文档介绍：脉冲激光测距系统设计
脉冲激光测距原理:
脉冲式激光测距是利用激光脉冲持续时间极短,能量在时间上相对集中,瞬时功率很大的特点进行测距的,在有合作目标的情况下,脉冲激光测距可以达到极远的测量距离,在进行几公里的近程测距时,如果精度要求不高,即使不使用合作目标,只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得回波信号,也可以进行测距。
脉冲式激光测距的原理如下图所示。由激光发射系统发出一个持续时间极短的脉冲激光,经过待测距离 L 之后,被目标物体反射,发射脉冲激光信号(回波信号)被激光接收系统中的光电探测器接收,计时电路通过计算脉冲激光发射和回波信号到达之间的时间间隔,即激光脉冲从激光器到目标物体之间的往返时间t,即可计算出目标物体与激光测距仪之间的距离 L 为:
L=(1/2)ct
式中,c 为光速。
脉冲式激光测距系统组成
系统主要包括窄脉冲激光发射系统、脉冲激光接收系统、高精度时间间隔测量系统、微控制器、液晶显示、串口以及光学系统组成。
脉冲发射系统:半导体激光器的发射单元主要由 LD偏置电压发生器、脉冲发生器、LD 驱动电路组成。LD 偏置电压发生器为半导体激光器提供工作所需的偏置高压,并加载至 LD 驱动电路中,驱动半导体激光器发光,脉冲信号发生器则为 LD 驱动电路提供所需的高速窄脉冲信号。
激光脉冲接收系统:激光脉冲接收单元为本系统的核心部分之一,主要分为两个子块:PIN 光电二极管(以下简称 PIN)接收电路和雪崩管(Avalanche PhotoDiode 简称 APD)接收电路。
高精度时间间隔测量系统:高精度时间间隔测量系统主要由计时芯片(本文中选取通用型 TDC 模块 TDC-GP2)以及其外围电路组成。该部分为系统提供精准的时差测量,保证了测量的精度。
微控制器及显示接口部分:该部分主要有微处理器,液晶显示,RS-232 串口组成。MCU 主要为各分部的正常工作提供控制信号,并通过 SPI 口配置 TDC-GP2 芯片,并读去相应的测量结果进行计算与处理,处理完成的送至 LCD 显示或者发送至串口送至上位机进行进一步处理。此处的串口除了传送测量数据之外,还可接收上位机的操作指令,用于控制系统工作。
光学系统:光学系统的主要功能是将半导体激光器产生的激光分成两束,一束经反射镜送入 PIN 管光敏面上,另一束则经过准直之后发射至目标物体;另一方面光学系统将其接收到的激光回波信号汇聚到 APD 的光敏面上,以提高光电接收器件的探测能力。
系统工作流程
激光测距系统工作流程如图所示。系统上电之后,控制器便进行系统初始化,初始化完成之后即可开启发射接收电路,并发射脉冲信号进行测量,等待测量结束之后停止发射激光,读取测量结果并对数据进行处理显示。
激光发射系统
半导体激光器工作原理是通过一定的激励方式,当高能态的粒子数多于低能态的粒子数,并且工作电流达到阈值电流时,激光器输出相干的受激光束。
窄脉冲信号发生器设计
根据脉冲式半导体激光器的驱动要求,系统需要一个脉宽20ns~50ns,重复频率为的脉冲信号,作为半导体激光器驱动电路的开关信号。本文中选用 CPLD 作为窄脉冲信号发生器的核心部件。
CPLD 硬件描述采用的是 Verilog HDL 硬件描述语言,采用 Quartus II 编译环境实现了周期为 ,脉冲宽度为 25ns 的信号。
半导体激光器的驱动电路设计
脉冲半导体激光器的驱动电路原理图如图所示。其中 R1 为充电限流电阻,R2 为脉冲电流限流电阻,C 为储能电容,VH为输入高压偏置,D 为钳位二极管,LD 为半导体激光器,K 为控制开关。其本质是个 RLC 电路。
当开关 K 断开时,高压偏置 VH通过 R1 向储能电容 C 充电,C 两端的电压随即升高,充电完成后,储能电容两端的电压 UC即与高压偏置电压 VH相等,当开关 K 闭合后储能电容 C 通过开关 K、放电限流电阻 R2 以及激光器所组成的回路瞬时放电,加在 LD 两端的电压为-VH。
图所示的脉冲半导体激光器驱动电路中,通过改变偏置电压 VH,R1、C、R2 参数的大小,即可调节输出激光脉冲的峰值功率、脉冲宽度和重复频率。偏置电压 VH越高,储能电容 C 越大、放电限流电阻 R2 电阻越小,则输出的激光峰值功率就越大;若储能电容 C 越小、R2 的阻值越小,则激光脉冲的宽度就越窄;R1的阻值越小,则激光脉冲的重复频率就越高。
脉冲激光接收系统
脉冲激光接收系统是的主要作用是,接收由目标物体反射回来的回波脉冲激光信号,并将其转换为电脉冲信号,进行滤波、放大、峰值保持、时刻鉴别、整形等处理。
本系统中,激光接收电路分为两个部分,PIN 光电二极管接收电路与雪崩管接收电路。在本系