CN110927737A - 一种多频调制激光动态目标测距测速系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光测距领域，并具体公开了一种多频调制激光动态目标测距测速系统及方法，包括控制模块、多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块，多频调制模块包括时钟信号子模块、主振合成器、本振合成器、直流驱动电路和半导体激光发射器，时钟信号子模块与主振合成器、本振合成器相连，直流驱动电路、主振合成器、半导体激光发射器依次相连；自适应偏压驱动模块包括接收镜片、雪崩光电二级管和高压驱动子模块，雪崩光电二级管与高压驱动子模块和本振合成器相连；信号调理采集模块用于接收和处理雪崩光电二级管输出的光电流信号。本发明可实现对动态目标的快速、高精度测距测速，且结构简单、稳定度高。

Description

一种多频调制激光动态目标测距测速系统及方法

技术领域

本发明属于激光测距领域，更具体地，涉及一种多频调制激光动态目标测距测速系统及方法。

背景技术

激光测距作为激光技术应用的一个重要组成部分，在民用和军用等重要领域都得到了广泛应用，例如交通方面大大提高了车辆定位的准确度，地形勘探方面提高了野外测量的精度等等。和微波测距等其它方法相比，激光测距具有更好的方向性和更高的测距精度，测程远，抗干扰能力强，隐蔽性好，因而得到广泛的应用。

目前，传统的激光测距仪多为静态测量系统，无法实现动态测量，也不能获得运动目标的速度信息。在动态测量领域，多数采用的方案是基于激光脉冲法测距，虽然具有测程远，电路相对简单和测量速度快的优点，但是精度不高，通常只能达到分米级甚至米级。基于相位法的动态测量方案中，虽然可实现毫米级的测量精度，但由于需先后发射多种频率不同的测尺对同一距离进行测量，由于被测目标的移动，会导致不同频率测尺的测距结果对应于不同距离，导致测量误差。

基于相位法的激光动态目标测距方案中，文献《基于全相位快速傅里叶变换谱分析的激光动态目标实时测距系统》尝试利用激光多频调制发射技术，将三个不同频率的调制信号合成后驱动激光器同时发射包含三种调制频率的调制光，以解决相位法激光测距中由于动态目标的移动导致先后发射的多种频率不同的测尺的测距结果对应于不同距离而导致测量误差的问题，在一定程度上能实现激光动态测距，但仍存在一些问题：(1)采用先经带通滤波器实现三种调制频率分量的分离，再经混频器进行降频处理的方式，该方式适用于调制频率较低的场合，导致测距精度不高，当调制频率大于100MHz时，前述带通滤波器在设计上将具有很大的难度，对于后续电路也将有着很高的带宽要求；(2)采用两组DDS芯片用于分别产生主振信号和本振信号，难以保证主振信号和本振信号的初相位一致，易产生测相误差；(3)采用两个雪崩光电二极管、两个带通滤波器及六个混频器同步对测距信号和参考信号的处理，采用六个A/D转换器同步采集测距信号和参考信号，导致电路结构较为复杂，且由于各个元器件在性质上无法做到完全一致，导致测距信号和参考信号在信号处理过程中由于电路噪声等原因而引入的附加相移不完全一致，则无法完全消除该附加相移，进而影响到最终的测距精度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多频调制激光动态目标测距测速系统及方法，其目的在于，通过同一时钟信号子模块发出主振信号和本振信号，并先后得到经外光路和内光路分别产生的主振合成信号，在雪崩光电二极管内部实现主振合成信号和本振合成信号的下混频，从而得到待测目标的距离信息和速度信息，是实现动态目标快速、高精度测距测速的简易有效的方法。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，本发明提出了一种多频调制激光动态目标测距测速系统，包括控制模块、多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块，其中：

所述控制模块与所述多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块均相连；

所述多频调制模块包括时钟信号子模块、主振合成器、本振合成器、直流驱动电路和半导体激光发射器，其中，所述时钟信号子模块与所述主振合成器、本振合成器相连，用于给主振合成器、本振合成器提供调制信号；所述直流驱动电路、主振合成器、半导体激光发射器依次相连，所述半导体激光发射器包括测距激光管和参考激光管；

所述自适应偏压驱动模块包括接收镜片、雪崩光电二级管和高压驱动子模块，其中，所述接收镜片用于接收所述半导体激光发射器发出的激光信号并传递给所述雪崩光电二级管，所述雪崩光电二级管与所述高压驱动子模块和本振合成器相连，其在高压驱动子模块、本振合成器以及半导体激光发射器信号的共同作用下输出光电流信号；

所述信号调理采集模块用于接收和处理所述雪崩光电二级管输出的光电流信号，并传递给控制模块。

作为进一步优选的，所述信号调理采集模块包括依次相连的跨阻放大器、带通滤波器和模数转换器，所述跨阻放大器用于接收所述雪崩光电二级管输出的光电流信号并转换为电压信号，所述带通滤波器将该电压信号按频率进行分离，所述模数转换器对分离后的信号进行采集并传递给控制模块。

作为进一步优选的，所述信号调理采集模块还包括自动增益电路，其位于所述跨阻放大器和带通滤波器之间，用于对电压信号进行自适应增益。

作为进一步优选的，所述自适应偏压驱动模块还包括依次相连的温度传感器、转换器和运算放大器，所述温度传感器用于采集雪崩光电二极管的温度信息并产生电流信号，该电流信号经所述转换器转换为电压信号后传递给运算放大器；所述运算放大器与所述高压驱动子模块相连，用于根据转换器传递的电压信号对高压驱动子模块的输出电压进行调整。

作为进一步优选的，所述自适应偏压驱动模块还包括滤光片，该滤光片位于所述接收镜片和雪崩光电二级管之间，用于滤除背景光和杂散光的干扰。

作为进一步优选的，所述多频调制模块还包括模拟开关，其位于主振合成器和半导体激光发射器之间，用于控制主振合成器只为测距激光管和参考激光管中的一个提供信号。

按照本发明的另一方面，提供了一种多频调制激光动态目标测距测速方法，采用上述系统实现，包括如下步骤：

S1时钟信号子模块发出数路调制信号，其中一半作为主振信号提供给主振合成器，另一半作为本振信号提供给本振合成器；该主振信号与直流驱动电路产生的偏置直流经主振合成器合成和放大后形成主振合成信号，并传递给半导体激光发射器；同时本振信号经本振合成器合成和放大后与高压驱动子模块产生的高压信号一起输入雪崩光电二极管；

S2打开测距激光管，使其在主振合成信号的驱动下发出调制激光，该调制激光经待测目标反射后被雪崩光电二极管接收，得到测量激光信号，雪崩光电二极管在高压信号的驱动下，对测量激光信号和本振信号进行下混频输出得到测量光电流信号，该测量光电流信号由信号调理采集模块接收和处理后得到测量信号，并传递给控制模块；

S3关闭测距激光管，打开参考激光管，使其在主振合成信号的驱动下发出调制激光，该调制激光通过内部反射镜反射后被雪崩光电二极管接收，得到参考激光信号，雪崩光电二极管在高压信号的驱动下，对参考激光信号和本振信号进行下混频输出得到参考光电流信号，该参考光电流信号由信号调理采集模块接收和处理后得到参考信号，并传递给控制模块；

S4根据测量信号和参考信号即可得到待测目标的距离信息和速度信息。

作为进一步优选的，所述S2和S3中，雪崩光电二级管输出的光电流信号由跨阻放大器接收并转换为电压信号，该电压信号经自动增益电路进行自适应增益后，再由带通滤波器按频率进行分离，该分离后的信号由模数转换器采集并传递给控制模块。

作为进一步优选的，整个测距测速过程中，温度传感器实时采集雪崩光电二极管的温度信息并产生电流信号，该电流信号经转换器转换为电压信号后传递给运算放大器，运算放大器根据该电压信号对高压驱动子模块的输出电压进行实时调整。

作为进一步优选的，所述S4中，根据测量信号和参考信号，采用基于快速傅里叶变换或基于全相位频谱分析的数字测相算法，得到待测目标的距离信息和速度信息。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明基于相位法，通过同一时钟信号子模块发出主振信号和本振信号，并在雪崩光电二极管内部实现主振合成信号和本振合成信号的下混频得到光电流信号，从而根据内外光路产生的光电流信号，得到待测目标的距离信息和速度信息，是实现动态目标快速、高精度测距测速的简易有效的方法。

2.本发明主振信号和本振信号均由同一个时钟信号芯片产生，易于保证主振信号和本振信号产生时的初相位一致，与采用DDS直接数字频率技术相比，简化了电路结构，降低成本的同时，提高了频率稳定度。

3.本发明采用了双激光管发射方案，即一个测距激光管，一个参考激光管，与采用单激光管发射相比，在连续测量下温升慢，可降低热噪声影响，提高测量精度，采用单个雪崩光电二极管实现测量光和参考光的分时接收，与采用双雪崩光电二极管同步接收方案相比，简化了电路结构，降低成本。

4.本发明基于雪崩光电二极管的电外差混频技术原理，在雪崩光电二极管内部实现主振合成信号和本振合成信号的下混频，再经带通滤波器实现合成信号各频率分量的分离，与采用单独的混频器相比，该方案首先可降低对后续信号处理电路的带宽要求，其次由于不需要采用额外的混频器，因而降低了电路复杂度及成本，提高了电路可靠性。

5.本发明在信号调理采集模块中增加AGC自动增益电路，当动态目标距离或速度变化导致回波接收功率出现较大波动时，AGC自动增益电路可自动调节输出信号的放大倍数，当回波功率较低时实现较大增益，当回波功率较大时实现较小增益甚至负增益，以满足后续A/D转换器对采样电压的要求。

6.本发明在自适应偏压驱动模块增加温度补偿部分，当雪崩光电二极管的工作温度变化时，经温度传感器的反馈，可实时调整高压驱动子模块的输出电压，实现雪崩光电二极管的温度自适应偏压调节，以实现雪崩光电二极管的最佳雪崩增益动态调节。

附图说明

图1是本发明实施例多频调制激光动态目标测距测速系统示意图；

图2是本发明实施例多频调制激光动态目标测距测速方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种多频调制激光动态目标测距测速系统，如图1所示，包括控制模块、多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块，其中：

所述控制模块包括主控芯片、显示子模块和按键子模块，主控芯片与显示子模块、按键子模块、多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块均相连。

所述多频调制模块包括时钟信号子模块、主振合成器、本振合成器、直流驱动电路、模拟开关、半导体激光发射器和准直聚焦透镜，其中，所述时钟信号子模块与所述主振合成器、本振合成器相连，用于给主振合成器、本振合成器提供调制信号；所述直流驱动电路、主振合成器、模拟开关、半导体激光发射器依次相连，半导体激光发射器包括测距激光管、参考激光管和内部反射镜，内部反射镜用于反射参考激光管发出的激光；模拟开关用于控制主振合成器只为测距激光管和参考激光管中的一个提供信号；准直聚焦透镜用于将测距激光管和参考激光管发出的激光聚焦为椭圆形光斑。

所述自适应偏压驱动模块包括接收镜片、滤光片、雪崩光电二级管和高压驱动子模块，其中，所述接收镜片用于会聚由所述半导体激光发射器发出并被待测目标散射回来的激光再传递给滤光片；所述滤光片用于滤除背景光和杂散光的干扰，使所述雪崩光电二极管主要响应以半导体激光发射器发出的激光频率为中心的一定频率范围内的光波信号；所述雪崩光电二级管与所述高压驱动子模块和本振合成器相连，其在高压驱动子模块、本振合成器以及半导体激光发射器信号的共同作用下输出光电流信号；

进一步的，该自适应偏压驱动模块还设置有温度补偿部分，具体包括温度传感器、IV转换器和运算放大器OPA，所述温度传感器用于采集雪崩光电二极管的温度信息，其输出端与IV转换器的输入端相连，IV转换器的输出端与运算放大器OPA的反相输入端相连，运算放大器OPA的输出端与高压驱动子模块的输入端相连，高压驱动子模块的输出端经电阻分压后与运算放大器OPA的同相输入端相连。

所述信号调理采集模块包括依次相连的TIA跨阻放大器、AGC自动增益电路、带通滤波器和模数转换器，所述跨阻放大器用于接收所述雪崩光电二级管输出的光电流信号并转换为电压信号，AGC自动增益电路对电压信号进行自适应增益，带通滤波器将增益后的电压信号按频率进行分离，所述模数转换器对分离后的信号进行采集并传递给控制模块。

优选的，时钟信号子模块芯片为Silicon Labs公司的SI5351B-B-GM，其最多可同步输出8路频率可调的高频正弦调制信号，雪崩光电二极管为First Sensor公司的AD230-8(#501079)，测距激光管和参考激光管均为ROHM公司的RLD63NZC5，高压驱动子模块芯片为Texas Instruments公司的TPS55340，跨阻放大器芯片为Texas Instruments公司的OPA657，模拟开关为Sgmicro公司的SGM3157YC6/TR。

采用上述系统对动态目标进行测距测速，如图2所示，具体包括如下步骤：

S1系统上电初始化，系统各模块处于上电复位状态；

S2主控芯片控制时钟信号子模块发出数路不同频率的高频正弦调制信号(这里以CLK0～CLK5六路信号为例)，其中三路CLK0～CLK2作为主振信号提供给主振合成器，另三路CLK3～CLK5作为本振信号提供给本振合成器；三路主振信号与直流驱动电路产生的偏置直流经主振合成器合成和放大后形成主振合成信号，并传递给半导体激光发射器；三路本振信号经本振合成器完成信号合成和放大后，与高压驱动子模块产生的高压信号一起输入雪崩光电二极管中，用于驱动雪崩光电二极管工作于线性模式，并为后续的电外差混频做好准备；

S3通过按键子模块控制模拟开关打向测距激光管，使其在主振合成信号的驱动下发出调制激光，该调制激光经待测目标反射后被雪崩光电二极管接收，得到测量激光信号，雪崩光电二极管在高压信号的驱动下，对测量激光信号和本振信号进行下混频输出得到测量光电流信号，该测量光电流信号由信号调理采集模块接收和处理后得到测量信号，并传递给主控芯片；

S4通过按键子模块控制模拟开关打向参考激光管，使测距激光管熄灭，同时使参考激光管在主振合成信号的驱动下发出调制激光，该调制激光通过内部反射镜反射后被雪崩光电二极管接收，得到参考激光信号，雪崩光电二极管在高压信号的驱动下，对参考激光信号和本振信号进行下混频输出得到参考光电流信号，该参考光电流信号由信号调理采集模块接收和处理后得到参考信号，并传递给主控芯片；

具体的，所述S3和S4中，雪崩光电二级管输出的光电流信号由TIA跨阻放大器接收并转换为电压信号，该电压信号经AGC自动增益电路进行自适应增益后，再由带通滤波器实现三种频率分量的分离，分离后的三种频率分量经三路并行高速A/D转换器实现信号的高速采样；另外，测距激光管和参考激光管所发射的调制激光信号在幅值、频率、相位等参数上均保持一致；

S5主控芯片先后得到三路测距信号和三路参考信号，然后采用基于快速傅里叶变换(FFT)或基于全相位频谱分析(ApFFT)的数字测相算法，实现相位-距离的换算以及多普勒频移-速度的换算，得到待测目标的距离信息和速度信息，并控制显示子模块实时显示动态目标的距离信息和速度信息；

S6若继续检测，则系统恢复初始化状态，等待下一次测量；若结束检测，则系统掉电，系统各模块停止工作，测量结束。

进一步的，整个测距测速过程中，温度传感器实时采集雪崩光电二极管的温度信息并产生电流信号，该电流信号经所述IV转换器转换为电压信号后输入运算放大器OPA的反相输入端，运算放大器OPA的同相输入端输入信号为高压驱动子模块经电阻分压后的电压信号，运算放大器OPA的输出信号用于实时调整高压驱动子模块的输出电压，实现雪崩光电二极管的温度自适应反向偏压调节，以实现雪崩光电二极管的最佳雪崩增益动态调节。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多频调制激光动态目标测距测速系统，其特征在于，包括控制模块、多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块，其中：

所述控制模块与所述多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块均相连；

所述多频调制模块包括时钟信号子模块、主振合成器、本振合成器、直流驱动电路和半导体激光发射器，其中，所述时钟信号子模块与所述主振合成器、本振合成器相连，用于给主振合成器、本振合成器提供调制信号；所述直流驱动电路、主振合成器、半导体激光发射器依次相连，所述半导体激光发射器包括测距激光管和参考激光管；

所述自适应偏压驱动模块包括接收镜片、雪崩光电二级管和高压驱动子模块，其中，所述接收镜片用于接收所述半导体激光发射器发出的激光信号并传递给所述雪崩光电二级管，所述雪崩光电二级管与所述高压驱动子模块和本振合成器相连，其在高压驱动子模块、本振合成器以及半导体激光发射器信号的共同作用下输出光电流信号；

所述信号调理采集模块用于接收和处理所述雪崩光电二级管输出的光电流信号，并传递给控制模块。

2.如权利要求1所述的多频调制激光动态目标测距测速系统，其特征在于，所述信号调理采集模块包括依次相连的跨阻放大器、带通滤波器和模数转换器，所述跨阻放大器用于接收所述雪崩光电二级管输出的光电流信号并转换为电压信号，所述带通滤波器将该电压信号按频率进行分离，所述模数转换器对分离后的信号进行采集并传递给控制模块。

3.如权利要求2所述的多频调制激光动态目标测距测速系统，其特征在于，所述信号调理采集模块还包括自动增益电路，其位于所述跨阻放大器和带通滤波器之间，用于对电压信号进行自适应增益。

4.如权利要求1所述的多频调制激光动态目标测距测速系统，其特征在于，所述自适应偏压驱动模块还包括依次相连的温度传感器、转换器和运算放大器，所述温度传感器用于采集雪崩光电二极管的温度信息并产生电流信号，该电流信号经所述转换器转换为电压信号后传递给运算放大器；所述运算放大器与所述高压驱动子模块相连，用于根据转换器传递的电压信号对高压驱动子模块的输出电压进行调整。

5.如权利要求1所述的多频调制激光动态目标测距测速系统，其特征在于，所述自适应偏压驱动模块还包括滤光片，该滤光片位于所述接收镜片和雪崩光电二级管之间，用于滤除背景光和杂散光的干扰。

6.如权利要求1-5任一项所述的多频调制激光动态目标测距测速系统，其特征在于，所述多频调制模块还包括模拟开关，其位于主振合成器和半导体激光发射器之间，用于控制主振合成器只为测距激光管和参考激光管中的一个提供信号。

7.一种多频调制激光动态目标测距测速方法，采用如权利要求1-6任一项所述的系统实现，其特征在于，包括如下步骤：

S1时钟信号子模块发出数路调制信号，其中一半作为主振信号提供给主振合成器，另一半作为本振信号提供给本振合成器；该主振信号与直流驱动电路产生的偏置直流经主振合成器合成和放大后形成主振合成信号，并传递给半导体激光发射器；同时本振信号经本振合成器合成和放大后与高压驱动子模块产生的高压信号一起输入雪崩光电二极管；

S2打开测距激光管，使其在主振合成信号的驱动下发出调制激光，该调制激光经待测目标反射后被雪崩光电二极管接收，得到测量激光信号，雪崩光电二极管在高压信号的驱动下，对测量激光信号和本振信号进行下混频输出得到测量光电流信号，该测量光电流信号由信号调理采集模块接收和处理后得到测量信号，并传递给控制模块；

S3关闭测距激光管，打开参考激光管，使其在主振合成信号的驱动下发出调制激光，该调制激光通过内部反射镜反射后被雪崩光电二极管接收，得到参考激光信号，雪崩光电二极管在高压信号的驱动下，对参考激光信号和本振信号进行下混频输出得到参考光电流信号，该参考光电流信号由信号调理采集模块接收和处理后得到参考信号，并传递给控制模块；

S4根据测量信号和参考信号即可得到待测目标的距离信息和速度信息。

8.如权利要求7所述的多频调制激光动态目标测距测速方法，其特征在于，所述S2和S3中，雪崩光电二级管输出的光电流信号由跨阻放大器接收并转换为电压信号，该电压信号经自动增益电路进行自适应增益后，再由带通滤波器按频率进行分离，该分离后的信号由模数转换器采集并传递给控制模块。

9.如权利要求7所述的多频调制激光动态目标测距测速方法，其特征在于，整个测距测速过程中，温度传感器实时采集雪崩光电二极管的温度信息并产生电流信号，该电流信号经转换器转换为电压信号后传递给运算放大器，运算放大器根据该电压信号对高压驱动子模块的输出电压进行实时调整。

10.如权利要求7所述的多频调制激光动态目标测距测速方法，其特征在于，所述S4中，根据测量信号和参考信号，采用基于快速傅里叶变换或基于全相位频谱分析的数字测相算法，得到待测目标的距离信息和速度信息。

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