CN205038348U - 相位式激光测距系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种相位式激光测距系统，包括：激光器，用于产生激光信号；发射信号单元，用于产生发射信号并对其依次进行幅度调整和功率放大后发送给激光器；回光接收单元，用于接收激光信号的反射信号；偏置驱动单元，用于为驱动激光器发射激光信号提供偏置电压；以及，控制器，用于输出占空比可调的PWM脉冲电压信号给偏置驱动单元形成偏置电压、接收反射信号；当控制器接收反射信号为弱反射时，控制器减小PWM脉冲电压信号的占空比，联动提高发射信号的幅度；当控制器接收反射信号为强反射时，控制器增大PWM脉冲电压信号的占空比，联动降低发射信号的幅度。本实用新型具有系统简单、抗干扰能力强、测距准确性高的优点。

Description

相位式激光测距系统

技术领域

本实用新型涉及激光测距领域，更具体地说，本实用新型涉及一种相位式激光测距系统。

背景技术

激光测距，是以激光器作为光源进行测距。由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与光电测距仪相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度，显著减少重量和功耗。

目前，激光测距可以分为脉冲式激光测距和相位式激光测距。脉冲式激光测距，测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间，光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。相位式激光测距是用无线电波段的频率度激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。

传统的相位式激光测距仪，测程一般是几厘米到几百米，动态范围极大，需要较高分辨率的模/数转换器或者在前端电路增加增益控制，且在弱目标场合，弱的发射信号往往淹没在噪声中，难以提取，系统抗干扰能力差。

实用新型内容

针对上述技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种相位式激光测距系统，根据反射信号的强弱，通过控制器联动调节PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)脉冲电压信号的占空比和调整发射信号的幅度，实现反射信号的幅度调节。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，本实用新型通过以下技术方案实现：

本实用新型所述的相位式激光测距系统，包括：激光器，用于产生激光信号；

发射信号单元，其用于产生发射信号，并对所述发射信号依次进行幅度调整和功率放大处理后发送给所述激光器；

回光接收单元，用于接收所述激光信号的反射信号；

偏置驱动单元，其连接到所述激光器，用于为驱动所述激光器发射激光信号提供偏置电压；以及，

控制器，其分别连接到所述激光器、发射信号单元、回光接收单元以及偏置驱动单元；用于输出占空比可调的PWM脉冲电压信号给所述偏置驱动单元形成所述偏置电压、接收所述回光接收单元发送的所述激光信号的反射信号；

其中，当所述控制器接收所述反射信号为弱反射时，所述控制器减小所述PWM脉冲电压信号的占空比，联动提高所述发射信号的幅度；当控制器接收所述反射信号为强反射时，所述控制器增大所述PWM脉冲电压信号的占空比，联动降低所述发射信号的幅度。

优选的是，发射信号单元包括：

时钟电路，用于产生所述发射信号；

程控增益电路，用于对所述时钟电路产生的所述发射信号进行幅度调整；以及，

信号驱动电路，用于对所述程控增益电路幅度调整后的发射信号进行功率放大；

其中，所述时钟电路、所述程控增益电路、所述信号驱动电路以及所述激光器依次连接，所述控制器分别连接到所述时钟电路的输入端、所述程控增益电路的输入端。

优选的是，所述信号驱动电路包括：第三三极管、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容以及电感；所述激光器包括发光二极管；其中，

所述第三三极管的基极通过依次串联的所述第七电阻、所述第四电容以及所述第八电阻连接到所述程控增益电路的频率输出端，集电极通过依次串联的第五电容和所述第九电阻连接到所述发光二极管的阴极，发射极接地；

所述第十电阻和所述第六电容串联后并联到所述第八电阻的两端；所述第八电阻与所述第六电容的公共端分别连接到所述第四电容和所述第十一电阻一端，所述第十一电阻另一端接地；

所述第十二电阻一端连接到所述第三三极管的基极，所述第十三电阻一端连接到所述第三三极管的集电极，所述第十二电阻另一端和所述第十三电阻另一端分别通过所述电感连接到电源，所述第十二电阻另一端和所述第十三电阻另一端的连接处还通过第七电容接地。

优选的是，所述偏置驱动单元包括第一三极管、第二三极管、第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻；其中，

第一三极管，其基极分别连接到第一电容一端、第一电阻一端、电源，发射极通过所述第二电阻接地；所述第一电容另一端接地，所述第一电阻另一端作为所述偏置电压的输入端连接到所述控制器；

第二三极管，其基极连接到所述第一三极管的集电极，发射极连接到电源，集电极分别连接到第三电阻一端、第四电阻一端；所述第三电阻另一端串联到所述第二电阻一端，所述第四电阻另一端串联到所述第二电容一端，所述第二电阻另一端、所述第二电容另一端分别接地；所述第四电阻和所述第二电容的公共端作为所述偏置驱动单元的输出端连接到所述激光器的输入端。

优选的是，所述偏置驱动单元还包括第十四电阻和第八电容；所述第十四电阻串联在电源和所述第一三极管的基极之间；所述第二三极管的集电极通过所述第八电容接地。

优选的是，所述激光器包括发光二极管、光电二极管、第五电阻、第六电阻、以及第三电容；其中，

所述发光二极管的阳极与所述偏置驱动单元的输出端连接，阴极通过所述第五电阻接地；

所述光电二极管的阴极与所述偏置驱动单元的输出端连接，阳极分别连接到所述第六电阻一端、第三电容一端以及控制器；所述第六电阻另一端和所述第三电容另一端分别接地。

优选的是，所述第一三极管是NPN型三极管，所述第二三极管是PNP型三极管。

本实用新型至少包括以下有益效果：

1)本实用新型根据控制器读取反射信号并判断强弱，再通过控制器联动调节偏置电压即PWM脉冲电压信号的占空比和调整发射信号的幅度，实现反射信号的幅度调节，不需额外的增益控制电路，提高了弱反射信号的幅度，增强系统抗干扰能力，具有系统简单、测距准确性高的优点；

2)本实用新型的发射信号单元包括产生发射信号的时钟电路、对发射信号进行幅度调整的程控增益电路以及对发射信号进行功率放大的信号驱动电路，实现产生发射信号，将依次进行幅度调整和功率放大的发射信号与偏置驱动单元的偏置电压发送给激光器，两者联动驱动激光器发射激光信号；并且，当控制器接收回光接收单元发送的反射信号并判断强弱后，根据强或者弱的反射信号，控制器通过程控增益电路对发射信号进行编程，实现对发射信号幅度以及激光器瞬时发光功率的进一步调节。

3)信号驱动电路中，第十电阻与第六电容串联后与第八电阻并联连接到程控增益电路输出端，具有改善信号驱动电路的高频补偿的作用；

4)信号驱动电路中，第四电容与第七电阻串联后接在第八电阻与第六电容并联输出端，用于阻抗匹配，降低辐射干扰，降低发射信号的能源损耗；

5)偏置驱动单元中，第二电阻和第三电阻串联后与第八电容并联，并联的第一公共端接到第二三极管的集电极，并联的第二公共端接地；第八电容滤除电源中的交流成分干扰，使得占空比可调的PWM脉冲电压信号更稳定；

6)偏置驱动单元的第一三极管是NPN型，第二三极管是PNP型，对PWM脉冲电压信号起到了很好的放大作用，提高了PWM脉冲电压信号的驱动负载能力。

7)激光器包括光电二极管，用于监测激光器的发光二极管的瞬时发光功率，并将瞬时发光功率发送到控制器，便于控制器通过对程控增益电路编程实现精确调整发射信号的幅度以及调节激光器的瞬时发光功率。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型所述的相位式激光测距系统的系统结构图；

图2为本实用新型所述的相位式激光测距系统的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本实用新型所述的相位式激光测距系统，包括：激光器10，用于产生激光信号；发射信号单元20，其用于产生发射信号，并对发射信号依次进行幅度调整和功率放大后发送给激光器10；回光接收单元30，用于接收激光信号的反射信号；偏置驱动单元40，其连接到10激光器，用于为驱动激光器10发射激光信号提供偏置电压；以及，控制器50，其分别连接到激光器10、发射信号单元20、回光接收单元30以及偏置驱动单元40；用于输出占空比可调的PWM脉冲电压信号给偏置驱动单元40形成偏置电压，接收回光接收单元30发送的激光信号的反射信号。

其中，发射信号是测尺频率为100M左右的正弦波，激光器10产生发光功率为1MW的激光信号，控制器50与偏置驱动单元40输入端之间设为偏置电压Veeb，发射信号单元20的输出端设为发射信号的频率输出端Fout。当控制器50接收回光接收单元30发送的反射信号为弱反射时，控制器50减小PWM脉冲电压信号的占空比、提高偏置电压Veeb，同时，控制器50联动提高发射信号的幅度，以增大激光器10的瞬时发光功率；当控制器50接收回光接收单元30发送的反射信号为强反射时，控制器50增大PWM脉冲电压信号的占空比、降低偏置电压Veeb，同时，控制器50联动降低发射信号的幅度，减小激光器10的瞬时发光功率。

本实施方式中，根据控制器50读取反射信号并判断其强弱，通过控制器50联动调节偏置电压Veeb即PWM脉冲电压信号的占空比和调整发射信号的幅度，实现激光器10产生激光信号的瞬时发光功率的调节以及反射信号的幅度调节，不需额外的增益控制电路，提高了弱反射信号的幅度，使得反射信号的幅度在一个比较合适的范围内，既不饱和又不太低，增强了相位式激光测距系统的抗干扰能力，具有系统简单、抗干扰能力强、测距准确性高的优点。

作为本实施方式的另一种实施方式，发射信号单元20包括：时钟电路21，用于产生发射信号；程控增益电路22，用于对时钟电路21产生的发射信号进行幅度调整；以及，信号驱动电路23，用于对程控增益电路22调整幅度后的发射信号进行功率放大；其中，时钟电路21、程控增益电路22、信号驱动电路23以及激光器10依次连接，控制器50分别连接到时钟电路21的输入端、程控增益电路22的输入端。控制器50控制时钟电路21，产生发射信号，程控增益电路22通过控制器50对时钟电路21产生的发射信号进行编程，实现发射信号幅度的调整，信号驱动电路23对调整幅度后的发射信号进行功率放大。依次进行幅度调整和功率放大的发射信号输送给激光器10，用于与偏置驱动单元40联动驱动激光器10产生激光信号。并且，当控制器50接收回光接收单元30发送的反射信号并判断强弱后，根据强或者弱的发射信号，控制器50通过程控增益电路22对发射信号进行编程，实现对发射信号幅度的调整以及激光器10瞬时发光功率的进一步调节。

作为本实施方式的另一种实施方式，信号驱动电路23具体包括：第三三极管Q3、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7以及电感L，激光器10包括发光二极管LD；其中，第三三极管Q3的基极通过依次串联的第七电阻R7、第四电容C4以及第八电阻R8连接到程控增益电路22的频率输出端Fout，集电极通过依次串联的第五电容C5和第九电阻R9连接到发光二极管LD的阴极，发射极接地。第十电阻R10和第六电容C6串联后并联到第八电阻R8的两端；第八电阻R8与第六电容C6的公共端分别连接到第四电容C4和第十一电阻R11一端，第十一电阻R11另一端接地.第十二电阻R12一端连接到第三三极管Q3的基极，第十三电阻R13一端连接到第三三极管Q3的集电极，第十二电阻R12另一端和第十三电阻R13另一端分别通过电感L连接到电源，第十二电阻R12另一端和第十三电阻R13另一端的连接处还通过第七电容C7接地。

本实施方式中，第十电阻R10与第六电容C6串联后与第八电阻R8并联连接到程控增益电路22的频率输出端Fout，具有改善信号驱动电路23的高频补偿的作用。第四电容C4与第七电阻R7串联后接在第八电阻R8与第六电容C6并联输出端，用于阻抗匹配，降低辐射干扰，降低发射信号的能源损耗。第三三极管Q3用于对发射信号进行放大。电源Vccb通过串联的电感L和第十三电阻R13连接到第三三极管Q3的集电极，具有改善信号驱动电路23的高频补偿的作用。第五电容C5和第九电阻R9串联到第三三极管Q3的集电极，用于隔离直流电流，提供正弦波的发射信号。

作为本实施方式的另一种实施方式，偏置驱动单元包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4；其中，第一三极管Q1，其基极分别连接到第一电容C1一端、第一电阻R1一端以及电源Vccb，发射极通过第二电阻R2接地；第一电容C1另一端接地，第一电阻R1另一端作为偏置电压的输入端Veeb连接到控制器50；第二三极管Q2，其基极连接到第一三极管Q1的集电极，发射极连接到电源Vccb，集电极分别连接到第三电阻R3一端、第四电阻R4一端；第三电阻R3另一端串联到第二电阻R2一端，第四电阻R4另一端串联到第二电容C2一端，第二电阻R2另一端、第二电容C2另一端分别接地；第四电阻R4和第二电容C2的公共端作为偏置驱动单元40的输出端连接到激光器10的输入端。

本实施方式中，第二电阻R2和第三电阻R3、第四电阻R4和第二电容C2分别串联后并联，为激光器10的发光二极管LD提供瞬态电流。第一三极管Q1是NPN型的BC847C，高电流增益，对PWM脉冲电压信号起到了很好的放大作用；第二三极管Q2是PNP型的FMMT718TA，高增益、低饱和电压，提高了PWM脉冲电压信号的驱动负载能力，第一三极管Q1和第二三极管Q2，控制无电流需求，使得输出最大电压接近供电电压。作为本实施例的优选方式，偏置驱动单元40还包括第十四电阻R14和第八电容C8；第十四电阻R14串联在电源Vccb和第一三极管Q1的基极之间；第二三极管Q2的集电极通过第八电容C8接地。第二电阻R2和第三电阻R3串联后与第八电容C8并联，并联的第一公共端接到第二三极管Q2的集电极，并联的第二公共端接地；第八电容C8滤除电源Vccb中的交流成分干扰，使得占空比可调的PWM脉冲电压信号更稳定。

作为本实施方式的另一种实施方式，激光器10包括发光二极管LD、光电二极管PD、第五电阻R5、第六电阻R6、以及第三电容C3；其中，发光二极管LD的阳极与偏置驱动单元40的输出端连接，阴极通过第五电阻R5接地。光电二极管PD的阴极与偏置驱动单元40的输出端连接，阳极分别连接到第六电阻R6一端、第三电容C3一端以及控制器50；第六电阻R6另一端和第三电容C3另一端分别接地。光电二极管PD用于监测发光二极管LD的瞬时发光功率，并将瞬时发光功率发送到控制器50，便于控制器50通过对程控增益电路22编程实现精确调整发射信号的幅度以及调节激光器的瞬时发光功率。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种相位式激光测距系统，其特征在于，包括：

激光器，用于产生激光信号；

发射信号单元，其用于产生发射信号，并对所述发射信号依次进行幅度调整和功率放大处理后发送给所述激光器；

回光接收单元，用于接收所述激光信号的反射信号；

偏置驱动单元，其连接到所述激光器，用于为驱动所述激光器发射激光信号提供偏置电压；以及，

控制器，其分别连接到所述激光器、发射信号单元、回光接收单元以及偏置驱动单元；用于输出占空比可调的PWM脉冲电压信号给所述偏置驱动单元形成所述偏置电压、接收所述回光接收单元发送的所述激光信号的反射信号；

其中，当所述控制器接收所述反射信号为弱反射时，所述控制器减小所述PWM脉冲电压信号的占空比，联动提高所述发射信号的幅度；当控制器接收所述反射信号为强反射时，所述控制器增大所述PWM脉冲电压信号的占空比，联动降低所述发射信号的幅度。

2.如权利要求1所述的相位式激光测距系统，其特征在于，发射信号单元包括：

时钟电路，用于产生所述发射信号；

程控增益电路，用于对所述时钟电路产生的所述发射信号进行幅度调整；以及，

信号驱动电路，用于对所述程控增益电路幅度调整后的发射信号进行功率放大；

其中，所述时钟电路、所述程控增益电路、所述信号驱动电路以及所述激光器依次连接，所述控制器分别连接到所述时钟电路的输入端、所述程控增益电路的输入端。

3.如权利要求2所述的相位式激光测距系统，其特征在于，所述信号驱动电路包括：第三三极管、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容以及电感；所述激光器包括发光二极管；其中，

所述第三三极管的基极通过依次串联的所述第七电阻、所述第四电容以及所述第八电阻连接到所述程控增益电路的频率输出端，集电极通过依次串联的第五电容和所述第九电阻连接到所述发光二极管的阴极，发射极接地；

所述第十电阻和所述第六电容串联后并联到所述第八电阻的两端；所述第八电阻与所述第六电容的公共端分别连接到所述第四电容和所述第十一电阻一端，所述第十一电阻另一端接地；

所述第十二电阻一端连接到所述第三三极管的基极，所述第十三电阻一端连接到所述第三三极管的集电极，所述第十二电阻另一端和所述第十三电阻另一端分别通过所述电感连接到电源，所述第十二电阻另一端和所述第十三电阻另一端的连接处还通过第七电容接地。

4.如权利要求1-3任一项中所述的相位式激光测距系统，其特征在于，所述偏置驱动单元包括第一三极管、第二三极管、第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻；其中，

第一三极管，其基极分别连接到第一电容一端、第一电阻一端、电源，发射极通过所述第二电阻接地；所述第一电容另一端接地，所述第一电阻另一端作为所述偏置电压的输入端连接到所述控制器；

第二三极管，其基极连接到所述第一三极管的集电极，发射极连接到电源，集电极分别连接到第三电阻一端、第四电阻一端；所述第三电阻另一端串联到所述第二电阻一端，所述第四电阻另一端串联到所述第二电容一端，所述第二电阻另一端、所述第二电容另一端分别接地；所述第四电阻和所述第二电容的公共端作为所述偏置驱动单元的输出端连接到所述激光器的输入端。

5.如权利要求4所述的相位式激光测距系统，其特征在于，所述偏置驱动单元还包括第十四电阻和第八电容；所述第十四电阻串联在电源和所述第一三极管的基极之间；所述第二三极管的集电极通过所述第八电容接地。

6.如权利要求5所述的相位式激光测距系统，其特征在于，所述激光器包括发光二极管、光电二极管、第五电阻、第六电阻、以及第三电容；其中，

所述发光二极管的阳极与所述偏置驱动单元的输出端连接，阴极通过所述第五电阻接地；

所述光电二极管的阴极与所述偏置驱动单元的输出端连接，阳极分别连接到所述第六电阻一端、第三电容一端以及控制器；所述第六电阻另一端和所述第三电容另一端分别接地。

7.如权利要求6所述的相位式激光测距系统，其特征在于，所述第一三极管是NPN型三极管，所述第二三极管是PNP型三极管。