CN206684299U - 一种大量程高速高精度激光测距系统 - Google Patents

Abstract

一种大量程高速高精度激光测距系统，其包括有主控制模块，显示电路模块，键盘电路模块，激光二极管高压驱动电路模块，脉冲激光发射电路模块，雪崩光电二极管光电转换电路模块，前级跨阻电路模块，自动增益控制放大电路模块，时间鉴别电路模块其中，激光二极管高压驱动电路模块与脉冲激光发射电路模块电控联接，激光二极管高压驱动电路模块与所述主控制模块电控联接；雪崩光电二极管光电转换电路模块，前级跨阻电路模块，自动增益控制放大电路模块及时间鉴别电路模块依次电控联接后与主控制模块电控联接，在雪崩光电二极管光电转换电路还联接有崩光电二极管高压偏置电路模块，光电二极管高压偏置电路模块与主控制模块电控联接。

Description

一种大量程高速高精度激光测距系统

技术领域

本实用新型涉及激光测距设备制造领域，特别涉及一种大量程高速高精度激光测距系统。

背景技术

随着当代电子技术的不断发展及普及，测距产品在日常生活以及工业控制领域的应用日益广泛，精度以及量程作为测距仪的重要性能指标越来越受到市场的重视，业内为提升测距仪这两项指标而使出的手段也是层出不穷，多种多样。

传统的测距方法有测远标定法，双光路误差抵消法，放大电路AGC法，AGC即为Automatic Gain Control(自动增益控制)。测远标定法在硬件电路上以提高量程作为电路目标，主要以提高发射功率，采用较大且固定的接收放大增益，来达到提高测程的目的，但远距离虽然测到了，但近距离或者高反射时信号出现饱和失真，展宽失真等，此时测距误差较大，最终只能通过软件多点标定的办法来弥补不足，但在高低反射物间切换扔存在较大误差。双光路误差抵消法是在标定法的基础上采用APD(Avalanche photodiode雪崩光电二极管)增益调整或LD(激光二极管)功率调整来保证近距离或高反射情况下信号不会出现饱和失真等问题，同时外光路增益改变时内光路基准能同步改变增益从而抵消增益调整带来的误差，做到既保证信号调整又不失去精度。但往往在实际应用中，只调整APD增益是远远不够的，信号在极限情况下的差异还是过大，不能满足超大量程，高精度的要求。放大电路AGC法，此方式在双光路法的基础上，在接收放大电路上做一级AGC电路来实现增益调整度扩大，同样的由于近距离或者高反时，在前级跨阻部分信号已经出现饱和、展宽，后级AGC已经失去作用，表现出的性能依然不能满足要求。

由于测量精度和量程在测距仪的性能表现上基本上是矛盾的关系，原因一，测量距离近信号信噪比较高，精度高，测量距离远信号信噪比较差，精度差。原因二，为了增加测程，将发射功率提高同时将接收电路的增益提高，采用该方法时又会引人另一个问题，那就是距离近的时候由于光信号过强导致的接收信号失真，该问题会导致测距仪的盲区变大。

传统的测距，信号处理方式过于保守，接收信号调整度较小，从而导致测距量程小或者测距精度较差，如何使接收信号调整度大，系统量程最大化，非线性失真最小化使目前激光测距亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供一种接收信号调整度大，系统量程高，非线性失真小的激光测距系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种大量程高速高精度激光测距系统，其特征在于包括有主控制模块，显示电路模块，键盘电路模块，激光二极管高压驱动电路模块，脉冲激光发射电路模块，雪崩光电二极管光电转换电路模块，前级跨阻电路模块，自动增益控制放大电路模块，时间鉴别电路模块，其中，显示电路模块与键盘电路模块分别与所述主控制模块控制联接，激光二极管高压驱动电路模块与脉冲激光发射电路模块电控联接，激光二极管高压驱动电路模块与所述主控制模块电控联接；雪崩光电二极管光电转换电路模块，前级跨阻电路模块，自动增益控制放大电路模块及时间鉴别电路模块依次电控联接后与所述主控制模块电控联接，在雪崩光电二极管光电转换电路还联接有崩光电二极管高压偏置电路模块，光电二极管高压偏置电路模块与所述主控制模块电控联接。

进一步地，激光二极管高压驱动电路模块包括带有反馈控制的发射高压驱动电路，该电路使用PWM芯片构成BOOST升压电路，所述主控制模块通过控制反馈回路中的电压值来实现发射高压值的调节。

进一步地，雪崩光电二极管高压偏置电路模块包括由主控制模块控制的BOOST升压电路，主控制模块通过输出不同占空比的PWM波形控制BOOST升压电路的高压值的调节。

进一步地，前级跨阻电路模块包括使用前级跨阻芯片将雪崩光电二极管转换出的电流信号转换为电压信号的转换电路，在该转换电路中设有多路复用器，所述主控制模块通过控制多路复用器实现跨阻增益调节。

进一步地，自动增益控制放大电路模块包括两个可变增益放大器级联组成的放大电路，通过控制可变增益控制放大器的增益控制引脚调节信号增益倍数。

进一步地，发射高压驱动电路包括有MOSFET管，PWM芯片，MOSFET管为N沟道MOSFET管FDC2512，PWM芯片为紧凑型的BOOST升压电路控制器MAX1523。

进一步地，雪崩光电二极管高压偏置电路包括有MOSFET管，高速开关二极管，MOSFET管为N沟道MOSFET管BSS123，高速开关二极管采用BAV99。

进一步地，自动增益控制放大电路模块中包括有可变增益放大器、电压跟随器，可变增益放大器采用AD603ARZ，电压跟随器采用OPA695IDBVT。

本实用新型的技术效果是：通过设置多级控制电路，在每一级控制电路适当提高增益，通过合理的补偿并将每一级补偿合理的叠加。通过利用本实用新型的测距系统后，与传统的测距系统在增益调节方面的措施对比，可以控制导致测距系统所接收信号变化的主要因素，可以做到更大程度的控制接收信号的调整度，做到同一光学系统下测得更远，精度更高，很大程度上提升了产品的检测性能。利用本实用新型所制作的测距仪可适应恶劣的测量环境，在这种情况下依然可以获得较准确的检测数据。通过利用本实用新型的测距系统后，与传统的测距系统在增益调节方面的措施对比，可以控制导致测距系统所接收信号变化的主要因素，可以做到更大程度的控制接收信号的调整度，做到同一光学系统下测得更远，精度更高，很大程度上提升了产品的检测性能。利用本实用新型所制作的测距仪可适应恶劣的测量环境，在这种情况下依然可以获得较准确的检测数据。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

图1是本实用新型的原理框架图；

图2是本实用新型的激光二极管高压驱动电路图；

图3是本实用新型的雪崩光电二极管高压偏置电路图；

图4是本实用新型的前级跨阻电路图；

图5是本实用新型的自动增益控制放大电路图；

具体实施方式

如图1到图5所示，一种大量程高速高精度TOF测距系统，包括有主控制模块，主控制模块是为整个测距系统提供算法的控制模块，一般来说，用于设备控制的主控制模块主要是为整个测距系统提供控制算法和测量值的软件补偿算法等，本实用新型中，主控制模块上连接有显示模块电路，键盘电路模块电路，其中显示模块电路用于检测并显示测量信息，其显示方式一般包括数码管显示，液晶屏幕显示等，对于激光测距设备，有的则是在设备的光路上显示测距信息，键盘电路模块电路用于开关机和输入相关系统参数，显示模块电路，键盘电路模块电路均为传统电路，在此不作详细描述；还包括有发射回路中的激光二极管高压驱动模块电路和激光发射模块电路，激光二极管高压驱动模块电路为激光发射模块电路提供高压可控的电源，从而改变激光发射的功率；还包括有接收回路中的雪崩光电二极管高压偏置电路模块，雪崩光电二极管光电转换模块电路，前级跨阻电路模块，AGC放大电路模块，接收增益模块及TDC电路模块，其中雪崩光电二极管高压偏置电路模块为雪崩光电二极管提供高压可控的电源。

如图2所示，激光二极管高压驱动电路模块包括带有反馈控制的发射高压驱动电路，该电路为使用PWM芯片构成一个BOOST升压电路，主控制模块通过控制反馈回路中的电压值来实现发射高压值的调节，从而使激光发射具备可调的功率，在一定程度上可以避免近距离或高反射时信号的饱和、展宽等失真，从而为检测精度提供了可靠保证；该电路包括有MOSFET管，PWM芯片，还包括有反馈回路，本实用新型中，MOSFET管为N沟道MOSFET管FDC2512，一般来说不局限于FDC2512，与之功能相似的N沟道MOSFET管都可以采用，PWM芯片为紧凑型的BOOST升压电路控制器MAX1523，一般来说不局限于MAX1523，与之功能相似的BOOST升压电路控制器都可以采用，FDC2512的第3脚与MAX1523芯片的第5脚相连，由容值为100PF的C53、容值为220PF的C54、阻值为10K欧姆的R26、阻值为2.2M欧姆的R40、阻值为30K欧姆的R41构成反馈回路，MAX1523芯片的第2脚通过R26与主控制模块相连。

如图3所示，雪崩光电二极管高压偏置电路模块包括一个主控制模块控制的BOOST升压电路，主控制模块通过输出不同占空比的PWM波形来实现雪崩光电二极管高压偏置电路模块中高压值的调节，从而使接收的激光信号与雪崩光电二极管高压偏置电路模块中的高压值呈线性关系，在一定程度上为检测精度和大量程提供了可靠保证；该电路包括有MOSFET管，高速开关二极管，反馈回路，本实用新型中，MOSFET管为N沟道MOSFET管BSS123，高速开关二极管采用BAV99，一般来说此电路中不局限于BSS123和BAV99，与之功能相似的电子元件都可以采用，BSS123的第3脚与L2和BAV99相连，BSS123的第2脚与地相连，BSS123的第1脚与主控制模块相连。

如图4所示，前级跨阻电路模块包括使用专用前级跨阻芯片将雪崩光电二极管转换出的电流信号转换为电压信号的前级跨阻电路，电流信号按一定的电阻关系转换为电压信号，主控制模块通过控制多路复用器中的选择端来实现不同电阻关系的选择，从而实现跨阻增益的调节，这在一定程度上为检测的精度、速度和大量程提供了可靠保证；该电路包括有多路复用器，专用前级跨阻芯片，RC并联电路，本实用新型中，多路复用器内部为一可控电子开关，多路复用器采用高性能的单刀双掷(SPDT)模拟开关NC7SB3157，专用前级跨阻芯片采用宽频带低噪声FET输入的运算放大器OPA657N/250，RC并联电路1与RC并联电路2为两个参数不同的RC并联电路，RC并联电路1由容值为0.1PF的C21和阻值为51K欧姆的R2并联组成，RC并联电路2由容值为1PF的C23和阻值为5.1K欧姆的R12并联组成，NC7SB3157的第1脚与RC并联电路1的一端相连，NC7SB3157的第3脚与RC并联电路2的一端相连，RC并联电路1与RC并联电路2的另一端相连构成并联关系，当NC7SB3157的第6脚为低电平时，RC并联电路2在NC7SB3157内部与其第4脚接通，当NC7SB3157的第6脚为高电平时，RC并联电路1在NC7SB3157内部与其第4脚接通，OPA657N/250的第4脚与RC并联电路1和RC并联电路2的公共端相连，OPA657N/250的第2脚与NC7SB3157的第4脚相连。

如图5所示，自动增益控制放大电路模块包括两个可变增益放大器级联组成的放大电路，经自动增益控制放大电路模块放大后的电压信号输入电压跟随器，经阻抗匹配后输出，通过控制可变增益控制放大器的增益控制引脚，实现调节信号增益倍数，这在一定程度上为检测的精度、速度和大量程提供了可靠保证；该电路包括有两个可变增益放大器，电压跟随器，本实用新型中，自动增益控制放大电路模块由两个相同的可变增益放大器级联组成，可变增益放大器采用宽频带低噪声低畸变可变增益放大器AD603ARZ，电压跟随器采用宽频带电流反馈型运算放大器OPA695IDBVT，输入信号与第一个AD603ARZ的第3脚相连，第一个AD603ARZ的第7脚与第二个AD603ARZ的第3脚相连构成级联放大电路，主控制模块通过阻值为10K的R4与第一个AD603ARZ和第二个AD603ARZ的第1脚相连，主控制模块通过改变施加给R4的电压而可变增益放大器的增益倍数，第二个AD603ARZ的第7脚与OPA695IDBVT的第4脚相连，OPA695IDBVT的第1脚作输出引脚。

基于以上，本实用新型还提出一种大量程高速高精度TOF测距方法，具体包括以下步骤：

在测量距离时，激光二极管高压驱动模块电路为激光发射模块电路提供高压可控的电源，通过改变发射驱动高压从而改变激光发射的功率，设定激光二极管的发射功率增益调整度对最终接收信号的增益贡献值为S1，

雪崩光电二极管高压偏置电路模块为激光接收模块电路提供高压可控的电源，主控制模块通过输出不同占空比的PWM波形来实现雪崩光电二极管高压偏置电路模块中高压值的调节，通过改变雪崩光电二极管驱动高压从而改变激光接收模块中光信号转换为电流信号的增益值，设定雪崩光电二极管光信号转换为电流信号的增益调整度对最终接收信号的增益贡献值为S2，

前级跨阻电路模块为使用专用前级跨阻芯片构成一个电流电压转换器，主控制模块通过控制多路复用器中的跨阻选择端来实现跨阻增益的调节；设定前级跨导调整度对最终接收信号的增益贡献值为S3，

自动增益控制放大电路模块为两个可变增益放大器级联组成的放大电路，通过控制自动增益控制放大电路模块的增益控制引脚实现信号的增益控制，设定自动增益控制放大电路模块的增益调整度对最终信号的增益贡献值为S4，

由于最终信号增益为各个环节增益的乘积，所以可大致估算出最终信号的增益调整度为Sb＝S1*S2*S3*S4。由最终信号增益可知，采用本方法控制到每个会导致接收信号变化的因素，通过全面的精确的控制方法，可以做到最大程度的控制接收信号的调整度，做到同一光学系统下测得更远，精度更高，实现测距仪的大量程高速高精度。

该测量系统为单发射单接收光路系统，该系统的发射驱动模块可在一定范围内任意调整激光发射功率，该系统的激光接收部分雪崩光电二极管增益在一定范围内任意可调，该系统的接收放大部分的前级跨导可在几档固定值增益下灵活切换，该系统的后级接收系统可自动增益控制，在利用了本实用新型之后，可明显改善测量结果，在传统模式下，得出的结果如表1.1所示:

表1.1

通过采用本实用新型后，测得的结果如表1.2所示。

表1.2

通过上述测试对比，采用本实用新型后，检测精度得到了较大的提高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (8)

1.一种大量程高速高精度激光测距系统，其特征在于包括有主控制模块，显示电路模块，键盘电路模块，激光二极管高压驱动电路模块，脉冲激光发射电路模块，雪崩光电二极管光电转换电路模块，前级跨阻电路模块，自动增益控制放大电路模块，时间鉴别电路模块，其中，显示电路模块与键盘电路模块分别与所述主控制模块控制联接，激光二极管高压驱动电路模块与脉冲激光发射电路模块电控联接，激光二极管高压驱动电路模块与所述主控制模块电控联接；雪崩光电二极管光电转换电路模块，前级跨阻电路模块，自动增益控制放大电路模块及时间鉴别电路模块依次电控联接后与所述主控制模块电控联接，在雪崩光电二极管光电转换电路还联接有崩光电二极管高压偏置电路模块，光电二极管高压偏置电路模块与所述主控制模块电控联接。

2.根据权利要求1所述的一种大量程高速高精度激光测距系统，其特征在于所述激光二极管高压驱动电路模块包括带有反馈控制的发射高压驱动电路，该电路使用PWM芯片构成BOOST升压电路，所述主控制模块通过控制反馈回路中的电压值来实现发射高压值的调节。

3.根据权利要求1所述的一种大量程高速高精度激光测距系统，其特征在于所述雪崩光电二极管高压偏置电路模块包括由主控制模块控制的BOOST升压电路，主控制模块通过输出不同占空比的PWM波形控制BOOST升压电路的高压值的调节。

4.根据权利要求1所述的一种大量程高速高精度激光测距系统，其特征在于所述前级跨阻电路模块包括使用前级跨阻芯片将雪崩光电二极管转换出的电流信号转换为电压信号的转换电路，在该转换电路中设有多路复用器，所述主控制模块通过控制多路复用器实现跨阻增益调节。

5.根据权利要求1所述的一种大量程高速高精度激光测距系统，其特征在于所述自动增益控制放大电路模块包括两个可变增益放大器级联组成的放大电路，通过控制可变增益控制放大器的增益控制引脚调节信号增益倍数。

6.根据权利要求1所述的一种大量程高速高精度激光测距系统，其特征在于所述发射高压驱动电路包括有MOSFET管，PWM芯片，MOSFET管为N沟道MOSFET管FDC2512，PWM芯片为紧凑型的BOOST升压电路控制器MAX1523。

7.根据权利要求1所述的一种大量程高速高精度激光测距系统，其特征在于所述雪崩光电二极管高压偏置电路包括有MOSFET管，高速开关二极管，MOSFET管为N沟道MOSFET管BSS123，高速开关二极管采用BAV99。

8.根据权利要求1所述的一种大量程高速高精度激光测距系统，其特征在于所述自动增益控制放大电路模块中包括有可变增益放大器、电压跟随器，可变增益放大器采用AD603ARZ，电压跟随器采用OPA695IDBVT。