CN109669187A - 一种具有自适应功能的半导体脉冲激光测距仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自适应功能的半导体脉冲激光测距仪，包括：主控MCU；激光发射电路；激光接收电路以及计时器。其中，所述主控MCU用于产生测距信号和接收控制信号、驱动和接收外围模块信号，且对数据进行计算和处理，且所述主控MCU与所述激光发射电路之间电性连接；所述激光发射电路用于在主控MCU发出控制信号时，通过半导体激光器发射脉冲激光信号；所述计时器用于测量激光发射到返回光束之间的时间差；通过采用自适应技术，激光测距仪可根据当前使用环境通过软件控制算法将雪崩光电二极管电压自动调节至最优状态，减小环境中背景光噪声对系统的影响，提高接收电路的信噪比，达到增加测程、提升设备的环境适应能力的目的。

Description

一种具有自适应功能的半导体脉冲激光测距仪

技术领域

本发明涉及半导体脉冲激光测距仪技术领域，具体为一种具有自适应功能的半导体脉冲激光测距仪。

背景技术

脉冲激光测距仪是在工作时向目标射出一束或一序列短暂的脉冲激光束，由光电元件接收目标反射的激光束，通过测定激光束从发射到接收的时间差，计算出从观测者到目标的距离。

脉冲激光测距仪的接收电路采用雪崩光电二极管将返回的光信号转换为电信号，并通过宽带放大器进行放大。根据返回光束的强度不同，可产生不同幅度的电压信号。当光束产生的电压信号幅度达到阈值时，接收电路输出电脉冲，使计时器停止计时。根据计时器接收起始信号和停止信号的时间差，可计算出目标距离。

接收电路雪崩光电二极管的工作电压，决定了能够接收到返回信号的强弱。

其中，雪崩光电二极管在击穿电压之内，其工作电压越高，接收电路的灵敏度越高，可接收较弱的光信号，测量的距离越远。但当被测目标受太阳光照射的情况下，目标的背景光噪声增大，设置较高的雪崩光电二极管电压，会导致接收电路的信噪比降低，从而产生错误的计时停止信号，计算出错误的目标距离，测距的稳定性较差。相反，雪崩光电二极管电压设置得过低，就降低了雪崩光电二极管的接收灵敏度，所测距离较近。

现有测距仪为了能同时适应阳光明朗天气和阴天等各种背景光条件下的环境，一般将雪崩光电二极管电压设置得较低，以保证测距仪在各种背景光条件下的测距稳定性，但却不能充分发挥雪崩光电二极管内增益的作用，牺牲了测距仪的测程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有自适应功能的半导体脉冲激光测距仪，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有自适应功能的半导体脉冲激光测距仪，包括：主控MCU、激光发射电路、激光接收电路、计时器；

其中，所述主控MCU带有软件自适应控制算法用于产生测距信号和接收控制信号、驱动和接收外围模块信号，且对数据进行计算和处理，所述主控MCU与所述激光发射电路之间电性连接；

所述激光发射电路用于在主控MCU发出控制信号时，通过半导体激光器发射脉冲激光信号；

所述激光接收电路用于将接收到的返回光束信号转换为电信号，且对产生的电信号进行放大，使其电信号幅度达到设定的阈值；

所述计时器用于测量激光发射到返回光束之间的时间差；

所述激光发射电路和激光接收电路信号输出端分别与所述计时器的信号输入端之间信号连接，所述计时器的信号输出端与所述主控MCU之间信号连接；

所述软件自适应控制算法是用于激光测距仪根据当前使用环境将雪崩光电二极管电压自动调节至最优状态。

其中，还包括：发射光路。所述发射光路用于对发射的脉冲激光信号进行聚焦处理，所述发射光路与所述激光发射电路之间机械连接，通过发射光路使得激光发射电路发射出的发射光束更加集中。

其中，还包括：接收光路。所述接收光路用于接收返回的激光信号，包括过滤特定波长的光信号、对返回光信号和背景光噪声进行初步的处理；所述接收光路与激光接收电路之间机械连接，通过接收光路完成对测距信号的初步处理。

其中，还包括；显示模块。所述显示模块与所述主控MCU的信号输出端之间信号连接，用于显示距离数据。

优选的，所述接收电路的雪崩光电二极管电压是由软件控制算法根据激光测距仪的使用环境自动调节至最优状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过采用自适应技术，激光测距仪可根据当前使用环境通过软件控制算法将雪崩光电二极管电压自动调节至最优状态，减小环境中背景光噪声对系统的影响，提高接收电路的信噪比，达到增加测程、提升设备的环境适应能力的目的。

附图说明

图1为本发明系统框架原理图；

图2为本发明激光测距流程图；

图3为本发明接收电路高压电路原理图；

图4为本发明接收信号产生原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种具有自适应功能的半导体脉冲激光测距仪，包括：主控MCU1、激光发射电路2、激光接收电路6、

计时器7；

其中，主控MCU1带有软件自适应控制算法，用于产生测距信号和接收控制信号、驱动和接收外围模块信号，且对数据进行计算和处理，且主控MCU1与激光发射电路2之间电性连接；激光发射电路2用于在主控MCU1发出控制信号时，通过半导体激光器发射脉冲激光信号；

激光接收电路6用于将接收到的返回光束信号转换为电信号，且对产生生的电信号进行放大，使其电信号幅度达到设定的阈值。

计时器7用于测量激光发射到返回光束之间的时间差；激光发射电路2和激光接收电路6信号输出端分别与计时器7的信号输入端之间信号连接，计时器7的信号输出端与主控MCU1之间信号连接；

软件自适应控制算法是用于激光测距仪根据当前使用环境将雪崩光电二极管电压自动调节至最优状态。

发射光路3。发射光路3用于对发射的脉冲激光信号进行聚焦等处理，发射光路3与激光发射电路2之间机械连接，通过发射光路3使得激光发射电路2发射出的发射光束更加集中。

接收光路5。接收光路5用于接收返回的激光信号，包括过滤特定波长的光信号、对返回光信号和背景光噪声进行初步的处理；接收电路5的雪崩光电二极管电压根据当前使用环境通过软件控制算法将雪崩光电二极管电压自动调节至最优状态。

接收光路5与激光接收电路6之间电性机械连接，通过接收光路5完成对测距信号的初步处理。

显示模块8，显示模块8与主控MCU1的信号输出端之间信号连接，用于显示距离数据。

请参阅图2，图2为本发明激光测距流程图；

S1：主控MCU1接收到外部的测距按键信号，产生测距信号。

S2：激光接收电路6的雪崩光电二极管电压，可根据当前使用环境通过软件控制算法将雪崩光电二极管电压自动调节至最优状态。

S3：主控MCU1控制激光发射电路2发射激光，同时产生电平信号，计时器开始计时。

S4：激光通过发射光路3进行聚焦，产生能量更集中的激光信号；激光信号指向目标4。

S5：接收光路5接收目标4的返回光束，进行聚焦，得到能量更集中的返回光束信号。

S6：激光接收电路6的雪崩光电二极管将激光返回光束（包括环境中的光噪声）转换为电信号，电信号再加以放大，若放大后的电信号幅度达到设定阈值，则接收电路产生高电平信号；若幅度未达到设定阈值，则表明返回光信号强度低于背景光噪声强度，需继续测量。

S7：若计时器7接收到激光接收电路7产生的高电平信号，则停止计时，并计算出开始和停止信号之间的时间差，传递给主控MCU1。若在规定的时间内未接收到接收电路的高电平信号，则表明返回信号太弱（距离太远或目标太小等因素），无法得到有效数据，将无法测量的信息传递给MCU；

S8：主控MCU1接收到时间差信号，通过算法计算出测量距离，并通过显示模块1进行显示。

其中，接收高压是通过以下途径产生的，请参阅图3：

主控MCU1通过VAPD_CTRL控制电源转换芯片U1，将输入电压VCC转换为较高电压，在通电时，对电容C1~C4进行充电；断电时，电容C1~C4上的电压叠加产生接收高压JS_HV，用以驱动雪崩光电二极管。

且主控MCU1控制数模转换芯片将需要产生的数字电压信号转换为模拟电压信号DAC，通过比较器U2传递给电源芯片U1的电压调节引脚3，从而调节U1的输出电压，通过后续的电压倍增电路，调节接收高压JS_HV，达到通过主控MCU实现连续调节接收电压的目的。

在S2中：接收电路的雪崩光电二极管电压，可根据当前使用环境通过软件控制算法将雪崩光电二极管电压自动调节至最优状态。

其中接收信号产生的原理如图4所示：

JS_HV为雪崩光电二极管D1电压，当D1接收到光信号时，产生电信号，通过Q1、Q2输入到比较器U1的引脚3，比较器引脚4可通过主控MCU设置阈值Vth，当雪崩光电二极管D1及Q1、Q2产生的电信号幅度高于阈值Vth时，比较器U1输出电平信号STOP1，计时器通过STOP1停止计数。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

且上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (5)

1.一种具有自适应功能的半导体脉冲激光测距仪，其特征在于，包括：

主控MCU（1）；

激光发射电路（2）；

激光接收电路（6）；

计时器（7）；

其中，所述主控MCU（1）用于产生测距信号和接收控制信号、驱动和接收外围模块信号，且对数据进行计算和处理，且所述主控MCU（1）与所述激光发射电路（2）之间电性连接；

所述激光发射电路（2）用于在主控MCU（1）发出控制信号时，通过半导体激光器发射脉冲激光信号；

所述激光接收电路（6）用于将接收到的返回光束信号转换为电信号，且对产生的电信号进行放大，使其电信号幅度达到设定的阈值；

所述计时器（7）用于测量激光发射到返回光束之间的时间差；

所述激光发射电路（2）和激光接收电路（6）信号输出端分别与所述计时器（7）的信号输入端之间信号连接，所述计时器（7）的信号输出端与所述主控MCU（1）之间信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有自适应功能的半导体脉冲激光测距仪，其特征在于，还包括：

发射光路（3）；

所述发射光路（3）用于对发射的脉冲激光信号进行聚焦处理，所述发射光路（3）与所述激光发射电路（2）之间机械连接，通过发射光路（3）使得激光发射电路（2）发射出的发射光束更加集中。

3.根据权利要求1所述的一种具有自适应功能的半导体脉冲激光测距仪，其特征在于，还包括：

接收光路（5）；

所述接收光路（5）用于接收返回的激光信号，包括过滤指定波长的光信号、对返回光信号和背景光噪声进行初步的处理；

所述接收光路（5）与激光接收电路（6）之间机械连接，通过接收光路（5）完成对测距信号的初步处理。

4.根据权利要求1所述的一种具有自适应功能的半导体脉冲激光测距仪，其特征在于，还包括:

显示模块（8）；

所述显示模块（8）与所述主控MCU（1）的信号输出端之间信号连接，用于显示距离等数据。

5.根据权利要求3所述的一种具有自适应功能的半导体脉冲激光测距仪，其特征在于：所述接收电路（5）中的雪崩光电二极管电压由主控MCU中的软件控制算法根据所检测到的背景光噪声进行自适应调节，以达到雪崩光电二极管在各种复杂的背景光环境下均能在最佳工作状态下工作。