A wide dynamic range laser rangefinder with cmlevel resolution based on AGC amplifier structure要点.docx

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AwidedynamicrangelaserrangefinderwithcmlevelresolutionbasedonAGCamplifierstructure要点

Awidedynamicrangelaserrangefinderwithcm-levelresolutionbasedonAGCamplifierstructure

以AGC放大器为架构的厘米级分辨率宽动态范围激光测距仪

罗延美外国语114班学号：

1118100117

Abstract

摘要

Apulsedtime-of-flight（TOF）laserrangefinderwithapulsedlaserdiodeandanavalanchephotodiode（APD）receiverisconstructedandtested.Triggedbyanavalanchetransistor,thelaserdiodecanemitaperiodicpulsewithrisetimeof~2ns.Anewstructurewithautogaincontrol（AGC）circuitsbothinthepre-amplifierandthepost-amplifierispresented.Throughthistechnology,notonlythedynamicrangeofthereceiverisextended,butalsothewalkerroroftimingdiscriminatorsisreduced.Largemeasurementrangefrom5mto500misachievedwithoutanycooperativetarget.Thesingle-shotprecisionis3cmfortheweakestsignal.Comparedwithpreviouslaserrangefinders,thecomplexityofthissystemisgreatlysimplified.

我们将要操作和测试有着脉冲激光二极管和雪崩光电二极管接收器的脉冲飞行时间激光测距仪。

雪崩晶体管的支持下，激光二极管可以发射上升时间为2ns周期性的脉冲。

有着自动增益控制电路的新架构会在前置和后置放大器中呈现。

应用这种技术之后，不仅接收器的动态范围延展了，定时鉴定器的运行误差也减少了。

我们还成功地取得了巨大的测量范围，而测量时没有使用相同的目标。

对于最弱的信号，单发精确度为3厘米。

与之前的激光测距仪对比，这个系统大大地简化了许多复杂的部分。

Keywords

关键词

Laserrangefinding

Autogaincontrol（AGC）

Time-of-flight（TOF）

Trans-impedanceamplifier（TIA）

激光测距

自动增益控制（AGC）

飞行时间（TOF）

跨阻抗放大器（TIA）

1.Introduction

1.简介

Pulsedtime-of-flight（TOF）laserrangefinderhasattractedgreatinterestinspeedmeasurementandtrafficcontrol,threedimensionalprofilingandscanning,etc.[1–4].PulsedTOFlaserrangefinderisbasedonmeasuringtheround-triptimeintervalbetweenemittedpulseandreflectedpulse.CommonstructureofanTOFlaserrangefinderconsistsoffivemajorcomponents:

alaserdiodetransmitter,areceiverchannel（PINandAPDphotodiodes,pre-amplifierandpost-amplifier）,atimingpart（twotimediscriminatorsandatime-to-digitalconverter）,transmittingandreceivingopticalsystems,andamicrocontrolunit（MCU）,asillustratedinFig.1.

脉冲飞行时间激光测距仪让人们对速度检测、流量控制、三维分析和扫描等等产生了极大的兴趣[1–4]。

脉冲飞行时间激光测距仪是基于测量发射脉冲和反射脉冲之间的往返时间间隔来运作的。

常见的飞行时间激光测距仪由几个主要的元件构成：

激光二极管发射器，接收器通道（PIN和APD光电二极管，前置放大器和后置放大器），定时组件（两个时间甄别器和一个时数转换器），用于传输和接收的光学系统和微型控制装置（MCU），如图1所示。

Inordertoachieveasingle-shotprecisionofcm-level,therisetimeofthelaserdiodetransmittermustbeasshortaspossible.Moreover,Thereceiverbandwidthshouldmatchrisetimeofthelaserpulseandalwaysshouldarrivetoseveralhundredsofmega-Hz[5].Torealizehighsensitivityundersuchabigbandwidth,fixedreceivergainwithlargetrans-impedanceandhighvoltagemagnificationisinevitablyrequired.However,duetothelargedynamicrangeinsomeapplications,thisstructuremaybringabouttwovitalproblems.Atfirst,sincethereflectedsignalatasmalldistanceislarge,largefixedgainmayforcetheoutputofthereceivertoclip,whichisequivalenttobroadeningthepulsewidth.Furthermore,becausethereflectedsignalamplitudeatdifferentdistancesvariessignificantly,itwillintroducelargewalkerrorinthetimediscriminator[6].Tosolvethetrade-offbetweenwidedynamicrangeandhighsensitivity,severaltechnologieswereusedinpreviousresearches,suchasGilbertcell[7],unipolartobipolarconversion[8],andcompensationforwalkerror[9].Unfortunately,systemstructuresinthesetechnologiesarealwayscomplex.

为了让单发精度达到厘米级，激光二极管发射器的上升时间务必越短越好。

另外，接收机带宽要与激光脉冲的上升时间相匹配，并且接收机带宽要始终达到几百兆赫兹[5]。

要实现在如此之大的带宽下的高灵敏度，伴随着极大的跨阻抗和高压放大的固定接收器增益是必须的。

然而，由于在一些应用中出现的大动态范围，这个结构可能会带来两个至关重要的问题。

首先，因为短距离的反射信号会非常庞大，巨大的固定增益可能会强制减少接收器的输出量，而这个过程是相当于扩大脉冲宽带的。

此外，因为在不同的距离，反射信号振幅的变化显著，这会造成时间甄别器运行的巨大误差[6]。

为了在宽动态范围和高灵敏度之间取得平衡，之前的研究已经应用了几种技术，例如射频集成电路[7]，单极到双极型转换[8]，步行误差的校正[9]。

不幸的是，这些技术的系统结构都是非常复杂的。

Autogaincontrol（AGC）technologyhasbeenprovedtobeaneffectivemethodtoextendthedynamicrangeoftheopticalreceiverwithoutdeterioratingthebandwidthandsignal-to-noiseratios[10–12].Inthispaper,weapplytheAGCtechnologyinboththepre-amplifierandthepost-amplifierofthelaserrangefinder.Comparedwithformerstructures,thecomplexityandpriceofthissystemisimmenselyreduced.Largemeasurementrangefrom5mto500mandhighmeasurementaccuracyof1cmareattained.ThespecificdesignofthelaserdiodetransmitterandthewholereceiverchannelispresentedinSections2and3,respectively.TheexperimentresultsaregiveninSection4.

自动增益控制技术已经被证实，在不恶化带宽性能和降低信号信噪比的情况下，能有效扩大光接收机的动态范围[10–12]。

在这篇文章中，我们会应用AGC技术在激光测距仪的前置放大器和后置放大器中。

与以往的结构相比较，这个系统的复杂性和造价会极大地减少。

测量范围从5米到500米不等，但测量精确度必须达到1厘米。

具体的激光二极管发射器和整个接收器通道的设计图会在第2和第3部分分别展示。

实验的结果会在第4部分给出。

2.Laserpulsetransmitter

2.激光脉冲发射器

BoththeMOSFETandtheavalanchetransistoraregoodchoicestodrivelaserdiodeforgeneratingshortopticalpulse.Unfortunately,duetothelargegatecapacitor,MOSFETisonlycapableforcurrenttriggerpulsewithrisetimeabove3ns.ComparedwiththeMOSFET,avalanchetransistorissuitableforshortercurrenttriggerpulse.Butitrequireshighvoltagetoensurebreakdownoftheavalanchetransistor[13].Inthispaper,weemployacommerciallyavailableavalanchetransistor（ZetexFMMT417）todriveanInGaAspulsedlaserdiode（PerkinElmerPGA3S06）.ThebasicstructureofthelasertransmitterisillustratedinFig.2.Thehighvoltageupto250Visprovidedbyaswitchingpowerdriverchipandatransformer.

场效应管和雪崩晶体管都非常有助于驱动激光二极管产生短光脉冲。

然而，在极大的栅极电容器作用下，场效应管只适用于电流触发脉冲的上升时间超过3毫微秒的情况。

与场效应管比较起来，雪崩晶体管更适用于较短的电流触发脉冲。

但是，这需要高电压来触发雪崩晶体管的耐压崩溃[13]。

在本文中，我们会采用市场上可买到的雪崩晶体管（ZetexFMMT417）来驱动InGaAs脉冲激光二极管（PerkinElmerPGA3S06）。

激光发射器的基本构造如图2所示。

高达250V的高压会由开关电源驱动芯片和变压器提供。

ThechoiceofdischargecapacitorC2anddampingresistorR2iscrucialforexpectedperformanceofthetransmitter.Largercapacitanceisgoodforhighpeakpoweroperation,butsimultaneouslyitwillresultinlongerrisetimeandlargerpulsewidth.Ontheotherhand,thedampingresistorR2shouldbelargeenough;otherwiseanunexpectedreverseoscillationwillappear.However,toolargeresistorwillunfortunatelyleadtoanasymmetrypulsewaveformwithlongerfalltime.Inaddition,toobtainsmalltimeconstant,theinductorsofthedischargecircuitiscontrolledtobeanextremelylowlevel.

为了达到发射器的预期性能，放电电容C2和阻尼电阻R2的使用是非常关键的。

较大的电容是非常有助于达到功率运作的峰值的，但与此同时这又会延长上升时间和扩大脉冲带宽。

另一方面，阻尼电阻R2应该足够大，否则将会出现意料之外的反向振荡。

不过，太大的电阻器会导致不对称的脉冲波形，同时伴随着更长的下降时间。

另外，为了得到一个小的时间恒量，放电回路的电感要控制在一个极低的程度。

Tominimizethespatialbeamspread,acollimatorlens（diam=4mm）isplacedinthefrontofthelaserdiode.Theopticalpulseisdetectedbyanultrafastphotodetector（AlphalasUPD-200-SP,2GHz）andobservedusingadigitaloscilloscope（YOKOGAWADL9140,1GHz）.ThewaveformobservedontheoscilloscopeisshowninFig.3.The905nmopticalpulsepossesses70Wpeakpowerand2nsrisetimewithpulserepetitionfrequencyof200Hz.Accordingtointernationalstandard（IEC60825-1）,thelaserisClass1Mdevice,whichissafeforthehumaneyes.

为了极大限度地减少空间波束分散，激光二极管前面需放置一个准直透镜（直径=4mm）。

光脉冲会由极速光电检测器来探测（（AlphalasUPD-200-SP,2GHz），而数字示波器（YOKOGAWADL9140,1GHz）会观测光脉冲的状态。

在示波器上所显示的观测到的波形如图3所示。

达到905nm的光脉冲峰值功率控制70W峰值功率2ns的上升时间伴随着200Hz脉冲重复频率。

根据国际标准（IEC60825-1），激光发射器是一级中号装置，不会伤害人的眼睛。

collimator瞄准仪

pulsedlasertransmitter脉冲激光发射器

trigger触发器

MCUsystem微型控制装置系统

keyboard键盘

receiverchannel接收器通道

PINdetectorPIN检测器

timingdiscriminator时间鉴别器

post-amplifier后置放大器

Galileanoptic伽利略镜片

time-to-digitalconvertor时数转换器

blockdiagramofthetotallaserrangefinder整个激光测距仪的方框示意图

3.Receiverchannel

3.接收器通道

3.1.Totalconsideration

3.1总括

Threefactorsshouldbeconsideredsyntheticallyinthereceiverchanneldesign,whicharebandwidth,signal-to-noiseratioanddynamicrange.Atfirst,thereceiverchannelbandwidthshouldmatchtherisetimeoftheopticalpulse（BW=0.35/tr）.Intheotherword,fortherisetimeof2ns,thereceiverchannelbandwidthshouldbeatleast175MHz.Second,theminimumsignal-to-noiseratioof10isnecessaryforthereceivertosatisfytheprobabilityofdetectionandprobabilityoffalsealarm.ThemainerrorofapulsedTOFlaserrangefindercalledtimingjittererrorisdeterminedbythebandwidthandsignal-to-noiseratioofthereceiver.Thesingle-shotprecisioncanbeexpressedas[14]

在接收器通道的设计中，有三个要素需要我们综合地考虑，它们分别是带宽、信号噪声比和动态范围。

首先，接收器通道的带宽必须与光脉冲的上升时间相配合（BW=0.35/tr）。

换句话说，在上升时间为2ns时，接收器的带宽至少要达到175MHz。

第二，最小信噪比10对于接收器满足探测和虚警的可能性是非常必要的。

脉冲飞行时间激光测距仪的最大误差称为定时抖动误差，这一误差是由接收器的带宽和信噪比决定的。

单发精确度可以表示为

highvoltage高电压

triggerpulse触发脉冲

avalanchetransistor雪崩晶体管

laserdiode激光二极管

thebasisstructureofthelasertransmitterdrivenbyanavalanchetransistor由雪崩晶体管驱动的激光发射器的基本架构

wherecisthespeedoflight,BWisthebandwidthofthereceiverandSNRisthesignal-to-noiseratio.Therefore,forthemaximumdetectiondistance,ifthebandwidthofthereceiverweresetat175MHz,theideasingle-shotprecisionofthelaserrangefinderwouldbe3cm.Bystatisticalaverageofseveralpulses,therandomtimingjittererrorcanbedecreasedtoalowlevel,andthenthesingle-shotprecisionofthelaserrangefindercanbeimprovedtolessthan1cm.Finally,toavoidthesystemwalkerrorduetoclippingoftheoutputsignal,thereceiverchannelshouldhavealargeinputdynamicrange.

C代表光速，BW指接收器的带宽，而SNR代表信噪比。

因此，在最大探测距离之下，如果接收器的带宽设定在175MHz，激光测距仪的单发精度会是3cm。

通过求得几次脉冲的统计均值，随机的定时抖动误差可以减小到一个低的程度，并且激光测距仪的单发精度可以提高到少于1cm。

最后，为了避免由输出信号中断造成的系统运行误差，接收器通道要有一个大的动态输入范围。

Itshouldbenotedthattherearetwoothertypesoferrorsinthelaserrangefinder.First,becausethetransmittingandreceivingopticalsystemsdonotsharethesameaxis,asystemerrorcallednon-axialerrorwillarise.Here,thedistancebetweenthetwoaxesisjust5cm.Inthiscase,thenon-axialerrorissosmallthatcanbeneglected.Second,duetothedivergenceoftheincident