CN204422755U - 一种新型高速高精度激光测距系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型高速高精度激光测距系统，该系统的主要由以下几部分组成：激光发射电路、光信号检测电路、计时电路、主控电路、数据传输及处理电路；激光发射电路在触发信号的控制下对激光器进行调制，利用高速脉冲电流源驱动半导体激光器，发射高重复频率的激光脉冲对目标物距离进行测量；计时电路与主控电路连接，主控电路对计时电路的时间数据进行处理，将时间数据转化为距离数据，同时负责协同整个系统的工作；数据传输电路作为系统与外围的接口电路，负责系统与上位机之间的数据传输与下载。

Description

一种新型高速高精度激光测距系统

技术领域

本实用新型属于激光测距技术的具体应用，尤其涉及一种新型高速高精度激光测距系统。

背景技术

激光扫描成像技术是一种新型表面探测技术，它能够利用目标物的多次测量来获取目标物的回波能量强度、空间距离、运动速度及表面特征等多重信息，从而得到目标物的多种实三维图像信息，如强度像、距离像、多普勒像等。近年来随着激光技术、激光接收技术的快速发展，以及各研究领域对高精度探测应用需求的日益增长，高精度高分辨率的激光测距技术正在越来越多的受到人们的关注，激光扫描成像技术是利用传统的遥感手段与先进的激光的激光测距技术相结合形成的一种新技术。它能够有效的给出目标物的三维位置和地面影像的一体化信息，成为相关领域中一个最前沿的发展方向。激光扫描成像技术是基于高速激光测距技术，利用激光对目标物进行逐点扫描完成测量。通过测量激光发射与接收之间的时间间隔或者相位变化得到地面和测量平台之间的距离。

然而由于激光扫描测量系统要求激光的发射频率很高，因此普通的激光测距技术难以满足高重频工作的需求。为适应发展的新需求，研究人员开始致力于研究能够实现高重复频率测距要求的激光测距机，其核心便是高精度高重复频率半导体激光器测距机的研究。目前国内外已有多家单位和机构开始研究小型半导体激光测距系统，国际上开展了波长在800nm~900nm范围内、脉冲宽度20~50ns、重复频率1Hz~10kHz、无合作目标的近距离激光测距机的研究。激光测距技术正在朝着高重频、小型化、低功耗、高精度的方向发展，成为未来激光扫描测距技术的重要发展方向。基于上述背景，该发明提供了一种具有高精确度、高可靠性、成本低廉以及低功耗的一种新型高速高精度激光测距系统，在30m的测距范围实现了重复频率36kHz的距离测量，最终测距精度达到+6cm，实现了激光测距的高速化和高精度化。

发明内容

针对现有激光测距高速高精度的发展趋势，以及现有激光测距系统精度较低反应速度较慢的实际情况，本实用新型的目的在于，提供一种用于扫描成像的高速、高精度、可靠性好、成本低廉以及低功耗的激光测距系统。

为了实现上述任务，本实用新型采用如下的技术解决方案：

一种新型高速高精度激光测距系统，其特征在于，包括激光发射电路、光信号检测电路、计时电路、主控电路、数据传输电路模块；具体的，所述的激光发射电路在触发信号的控制下对激光器进行调制，利用高速脉冲电流源驱动半导体激光器，发射高重复频率的激光脉冲信号，所述的光信号检测电路能够接收经目标物反射后的激光脉冲信号，同时将反射信号放大并转化成电压信号，进而输出到所述的计时电路进行处理，所述的计时电路通过逻辑门电路的传输延时来实现对时间的测量，所述的主控电路通过与计时电路之间的数据传输与交互可以得到目标物的距离信息；激光发射电路与电源连接，其输出端口与计时电路的输入端口连接，光信号检测电路输出端口与计时电路的输入端口连接，计时电路与主控电路之间双向连接并进行数据交换，主控电路又同电源以及数据传输电路连接。

在该高速高精度激光测距系统中，所述的激光发射电路包括激光驱动电路、倍压电路、功率放大电路、MOSFET驱动电路；所述的激光驱动电路以激光二极管为核心元件，实现激光脉冲的发射，发射激光光谱中心波长为905nm，采用InGaAs/GaAs作为工作介质，有效发光面积为235um×10um，发光效率为2.6W/A；所述的倍压电路与电源模块连接，设计为DC-DC直流倍压方式，将输入的+12V电压转化为+12~48V的电压输出，用来调整通过调节震荡电压的变化实现输出电流峰值功率的调节；采用美信公司生产的MAX1771电源芯片为核心设计驱动的倍压电路，所述的功率放大电路与倍压电路输出脚直接相连，在驱动信号的控制下产生不同的电流值；所述的MOSFET驱动电路选用IXYS公司生产的一款超快功率MOSFET驱动芯片，内部采用互补推挽电流放大电路结构，最大工作频率高达45MHz，MOSFET的开启时间为300ps，MOSFET驱动芯片与MOSFET驱动电路之间采用直接耦合的方式连接，所述的MOSFET驱动电路用于驱动功率MOSFET工作，对输入的触发信号进行放大，能够瞬间完成对MOSFET极间电容的充电，保证其有较快的开启速度，MOSFET驱动电路输出端与功率放大电路输入端连接，功率放大电路的输出端接入激光驱动电路的输入端。

在该高速高精度激光测距系统中，所述的光信号检测电路包括信号接收单元和信号放大电路两部分；所述的信号接收单元利用高速响应的APD（光电探测器）提供偏置高压使其处于雪崩状态来获得高的电流增益，所述的APD与射极跟随器的输入级相连，在激光的照射下，APD产生光电流输出；所述的信号放大电路为多级放大电路，其中包括了前级放大电路和后级放大电路，系统交叉采用两种不同极性的高速晶体管完成放大电路的搭建。

在该高速高精度激光测距系统中，所述的主控电路以ARM处理器STM32F103ZET6为主控芯片，通过SPI串行输出总线与所述的计时电路进行数据传输，STM32F103ZET6主控芯片采用哈佛结构，内部集成512K闪存及20K字节SRAM，最大工作频率可以达到72MHz。具有2个12位AD转换器，1个7通道DMA转换器，7个定时器，9个数据通道及高达80个I/O接口，拥有独立的数据总线和指令总线，能够支持高度成功的Thumb-2指令集，效率极高。

实用新型的有益效果是：

本实用新型由激光发射电路、光信号检测电路、计时电路、主控电路、数据传输电路几部分组成；所述的激光发射电路在触发信号的控制下对激光器进行调制，利用高速脉冲电流源驱动半导体激光器，发射高重复频率的激光脉冲信号，所述的光信号检测电路能够接收经目标物反射后的激光脉冲信号，同时将反射信号放大并转化成电压信号，进而输出到所述的计时电路进行处理，所述的计时电路通过逻辑门电路的传输延时来实现对时间的测量，所述的主控电路通过与计时电路之间的数据传输与交互可以得到目标物的距离信息。

通过模块化设计，对系统中的激光发射电路、光信号检测电路、计时电路、主控电路、数据传输电路等电路进行逐一的实现，实现了各模块在系统中的特定功能。

本实用新型在30m的测距范围内最终实现了重复频率36kHz的距离测量，最终测距精度达到+6cm，实现了激光测距的高速化和高精度化。本发明以其可靠的设计，强大且快速的处理能力和简单的结构及低廉的成本实现了一种新型高速高精度激光测距系统，有效的提升了激光测距系统的测距精度和速度。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。

图1是高速高精度扫描成像激光测距系统框图；

图2是激光发射电路框图；

图3是激光驱动电路等效模型图；

图4是倍压电路原理图；

图5是MOSFET驱动电路原理图；

图6是APD（光电探测器）工作电路图；

图7是放大电路工作示意图。

具体实施方式

图1是高速高精度扫描成像激光测距系统框图，其工作过程为：所述的激光发射电路在触发信号的控制下对激光器进行调制，利用高速脉冲电流源驱动半导体激光器，发射高重复频率的激光脉冲信号，所述的光信号检测电路能够接收经目标物反射后的激光脉冲信号，同时将反射信号放大并转化成电压信号，进而输出到所述的计时电路进行处理，所述的计时电路通过逻辑门电路的传输延时来实现对时间的测量，所述的主控电路通过与计时电路之间的数据传输与交互可以得到目标物的距离信息，以此完成对目标物进行激光测距的目的。

图2是激光发射电路框图，所述的激光发射电路包括：激光驱动电路、倍压电路、功率放大电路、MOSFET驱动电路；所述的激光发射电路在触发信号的控制下对激光器进行调制，利用高速脉冲电流源驱动半导体激光器，发射高重复频率的激光脉冲对目标物距离进行测量，一个触发脉冲将控制激光器发射一个激光脉冲。

图3是激光驱动电路等效模型图，所述的激光驱动电路以激光二极管激光二极管为核心元件，实现激光脉冲的发射，发射激光光谱中心波长为905nm，采用InGaAs/GaAs作为工作介质，有效发光面积为235um×10um，发光效率为2.6W/A。

图4是倍压电路原理图，所述的倍压电路设计为DC-DC直流倍压方式，将输入的+12V电压转化为+12~48V的电压输出，采用美信公司生产的MAX1771电源芯片为核心设计驱动的倍压电路，所述的倍压电路工作时分为充电和续流两种状态，充电时Q1导通，L1、Q1和R15构成充电回路，Q1关闭时电路进入续流阶段，此时电感中的电流将因为电感自身的电流保持特性按照原有的流向缓慢减小到零，电感只能通过新电路放电，即电感开始通过二极管给电容充电，使电容两端电压升高，由于二极管D6单向导电的特性，电容上的电压可以高于Vin，从而实现调压。

图5是MOSFET驱动电路原理图，所述的MOSFET驱动电路选用IXYS公司生产的一款超快功率MOSFET驱动芯片，内部采用互补推挽电流放大电路结构，最大工作频率高达45MHz，MOSFET的开启时间为300ps，驱动芯片与MOSFET之间采用直接耦合的方式连接。

图6是APD（光电探测器）工作电路图，所述的APD与射极跟随器的输入级相连，在激光的照射下，APD产生光电流输出，输出的光电流作输入至晶体管的基极称为基极电流。晶体管Q能够对光电流进行二次放大，放大后的电流将在晶体管的射极电阻R3上形成电压信号输出。R2为耦合电阻，阻值取为几十欧，用于防止光电流震荡；集电极电阻R1与R3一同限制晶体管的最大电流。C1、C2为电源滤波电容，用于减小电源噪声。R4为限流电阻，能够限制APD工作时的电流，对APD起到保护作用。

图7是放大电路工作示意图，所述的信号放大电路为多级放大电路，其中包括了前级放大电路和后级放大电路，系统交叉采用两种不同极性的高速晶体管完成放大电路的搭建，前级放大电路用于对APD所产生的信号进行初次放大，当输出电流为10uA时经过前级放大电路放大后输出的信号幅值只有50mV，仍然不能后续电路处理的要求，因此需要后级放大电路对输出信号进行二次放大。

除了上述以外本实用新型所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。虽然本实用新型是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本实用新型的精神和范围内，还可对本实用新型做出多种改动和变动。

Claims (4)

1.一种新型高速高精度激光测距系统，其特征在于：所述的高速高精度扫描成像激光测距系统由激光发射电路、光信号检测电路、计时电路、主控电路、数据传输电路模块组成；激光发射电路与电源连接，其输出端口与计时电路的输入端口连接，光信号检测电路输出端口与计时电路的输入端口连接，计时电路与主控电路之间双向连接并进行数据交换，主控电路又同电源以及数据传输电路连接。

2.如权利要求1所述的高速高精度激光测距系统，其特征在于，所述的激光发射电路在触发信号的控制下对激光器进行调制，利用高速脉冲电流源驱动半导体激光器，发射高重复频率的激光脉冲对目标物距离进行测量。

3.如权利要求1所述的高速高精度激光测距系统，其特征在于，所述的激光发射电路包括激光驱动电路、倍压电路、功率放大电路、MOSFET驱动电路；所述的激光驱动电路以激光二极管为核心元件，实现激光脉冲的发射；所述的倍压电路与电源模块连接，设计为DC-DC直流倍压方式，将输入的+12V电压转化为+12~48V的电压输出，用来调整通过调节震荡电压的变化实现输出电流峰值功率的调节；所述的功率放大电路与倍压电路输出脚直接相连，在驱动信号的控制下产生不同的电流值；所述的MOSFET驱动电路用于驱动功率MOSFET工作，对输入的触发信号进行放大，能够瞬间完成对MOSFET极间电容的充电，保证其有较快的开启速度，MOSFET驱动电路输出端与功率放大电路输入端连接，功率放大电路的输出端接入激光驱动电路的输入端。

4.如权利要求1所述的高速高精度激光测距系统，其特征在于，所述的光信号检测电路完成光电信号转化的过程，包括信号接收单元和信号放大电路两部分；所述的信号接收单元利用高速响应的APD提供偏置高压使其处于雪崩状态来获得高的电流增益，实现对微弱的返回光信号的接收和检测；所述的信号放大电路为多级放大电路，其中包括了前级放大电路和后级放大电路。