干的受激光束。n窄脈沖信號發(fā)生器設(shè)計根據(jù)脈沖式半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動要求，系統(tǒng)需要一個脈寬20ns50ns，重復(fù)頻率為 2.5kHZ 的脈沖信號，作為半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路的開關(guān)信號。本文中選用 CPLD 作為窄脈沖信號發(fā)生器的核心部件。CPLD 硬件描述采用的是 Verilog HDL 硬件描述語言，采用 Quartus II 7.2 編譯環(huán)境實現(xiàn)了周期為 2.5KHz，脈沖寬度為 25ns 的信號。n半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電路設(shè)計脈沖半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電路原理圖如圖 所示。其中 R1 為充電限流電阻，R2 為脈沖電流限流電阻，C 為儲能電容，VH為輸入高壓偏置，D 為鉗位二極管，

6、LD 為半導(dǎo)體激光器，K 為控制開關(guān)。其本質(zhì)是個 RLC 電路。當開關(guān) K 斷開時，高壓偏置 VH通過 R1 向儲能電容 C 充電，C 兩端的電壓隨即升高，充電完成后，儲能電容兩端的電壓 UC即與高壓偏置電壓 VH相等，當開關(guān) K 閉合后儲能電容 C 通過開關(guān) K、放電限流電阻 R2 以及激光器所組成的回路瞬時放電，加在 LD 兩端的電壓為-VH。圖 所示的脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路中，通過改變偏置電壓 VH，R1、C、R2 參數(shù)的大小，即可調(diào)節(jié)輸出激光脈沖的峰值功率、脈沖寬度和重復(fù)頻率。偏置電壓 VH越高，儲能電容 C 越大、放電限流電阻 R2 電阻越小，則輸出的激光峰值功率就越大；若儲能電容

7、 C 越小、R2 的阻值越小，則激光脈沖的寬度就越窄；R1的阻值越小，則激光脈沖的重復(fù)頻率就越高。脈沖激光接收系統(tǒng)脈沖激光接收系統(tǒng)是的主要作用是，接收由目標物體反射回來的回波脈沖激光信號，并將其轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，進行濾波、放大、峰值保持、時刻鑒別、整形等處理。本系統(tǒng)中，激光接收電路分為兩個部分，PIN 光電二極管接收電路與雪崩管接收電路。在本系統(tǒng)中，半導(dǎo)體激光器輸出的激光有分光鏡分為兩路，強度較弱的一路光信號由反射鏡送入 PIN 光電二極管的光敏面，由 PIN 驅(qū)動放大電路進行信號采集，并將其作為時差測量的起始時刻（即 Stop1 信號），如圖 （a）所示。另一路光信號則通過光學(xué)系統(tǒng)準直之后發(fā)

8、射出去，由目標物體反射的回波信號經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的接收，送至 APD 接收電路進行放大處理，將該路輸出的信號作為時差測量的截止時刻（即 Stop2 信號），如圖 （b）所示。a、PIN接收電路框圖b、APD接收電路框圖PIN 光電二極管的驅(qū)動電路原理如圖 4.4 所示，該光電檢測電路采用了高速電流負反饋運算放大器電路。圖 中，20V 為 PIN 管反向偏置電壓，R1 為偏壓限流電阻，RL 為 PIN 管的負載電阻，對光電流進行電流-電壓轉(zhuǎn)換。運放用來對信號進行放大，以達到預(yù)期的要求。 PIN 光電二極管驅(qū)動原理在 APD 驅(qū)動電路設(shè)計中，使用了電流轉(zhuǎn)電壓的方式，對 APD 中輸出電流進行讀取，如圖

9、 4.5 所示。圖中，VH為 APD工作所需的偏置電壓，VH=160V。R 為高壓偏置的限流電阻，其值至少為 1M。C是為防止高壓偏置中的電源紋波對 APD 讀取電路影響而設(shè)置的濾波電容，其值應(yīng)該至少為 0.1uf，并且在電路板的設(shè)計中，C 應(yīng)該盡量靠近 APD。Rf 為由運放組成的電流電壓電路的反饋電阻，調(diào)節(jié) Rf 的大小，可使得該讀取電路的增益發(fā)生改變。如圖 所示，設(shè) APD 中的光電流為 I，則計算出讀取電路輸出端的輸出電壓 U0為：U0=IxRf當圖 所示的 APD 驅(qū)動電路中，反饋電阻 Rf 失效時，圖中 A 點的電壓將升高接近反向偏置電壓 VH，這將直接導(dǎo)致運放反向輸入端電壓過高，

10、將其燒毀，更嚴重的后果是會影響到后續(xù)放大電路的安全，因此，該電路中在 A 點和正電源VCC 之間并聯(lián)一個二極管作為保護，當 A 點電壓升高至一定值時，保護二極管 D導(dǎo)通，可將 A 點的高壓拉低至電源電壓，這樣可對后續(xù)處理電路起到保護作用。APD驅(qū)動電路高精度時間間隔測量模塊本系統(tǒng)選取了TDC-GP2為系統(tǒng)提供高精度時間間隔測量。TDC 是以信號通過內(nèi)部門電路的傳輸延時來進行高精度時間間隔測量的。下圖 顯示的是這種測量絕對時間 TDC 的主要架構(gòu)。測量過程中，只需計算出開始信號和結(jié)束信號之間所經(jīng)過的邏輯門的個數(shù)，就可以精確的計算出Start 信號與 Stop 信號之間的時間間隔。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、擔保電路和特殊的布線方式保證芯片可以精確地記下信號通過門電路的