半导体脉冲激光测距机的硬件电路设计Word文件下载.docx

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此外美国科学应用国际公司与美国海军研究室还开展了双模式成像激光雷达的研究；

美国Sandia国家实验室还提出了将合成孔径雷达和激光雷达融合为一体的末端制导概念。

总之，激光雷达在国外己经进入实用化阶段。

由于国外自九十年代就已经开始大力发展LD激光雷达，目前LD激光雷达在中、远程激光雷达应用方面有取代YAG激光雷达的趋势，近年又发展了一种便携式、对人眼安全、无合作目标、低价的适用家庭的LD激光测距仪，既能作为望远镜又具有测距功能，如：

1996年下半年美国Bushnell公司推出了测距能力为400码的400型小型、轻便、省电、对人眼安全、低价的LD激光测距机Yardage400（800），已被评为1997年世界一百项重要科技成果之一；

1997年Bushnell公司在网上又推出测距能力为800码的800型激光测距仪；

1998年美国Tasco公司又推出测距能力为800码的摄像机型LasersiteLD激光测距仪[3]。

显然，从测程、测频和小型化等方面来看。

上述LD激光测距仪经过改进后，是可以满足末敏弹的测程和定位要求。

值得注意的是，美国报道的采用脉冲测距原理的高重复率激光雷达演示系统已实现10KHz的测频，测程2公里，测距精度为±

50mm，距离分辨率为±

14mm，可以对建筑物等景物成清晰的距离象。

国内在微型化LD激光测距仪方面的研究尚处于发展阶段，有些单位有该项研究的报道。

其中中国计量大学光电子所与国内外合作开发了LD两种型号（一种光学三分离式的；

一种接收与瞄准结合的光学望远镜式的）低价、省电、便携式的激光测距机，测距能力达1Km，测距精度为±

1m。

1.2本文的主要内容

本文主要是关于超小型脉冲激光测距电路部分的设计和研制。

其具体内容包括脉冲激光的发射和接收的硬件电路模块、高精度计数模块、控制模块及数据采集。

其中高精度计数和控制模块是超小型脉冲激光测距机的核心部分，是关键之所在。

1.脉冲激光的发射电路模块的设计及研制

这一模块主要是设计一个驱动电路，用来驱动850nm波长的高性能半导体激光二极管SPLLL85发射脉冲激光（结合光学系统）。

其中所要解决的问题是如何产生频率重复率高达10KHz的脉冲激光信号，该脉冲信号脉冲宽度必须小于25ns，由测距的范围（300m）决定，单次光脉冲信号的能量不能小于10W。

2.光信号的接收和放大及整形模块

这一部分是决定高精度技术模块是否能工作的前提。

其中首要解决的问题是如何利用高性能的光电转换器件（Si-APD）接收到能量达到10-9W量级的微弱回波信号（结合光学系统）；

然后是利用合适带宽放大器对接收到的脉冲宽度约为25ns脉冲电信号进行放大（放大器的带宽不能小于80MHz，否则会导致放大后的波形失真，脉冲被展宽），如何提取出利用告诉比较器对信号进行滤波，滤除背景光和电路引起的噪声，来获得获得“高纯度”的脉冲触发信号供后续电路使用。

3.高精度计数模块

它是决定测距精度的核心部分，也是超小型脉冲激光雷达的核心部分。

由于特殊的使用场合，首先主要解决使用低频晶振来产生高频率（125MHz）、高稳定度（小于±

10ppm）的时钟基准，然后是利用这个时钟基准作为计数器和控制电路的基准信号，设计高时间分辨率计数电路，使电路时间分辨率达到2ns，并且有稳定的重复测距率（10KHz）和抗干扰性能。

4.计数结果输出模块

这一部分主要解决的问题是如何对15Mb/s计数的结果进行高速采集。

分析并行口和串行口在数据传输上的特性和优缺点，选择合适的数据采集形式。

5.电路功能的验证和系统的联调

对每个电路或程序都进行了功能模拟仿真，以验证其设计的正确性。

最后的系统级仿真，主要是通过制作的原理样机进行实际测距试验，获得大量的数据并且进行了分析。

分析结果用于评价电路系统的性能并指导系统总体和子模块的改进工作。

2半导体脉冲激光测距机的方案设计

2.1激光测距原理概述

激光测距主要有三种方法：

脉冲激光测距、相位激光测距和调频连续波测距。

测距技术主要包括：

脉冲激光测距的时间间隔测量技术和时刻鉴别技术；

激光相位测距的相位调制技术及其调制噪声问题；

调频连续波测距技术和半导体激光自混合干涉测距技术等。

2.1.1脉冲激光测距

（1）脉冲激光测距机的测距原理

脉冲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（一般可达兆瓦）的特点进行测距，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程；

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反射信号，也可以进行测距。

图2.1.1脉冲激光测距的基本原理图

如图2.1.1所示，一个典型的脉冲飞行时间激光测距系统通常由以下五个部分组成：

激光发射单元、接收单元、时刻鉴别部件、高精度时间间隔测量部件和处理控制单元。

激光发射单元在t时刻发射一激光脉冲，其中一小部分功率直接进入回波接收单元，触发开始信号（START），开始时间间隔测量；

其余功率通过发射通道向目标发射出去，经距离L到达目标后被反射;

接收通道的光电探测器接收到返回脉冲，经放大后到达信号的放大及整形单元，产生一终止（STOP）信号，终止时间间隔测量；

高精度计数单元把所测得的时间间隔结果t输出到处理控制单元，最后得到距离R（L=2R）。

（2）时刻鉴别

对于目前时刻鉴别的方法主要有三种：

前沿鉴别、恒定比值鉴别和高通容阻鉴别。

前沿鉴别法是通过固定阈值方式来确定起止时刻（如图2.1.2所示），即以脉冲前沿当中强度等于所设阈值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漂移误差为Δt，其大小还与阈值的大小有关，最大值可能接近脉冲上升时间tr。

因此，前沿鉴别法的测量误差比较大。

图2.1.3是恒定比值鉴别法的原理图解，恒定比值F此处取50%，即取脉冲上升沿中半高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它因数的影响，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。

图2.1.2前沿时刻鉴定图2.1.3恒定比值时刻鉴定

图2.1.4高通容阻时刻鉴定

为了有效地克服波形畸变和噪声带来的误差，提出了高通容阻时刻鉴别方法，如图2.1.4所示，接收通道输出的起止信号脉冲（左）通过一高通容阻滤波线路，原来的极值点转变为零点，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的斜率的影响。

据报道采用此方法时，漂移误差能控制在±

3.5ps（相当于0.5mm的测距精度）。

时刻鉴别的误差除了跟所采用的鉴别类型有关外，还与激光回波脉冲波形和光电探测器类型有关。

激光回波脉冲是先经接收通道的光电探测器进行光电转换和前置放大后进入时刻鉴别单元的，光电探测器的光电转换机制以及接收通道引入的噪声和带宽限制都将影响回波脉冲波形的完整恢复。

目前经常采用的光电探测器包括光电倍增管PMT，PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD等。

PMT是利用光电发射效应工作的，其增益M可达105-107，PIN是利用P-N结的光生伏特效应制成的，但无内部增益；

利用雪崩倍增效应制成的APD增益M可达102-104，响应时间非常短（0.5ns），是高精度微弱信号探测的首选探测器。

正由于探测器的工作机理各不相同，其对光信号波形的还原能力也不同，因此，在考虑时刻鉴别误差时，必须结合使用的探测器和时刻鉴别类型，以及光信号波形类型分别对待。

除漂移误差外，在时刻鉴别过程中还存在时间抖动，它是由于输入信号噪声和来自接收通道的附加噪声产生的，抖动幅度还与信号脉冲上升沿宽度、信号强度、时刻鉴别单元的带宽以及鉴别类型有关。

输入到时刻鉴别单元的噪声分为白噪声和相干噪声，它们对时间抖动的作用是不同的。

2.1.2激光相位测距

（1）激光相位测距的原理

激光相位测距的方法是通过对激光的强度进行调制实现的。

（2）相位调制

相位调制的方法有直接调制、光调制（包括声光调制AOM和电光调制EOM）和九十年代发展起来的模间拍频调制。

用于LD的直接电流调制具有简单易调制等优点，但其缺点是调制波形会变形，且随着调制频率的增加，调制深度会降低；

光调制也会带来波形变形，特别是在高频（千兆赫兹）时就更为严重。

模间拍频调制则具有高频（几百兆赫兹）和100%的调制深度等优点，因此它非常适合于高精度相位测距。

以波长为633nmHe-Ne双频激光器为例，若腔长L介于1530cm，经计算可获得500MHz-1000MHz的调制频率。

其它如双频二极管泵浦固体激光器（DPSSL）也可用于相位测距，而且DPSSL的腔长可以做的更短，更易得到更高的拍频。

如何得到稳定的光频和稳定且更高的拍频有待深入研究。

2.1.3调频连续波（FMCW）激光测距

调频连续波激光测距主要是通过发射一频率连续可调的激光，测量接收到激光的频率来推算距离。

据报道：

运用此FMCW激光测距方式，已同时获得了18.5km的测距范围和20mm的测距精度，其频率惆啾率为100pHz/s。

FMCW激光测距采用的频率调制方式主要有：

激光腔长调谐、开关调制、声光调制、电光调制和电源直接调制等；

使用的激光介质有气体（如CO2）、固体（钛宝石和掺铒光纤等）和半导体；

探测方式有直接探测（非相干探测）和光外差干涉探测（相干探测）。

半导体激光自混合干涉测距技术是调频激光测距的一个新的研究热点，它是利用被测物体形成的反馈光对线性调频LD光源输出光功率的调制特性，实现绝对距离测量。

由于其光学系统仅包含一个光源和一个准直透镜，结构极其简单、紧凑，系统易准直，因此倍受关注。

2.2三种测距方法的比较

三种测距方法是针对各种不同的工作场合和不同的精度要求都有各自的优缺点。

（1）对于脉冲激光测距测量系统的测量精确度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲的上升沿、探测器的信噪比（峰值信号电流与噪声电流均方根值之比）和时间间隔测量精确度。

以上主要是从激光飞行时间t出发来考虑距离的精度，其中的关键是如何精确稳定地确定t的起止时刻和精确测量t，它们各自对应的是时刻鉴别单元和时间间隔测量单元；

另一方面就是大气折射率的取值精度，它受环境温度、气压及大气湍流的影响，精度一般可以达到10-6（1ppm）。

双（多）波长激光测距可以避免大气对测量精度的影响。

而且时刻鉴别中，由于激光脉冲在空中传输过程中的衰减和畸变，导致接收到的脉冲与发射脉冲在幅度和形状上都有很大不同，给正确确定起止时刻带来困难，由此引起的测量误差被称之为漂移误差（walkerro