CN113504534B - 一种tof激光器的trtf性能测试系统及其工作方法 - Google Patents

一种tof激光器的trtf性能测试系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种TOF激光器的TRTF性能测试系统及其工作方法，涉及激光器性能测试技术领域，测试系统包括高压稳压电源、信号发生器、高速激光器驱动板、高速PD、示波器及计算机。高速激光器驱动板与TOF激光器连接，且其内设有信号加速电路、功率放大电路、GaN功率管；高压稳压电源用来给高速激光器驱动板提供驱动电压，信号发生器用来发送宽脉宽的脉冲到高速激光器驱动板；高速PD用来采集所述TOF激光器的光信号并传输至所述示波器；示波器将数据传输至计算机，以分析所述TOF激光器的TRTF性能。本发明提供的TOF激光器的TRTF性能测试系统及其工作方法，能够快速测试TOF激光器的TRTF性能，且测试精度高、结果可靠。

Description

一种TOF激光器的TRTF性能测试系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及激光器性能测试技术领域，尤其涉及一种TOF激光器的TRTF性能的测试系统以及工作方法。
背景技术
目前，TOF（光飞行时间）激光器的测距能力决定了未来其在更远距离的测试场景下的应用。TOF激光器未来将广泛运用于自动驾驶或辅助驾驶，需要实现100米以上的距离探测及3D成像。为了实现这个目标，就需要激光器达到100A以上的瞬时电流。
而大电流带来的是TOF激光器的功率大幅提升从而带来过热而损坏的可能；此外，大电流带来的光强也会对人眼造成损害。受到人眼安全和TOF激光器热量的制约，为了让TOF激光器在不伤害人眼和过热损坏的前提下实现更远距离的探测，就需要不断的压缩TOF激光器的平均功率。目前主流的解决思路，就是发送极窄脉宽的大电流脉冲，从而实现瞬时功率巨大而平均功率很小，不至于产生太大的热量和光强，损害激光器或人眼。
TRTF性能，全称Time of Rise and Time of Fall，是指TOF激光器上升至峰值功率、和从峰值功率下降到0的时间。TRTF性能是评估TOF激光器发送最窄脉冲宽度的主要性能，是半导体激光器的重要性能之一，TRTF时间对TOF激光器的测距能力起到至关重要的作用，因此，测试TOF激光器TRTF性能的需求十分重要，但目前还没有一种测试精度高、效率高且操作方便的测试系统及方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种TOF激光器的TRTF性能测试系统及其工作方法。
为实现上述技术效果，本发明的技术方案为：一种TOF激光器的TRTF性能测试系统，包括高压稳压电源、信号发生器、高速激光器驱动板、高速PD（光电二极管）、示波器及计算机。
所述高速激光器驱动板与所述高压稳压电源、所述信号发生器和TOF激光器连接，且高速激光器驱动板内设有信号加速电路、功率放大电路、GaN功率管；
所述高压稳压电源用来给高速激光器驱动板提供驱动电压，所述信号发生器用来发送宽脉宽的脉冲到高速激光器驱动板，然后通过所述信号加速电路对所述宽脉宽的脉冲进行加速成窄脉宽的脉冲；
所述功率放大电路用于将加速得到的窄脉宽的脉冲进行功率放大，以实现较强的驱动能力，快速驱动所述GaN功率管，进而驱动所述TOF激光器；
所述高速PD对应设在所述TOF激光器的上方，用来采集所述TOF激光器的光信号，并将其传输至所述示波器；所述示波器与所述计算机连接，计算机用于接收所述示波器传送的数据，并分析所述TOF激光器的TRTF性能。
优选的，所述宽脉宽的脉冲的脉宽为100um-1ms，所述窄脉宽的脉冲的脉宽为5ns-100ns。
此外，本申请还提供一种TOF激光器的TRTF性能测试系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用信号发生器发出宽脉宽的脉冲到高速激光器驱动板；
S2、高速激光器驱动板内的信号加速电路将所述宽脉宽的脉冲进行加速，对初始宽脉宽的脉冲信号进行上升沿下降沿的加速，以及调整整体脉宽；
S3、所述功率放大电路将加速得到的窄脉宽的脉冲进行功率放大并输出到GaN功率管；以快速驱动所述GaN功率管，进而驱动所述TOF激光器；
S4、采用高速PD对TOF激光器输出的光信号进行采集，并通过示波器读取，然后发送到计算机进行运算来测试TOF激光器的TRTF性能。
优选的，所述步骤S2中，采用一级比较器对初始宽脉宽的脉冲信号的上升沿和下降沿进行加速，通过一级比较器，输入宽脉宽的脉冲信号与1/2 VCC进行比较，超出1/2 VCC的输出高电平，低于1/2 VCC的输出低电平，从而产生上升沿和下降沿均达到ps级的脉冲信号；
采用二级比较器对初始宽脉宽的脉冲信号的宽度进行调节，输入的初始宽脉宽的脉冲信号直接发送到比较器A，在RC电路缓冲后发送到比较器B，从而达到脉冲信号宽度达到ns级的目标；其中RC电路缓冲后电压的公式为：
Vt=V0 + (V1+V0)*[1-exp(-t/RC)]
其中，Vt为t时刻电容上的电压值，V1为电容最终的电压值，V0为初始电压值。
优选的，所述步骤S2中，所述RC电路上的电阻的大小为100Ω-10kΩ。
优选的，所述步骤S3中，采用推挽式电路将窄脉宽的脉冲的高电平接VCC，低电平拉到GND，实现对窄脉宽的脉冲进行功率放大，并输出到GaN功率管。
优选的，所述步骤S4中，所述高速PD的带宽＞1G。
优选的，所述步骤S4中，所述高速PD采用10%~90%峰值电压的算法对TOF激光器输出的光信号的上升和下降时间进行采集。
优选的，所述步骤S4中，计算机在同一电压下对n次接收的数据进行平均后，计算平均值，其中n的取值范围为18-25，计算过程为：
Figure 925541DEST_PATH_IMAGE001
其中，Tr为上升时间；
Figure 69077DEST_PATH_IMAGE002
为第1次接收的示波器显示峰值的90%的时间点，
Figure 763102DEST_PATH_IMAGE003
为第1次接收的示波器显示峰值的10%的时间点，
Figure 724104DEST_PATH_IMAGE004
为第n次接收的示波器显示峰值的90%的时间点；
Figure 372254DEST_PATH_IMAGE005
为第n次接收的示波器显示峰值的10%的时间点；
高压稳压电源输出2~150V供电电压，查看不同电压下TOF激光器的TRTF能力，最终输出TOF激光器的TRTF性能参数表。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种TOF激光器的TRTF性能测试系统及其工作方法，测试系统包括高压稳压电源、信号发生器、高速激光器驱动板、高速PD、示波器及计算机，能够快速测试TOF激光器的TRTF性能，且测试精度高、结果可靠。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，
图2为信号加速电路示意图，
图3为宽脉宽的脉冲与窄脉宽的脉冲波形对比图，
图4为功率放大电路示意图，
图5为计算机对接收数据的处理过程示意图。
图中：1 信号发生器，2高速激光器驱动板，3高速PD，4高压稳压电源，5示波器，6计算机，7一级比较器，8二级比较器，a初始宽脉宽的脉冲波形，b窄脉宽的脉冲波形，c一级比较器调节后的脉冲波形，d窄脉宽的脉冲经功率放大后的脉冲波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
见图1至图4，一种TOF激光器的TRTF性能测试系统，包括高压稳压电源4、信号发生器1、高速激光器驱动板2、高速PD 3、示波器5及计算机6。信号发生器1与高速激光器驱动板2之间通过信号发生器输出线（SMA线，50Ω）连接，高速激光器驱动板2与高压稳压电源4之间通过高压电源供电线（双绞线，220V耐压）连接，高速PD 3与示波器5之间通过PD采集信号输出线（SMA线，50Ω）连接，示波器5与计算机6之间通过示波器信号线（USB线）连接。
所述高速激光器驱动板2与所述高压稳压电源4、所述信号发生器1和TOF激光器连接（TOF激光器固定在高速激光器驱动板2上，图中未示出），TOF激光器产生的激光波长范围为800-960nm，高速激光器驱动板2内设有信号加速电路、功率放大电路、GaN功率管（图中未示出）；
所述高压稳压电源4用来给高速激光器驱动板2提供驱动电压。所述信号发生器1用来发送宽脉宽的脉冲到高速激光器驱动板2，然后通过所述高速激光器驱动板2内的所述信号加速电路对所述宽脉宽的脉冲进行加速成窄脉宽的脉冲；其中，所述宽脉宽的脉冲的脉宽为100um-1ms，窄脉宽的脉冲的脉宽为5-100ns。所述信号发生器是1一个方波发生器，其发送的宽脉宽的脉冲高电平应达到2V以上，脉冲上升沿应少于10us以内；比如可采用MCU发出脉宽500us、周期10ms的PWM信号。
采用所述信号加速电路，可以大大降低系统对信号源质量的依赖，采用普通信号发生器、FPGA，甚至是单片机都可以为本系统提供信号输入，大幅降低系统的整体成本。
所述功率放大电路用于将加速得到的窄脉宽的脉冲进行功率放大，以实现较强的驱动能力，快速驱动所述GaN功率管（驱动时间在100ps以内），进而驱动所述TOF激光器；
所述高速PD 3对应设在所述TOF激光器的上方，用来采集所述TOF激光器的光信号，并将其传输至所述示波器5；所述示波器5与所述计算机6连接，计算机6用于接收所述示波器5传送的数据，并分析所述TOF激光器的TRTF性能。
此外，本申请还提供一种TOF激光器的TRTF性能测试系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用信号发生器1发出宽脉宽的脉冲到高速激光器驱动板2；
S2、高速激光器驱动板2内的信号加速电路将所述宽脉宽的脉冲进行加速，对初始宽脉宽的脉冲信号进行上升沿下降沿的加速，以及调整整体脉宽；
该步骤中，采用一级比较器7对初始宽脉宽的脉冲信号的上升沿和下降沿进行加速，通过一级比较器7，输入信号与1/2 VCC进行比较，超出1/2 VCC的输出高电平，低于1/2VCC的输出低电平，从而产生上升沿和下降沿均达到ps级的脉冲信号；
采用二级比较器8对初始宽脉宽的脉冲信号的宽度进行调节，输入的初始宽脉宽的脉冲信号直接发送到比较器A，在RC电路缓冲后发送到比较器B，从而达到脉冲信号宽度达到ns级的目标；其中RC电路缓冲后电压的公式为：
Vt=V0 + (V1+V0)*[1-exp(-t/RC)]
其中，Vt为t时刻电容上的电压值，V1为电容最终的电压值，V0为初始电压值，在本应用中为0。此外，为了控制输出的电压，需要控制RC电路上的电阻的大小为100Ω-10kΩ，以达到输出电压的脉宽。
经过加速，可以产生上升沿和下降沿达到100ps以内、脉宽5-100ns的5V脉冲信号（即加速成窄脉宽的脉冲）。
S3、所述功率放大电路将加速得到的窄脉宽的脉冲进行功率放大并输出到GaN功率管；以快速驱动所述GaN功率管，进而驱动所述TOF激光器；
由于二级比较器输出的窄脉宽的脉冲信号不具备较强的输出功率，因此需要进一步对其进行功率放大，具体的，采用推挽式电路将窄脉宽的脉冲的高电平接VCC，低电平拉到GND，实现对窄脉宽的脉冲进行功率放大，并输出到GaN功率管。经过功率放大的窄脉宽的脉冲信号可以实现对GaN功率管的良好控制。
S4、采用高速PD 3对TOF激光器输出的光信号进行采集，并通过示波器5读取，然后发送到计算机6进行运算来测试TOF激光器的TRTF性能。
该步骤中，为了减少电路上的干扰，不直接对TOF激光器的电性能进行测试，而是采用非接触式的光波形进行测试，即采用高速PD 3对TOF激光器的输出光进行采集，并通过示波器5读取输出光波形，示波器5截取光波形后，发送到计算机6进行运算。
具体的，所述高速PD 3的带宽＞1G。
见图5，所述高速PD 3采用10%~90%峰值电压的算法对TOF激光器输出的光信号的上升和下降时间进行采集。为了运算结果的精确性，计算机6在同一电压下对n次接收的数据进行平均后，计算平均值，其中n的取值范围为18-25，计算过程为：
Figure 178536DEST_PATH_IMAGE006
其中，Tr为上升时间；
Figure 228532DEST_PATH_IMAGE002
为第1次接收的示波器显示峰值的90%的时间点，
Figure 94857DEST_PATH_IMAGE003
为第1次接收的示波器显示峰值的10%的时间点，
Figure 230303DEST_PATH_IMAGE004
为第n次接收的示波器显示峰值的90%的时间点；
Figure 840276DEST_PATH_IMAGE005
为第n次接收的示波器显示峰值的10%的时间点；
高压稳压电源4输出2~150V供电电压，查看不同电压下TOF激光器的TRTF性能，最终输出TOF激光器的TRTF性能参数表。
TRTF参数表包含了2~150V输入电压下TOF激光器的TR和TF的时间值，通过TRTF参数表可直接判断TOF激光器的TRTF性能。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部分的结构关系而确定的关系词，不能理解为对本公开的限制。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种TOF激光器的TRTF性能测试系统的工作方法，其特征在于，所述测试系统包括高压稳压电源、信号发生器、高速激光器驱动板、高速PD、示波器及计算机；
所述高速激光器驱动板与所述高压稳压电源、所述信号发生器和TOF激光器连接，且高速激光器驱动板内设有信号加速电路、功率放大电路、GaN功率管；
所述高压稳压电源用来给高速激光器驱动板提供驱动电压，所述信号发生器用来发送宽脉宽的脉冲到高速激光器驱动板，然后通过所述信号加速电路对所述宽脉宽的脉冲进行加速成窄脉宽的脉冲；
所述功率放大电路用于将加速得到的窄脉宽的脉冲进行功率放大，以实现较强的驱动能力，快速驱动所述GaN功率管，进而驱动所述TOF激光器；
所述高速PD对应设在所述TOF激光器的上方，用来采集所述TOF激光器的光信号，并将其传输至所述示波器；所述示波器与所述计算机连接，计算机用于接收所述示波器传送的数据，并分析所述TOF激光器的TRTF性能；
所述测试系统的工作方法包括以下步骤：
S1、采用信号发生器发出宽脉宽的脉冲到高速激光器驱动板；
S2、高速激光器驱动板内的信号加速电路将所述宽脉宽的脉冲进行加速，对初始宽脉宽的脉冲信号进行上升沿下降沿的加速，以及调整整体脉宽；
S3、所述功率放大电路将加速得到的窄脉宽的脉冲进行功率放大并输出到GaN功率管；以快速驱动所述GaN功率管，进而驱动所述TOF激光器；
S4、采用高速PD对TOF激光器输出的光信号进行采集，并通过示波器读取，然后发送到计算机进行运算来测试TOF激光器的TRTF性能；
其中所述步骤S4中，所述高速PD采用10％～90％峰值电压的算法对TOF激光器输出的光信号的上升和下降时间进行采集。
2.根据权利要求1所述的TOF激光器的TRTF性能测试系统的工作方法，其特征在于，所述宽脉宽的脉冲的脉宽为100um-1ms，所述窄脉宽的脉冲的脉宽为5-100ns。
3.根据权利要求1所述的TOF激光器的TRTF性能测试系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用一级比较器对初始宽脉宽的脉冲信号的上升沿和下降沿进行加速，通过一级比较器，输入宽脉宽的脉冲信号与1/2VCC进行比较，超出1/2VCC的输出高电平，低于1/2VCC的输出低电平，从而产生上升沿和下降沿均达到ps级的脉冲信号；
采用二级比较器对初始宽脉宽的脉冲信号的宽度进行调节，输入的初始宽脉宽的脉冲信号直接发送到比较器A，在RC电路缓冲后发送到比较器B，从而达到脉冲信号宽度达到ns级的目标；其中RC电路缓冲后电压的公式为：
Vt＝V0+(V1+V0)*[1-exp(-t/RC)]
其中，Vt为t时刻电容上的电压值，V1为电容最终的电压值，V0为初始电压值。
4.根据权利要求3所述的TOF激光器的TRTF性能测试系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述RC电路上的电阻的大小为100Ω-10kΩ。
5.根据权利要求1所述的TOF激光器的TRTF性能测试系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用推挽式电路将窄脉宽的脉冲的高电平接VCC，低电平拉到GND，实现对窄脉宽的脉冲进行功率放大，并输出到GaN功率管。
6.根据权利要求1所述的TOF激光器的TRTF性能测试系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述高速PD的带宽＞1G。
7.根据权利要求1所述的TOF激光器的TRTF性能测试系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S4中，计算机在同一电压下对n次接收的数据进行平均后，计算平均值，其中n的取值范围为18-25，计算过程为：
Figure FDA0003326117990000031
其中，Tr为上升时间；t190％Vmax为第1次接收的示波器显示峰值的90％的时间点，t110％Vmax为第1次接收的示波器显示峰值的10％的时间点，tn90％Vmax为第n次接收的示波器显示峰值的90％的时间点；tn10％Vmax为第n次接收的示波器显示峰值的10％的时间点；
高压稳压电源输出2～150V供电电压，查看不同电压下TOF激光器的TRTF能力，最终输出TOF激光器的TRTF性能参数表。
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