CN115372942A - 一种激光测距仪回波处理电路 - Google Patents

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Abstract

本专利涉及一种激光测距仪回波处理电路，在激光测距仪的回波接收电路中加入了自动增益控制装置，自动控制该电路的输出增益，同时，利用自动增益控制装置的增益控制信号控制激光驱动电路的直流电压，调整激光器驱动电流，构成激光器驱动电流自调节装置。本专利的回波处理电路包括自动增益控制装置及激光器驱动电流自调节装置，能够自动将该电路的输出增益调整在适当范围内，保证输出电压的稳定性，提高了解算精度，改善了相位式测距仪的动态范围和环境适应性，同时该自动增益控制装置及激光器驱动电流自调节装置全部由电路构成，电路简单，成本低，适用于产品批量生产。

Description

一种激光测距仪回波处理电路
技术领域
本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种基于激光器驱动电流自调节和APD自动增益控制的相位式激光测距仪回波处理电路。
背景技术
相位式激光测距仪是一种通过激光收发信号相位差敏感距离的全固态精密器件，它利用激光单色性好、能量密度高以及抗干扰能力强的优点，根据激光在空间传播时调制信号的相位变化量来间接测量距离。相位式激光测距仪以其尺寸小、质量轻、调整方便、潜在成本低、潜在精度高的优势，在军事、工程、科学实验等领域取代了传统的测距系统，成为近距离精密测量的主流器件，并不断向高精度与大量程、 低功耗与小型化方向发展。目前，相位测距的方法是通过调制光强发射到非合作目标，测量调制的激光信号在待测距离上往返所形成的相移，得到激光信号往返于测量点与非合作目标之间的时间，再根据光速求出距离。
相位式激光测距仪不断向高精度与大量程方向发展。针对非合作目标，测距仪通过接收目标表面漫反射的回波信号实现测距。而漫反射得到的回波信号很微弱，需要对回波信号进行处理提高测距精度。在测距过程中，目标的远近会改变激光接收模块的信号幅值，因此，在动态范围较大的情况下，若输入光信号的功率变化较大，APD前置放大电路输出信号的幅值将不稳定。如果该幅值超出A/D转换器量程，可能损坏A/D转换器或得到错误的数字信号，从而解算错误。
现有的方案存在如下问题。一是动态范围小，激光器驱动电流范围和APD前置放大电路的放大倍数有限，针对远距离测距环境，APD输入的光信号功率弱，经APD前置放大电路后输出的信号信噪比低，随机游走较大，测距不准确，精度不高，因此限制了测试的距离。二是电路复杂，激光器驱动电路需要增加额外的A/D转换器、D/A转换器，并且信号处理滞后。
发明内容
本发明解决的技术问题：针对相位式激光测距仪大动态范围下，回波信号的功率变化大，APD前置放大电路信号不稳定，导致测距仪精度损失的问题，本发明提供了一种结合激光器驱动电流自调节和APD自动增益控制的回波处理电路，面对各种复杂的测距环境，能够将系统输出幅值稳定在一个恒定值上，从而尽可能减小精度损失，并且同时利用增益控制回路的输出信号控制激光器驱动电路，不需要额外的A/D转换器、D/A转换器，使电路结构得到简化。
本专利的激光测距仪回波处理电路，包括激光器、激光驱动电路、光电探测器、可变增益放大器、检波器、比较装置，光电探测器接收来自待测目标的光信号，可变增益放大器接收来自光电探测器的信号，并且接收比较装置的输出信号，检波器接收可变增益放大器的输出信号，比较装置接收一参考信号和检波器的输出信号，激光驱动电路接收来自比较装置的信号。
本专利的激光测距仪回波处理电路，还包括第一级运算放大器，第一级运算放大器设置在光电探测器和可变增益放大器之间，接收来自光电探测器的信号，第一级运算放大器的输出信号输入到可变增益放大器。
本专利的激光测距仪回波处理电路，还包括第二级运算放大器，第二级运算放大器设置在可变增益放大器之后，接收可变增益放大器的输出信号，并向下游输出信号。
本专利的激光测距仪回波处理电路，还包括第三级运算放大器，其设置在比较装置和激光驱动电路之间，用于接收比较装置的输出信号，激光驱动电路接收第三级运算放大器的输出信号。
本专利的激光测距回波处理电路，激光驱动电路包括三极管及配置阻容，输入正弦波调制信号
Figure 196763DEST_PATH_IMAGE001
，分别与激光器、第三级运算放大器、比较装置连接。
本专利的激光测距仪回波处理电路，还包括跨阻抗放大器和滤波器，设置在光电探测器和第一级运算放大器之间。
本发明的技术效果：本发明在传统的APD前置放大电路中加入了自动增益控制装置，自动控制该电路的输出增益，同时，利用自动增益控制装置的增益控制信号控制激光驱动电路的直流电压，调整激光器驱动电流，它们构成本专利的回波处理电路，自动将该电路的输出增益调整在适当范围内，保证输出电压的稳定性。如此保证了后续A/D转换器对光电信号进行采样时，可以得到更加真实的完整的回波信号，提高了解算精度，从而改善了相位式测距仪的动态范围和环境适应性。同时该自动增益控制装置及激光器驱动电流自调节装置全部由电路构成，电路简单，成本低，适用于产品批量生产。
附图说明
图1是本发明回波处理电路的功能框图。
图2是本发明自动增益控制回路的功能框图。
图中：1、光电探测器 2、跨阻放大器3、滤波器4、第一级运算放大器 5、自动增益控制回路6、第二级运算放大器 7、第三级运算放大器 8、激光驱动电路 9、激光器10、可变增益放大器 11、检波器 12、比较运算放大器 13、三极管。
具体实施方式
如图1所示，本专利的回波处理电路包括：
1、光电探测器，用于将光电探测器输出的光信号转为电流信号。
2、跨阻放大器，用于将电流信号转为电压信号。
3、滤波器，与跨阻放大器连接，用于滤掉上述电压信号中混频的高频信号及环境噪声。
4、第一级运算放大器，与滤波电路连接，用于初步放大电压信号。
5、自动增益控制回路。
6、第二级运算放大器，与可变增益放大器连接，用于进一步放大电压信号，以满足下游的A/D转换器要求。
7、第三级运算放大器，输入与作为比较装置的比较运算放大器的输出连接，输出与激光器的输入连接，用于处理激光器直流驱动信号。
8、激光驱动电路，用于驱动激光器。
9、激光器，用于发出激光。
如图2所示，本专利的自动增益控制回路包括：
10、可变增益放大器，与第一级运算放大器连接，用于按增益比例放大电压信号。
11、检波器，与可变增益放大器连接，用于识别信号的幅值信息。
12、比较运算放大器，输入与检波器连接，输出与可变增益放大器连接，用于处理增益控制信号并输出。
上述电路的原理图框图如图1所示，光电探测器1输入光电流
Figure 865641DEST_PATH_IMAGE002
，跨阻放大器2将
Figure 983639DEST_PATH_IMAGE003
转为电压信号
Figure 941231DEST_PATH_IMAGE004
，滤波器3对电压信号
Figure 271718DEST_PATH_IMAGE005
进行滤波得到
Figure 263945DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 959368DEST_PATH_IMAGE007
进入第一级运算放大器4得到
Figure 528890DEST_PATH_IMAGE008
。可变增益放大器10的输出端与第二级运算放大器6的输入端相连，同时与检波器11的输入端相连。因此，电压信号
Figure 69592DEST_PATH_IMAGE009
进入可变增益放大器10输出
Figure 916326DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 517071DEST_PATH_IMAGE011
一方面进入第二级运算放大器6得到
Figure 573889DEST_PATH_IMAGE012
，即A/D转换器的输入信号；另一方面进入检波器11，对其幅值进行提取，产生一个与输入信号
Figure 918283DEST_PATH_IMAGE013
成比例的直流输出电压
Figure 619523DEST_PATH_IMAGE014
。将
Figure 391169DEST_PATH_IMAGE015
输入作为比较装置的比较运算放大器12，与参考电压
Figure 932354DEST_PATH_IMAGE016
进行对比，得到二者差值的整合信号，即可变增益放大器10的增益控制信号
Figure 80438DEST_PATH_IMAGE017
。将
Figure 636184DEST_PATH_IMAGE018
输出到可变增益放大器10的增益控制端，即可控制可变增益放大器10的增益比例变化，输出幅值稳定的
Figure 844312DEST_PATH_IMAGE019
。同时，将
Figure 875722DEST_PATH_IMAGE020
输入第三级运算放大器7后，得到激光驱动电路的直流驱动电压
Figure 499601DEST_PATH_IMAGE021
。将正弦波调制电压通过激光器驱动电路8加载到直流驱动电压
Figure 237750DEST_PATH_IMAGE022
上，得到激光器驱动电流，即可以响应改变激光器光功率大小，扩大测量范围。
图2示出了自动增益控制回路的构成和连接。输入信号进入可变增益放大器，输出信号进入检波器得到输出信号的峰值电压，将该峰值电压与参考电压输入比较运算放大器。当峰值电压大于参考电压时，可变增益放大器具有最小增益；当峰值电压逐渐减小，小于参考电压后，可变增益放大器逐渐释放增益，让输出信号幅值保持稳定。同时，通过峰值电压和参考电压得到的增益控制信号进入第三级运算放大器，作为激光器驱动电压的直流信号耦合到三极管中，控制输出激光器驱动电流给激光器，从而控制激光功率的大小，在可变增益放大器增益倍数有限的情况下，进一步增大测距的有效范围。图2中三极管13为激光驱动电路，其集电极的输出为ILD，其发射极和基极都与比较运算放大器相连。
本发明的原理是:
将自动增益控制回路引入APD前置放大电路，由可变增益放大器组成反馈回路，通过可变增益放大器的输出提取电压信号的幅值，将该幅值与外部参考电压幅值作差，得到增益控制电压，根据比例系数自动调节可变增益放大器的增益。同时将增益控制电压作为激光器驱动电压的直流分量，调制激光器驱动电流，改变激光器输出的光功率大小。二者共同作用，保证回波信号输出幅值稳定。
当可变增益放大器的输入信号
Figure 413516DEST_PATH_IMAGE023
小于参考电压信号
Figure 338747DEST_PATH_IMAGE024
时，其输出信号
Figure 31897DEST_PATH_IMAGE025
，则反馈回路的输入电压为
Figure 624552DEST_PATH_IMAGE026
，产生控制信号
Figure 236799DEST_PATH_IMAGE027
控制其增益按一定关系增大，这样过弱的光信号经自动增益控制回路后，能得到适当放大。同时控制信号
Figure 914905DEST_PATH_IMAGE028
进入激光器驱动电路，得到一个比例增大的受控的驱动电流，激光器输出更大的光功率，二者共同作用，保证回波信号输出幅值稳定。
当可变增益放大器的输入信号
Figure 880587DEST_PATH_IMAGE029
大于参考电压信号
Figure 327749DEST_PATH_IMAGE030
时．其输出信号
Figure 110897DEST_PATH_IMAGE031
，则控制环路有输入电压
Figure 276299DEST_PATH_IMAGE032
，产生控制信号
Figure 45672DEST_PATH_IMAGE033
控制其增益按一定关系减小。这样过强的光信号经自动增益控制回路后，能得到适当缩小。同时控制信号
Figure 347340DEST_PATH_IMAGE034
进入激光器驱动电路，得到一个比例减小的受控的驱动电流，激光器输出更小的光功率，二者共同作用，保证系统的动态范围在A/D转换器量程内。
本发明是一种能实现大动态范围下回波信号稳定的电路，包括跨阻放大器、第一级运算放大器、自动增益控制回路、第二级运算放大器，第三级运算放大器，激光驱动电路。跨阻放大器将APD输出的光电流信号转换为电压信号，第一级运算放大器将以上电压信号进行放大，该放大信号经过自动增益控制回路输出一个幅值稳定的电压信号，再进入第二级运算放大器输出A/D转换器量程内的电压信号，进行后续处理。自动增益控制回路的增益控制信号同时进入第三级运算放大器，按比例处理后进入激光器驱动电路，调节激光器电流，从而控制激光器光功率输出，进一步扩大了回波信号的动态范围。

Claims (8)

1.一种激光测距仪回波处理电路，包括激光器、激光驱动电路、光电探测器、可变增益放大器、检波器、比较装置，光电探测器接收来自待测目标的光信号，可变增益放大器接收来自光电探测器的信号，并且接收比较装置的输出信号，检波器接收可变增益放大器的输出信号，比较装置接收一参考信号和检波器的输出信号，激光驱动电路接收来自比较装置的输出信号。
2.如权利要求1所述的激光测距仪回波处理电路，还包括第一级运算放大器，第一级运算放大器设置在光电探测器和可变增益放大器之间，接收来自光电探测器的信号，第一级运算放大器的输出信号输入到可变增益放大器。
3.如权利要求1或2所述的激光测距仪回波处理电路，还包括第二级运算放大器，第二级运算放大器设置在可变增益放大器之后，接收可变增益放大器的输出信号，并向下游输出信号。
4.如权利要求1或2所述的激光测距仪回波处理电路，还包括第三级运算放大器，其设置在比较装置和激光驱动电路之间，用于接收比较装置的输出信号，激光驱动电路接收第三级运算放大器的输出信号。
5.如权利要求3所述的激光测距仪回波处理电路，还包括第三级运算放大器，其设置在比较装置和激光驱动电路之间，用于接收比较装置的输出信号，激光驱动电路接收第三级运算放大器的输出信号。
6.如权利要求1所述的激光测距仪回波处理电路，激光驱动电路包括三极管及配置阻容，输入正弦波调制信号
Figure 630492DEST_PATH_IMAGE001
，分别与激光器、第三级运算放大器、比较装置连接。
7.如权利要求1所述的激光测距仪回波处理电路，还包括跨阻抗放大器和滤波器，设置在光电探测器和第一级运算放大器之间。
8.如权利要求1所述的激光测距仪回波处理电路，其中比较装置为比较运算放大器。
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