激光测距系统

值时，保护二极管 D导通，可将 A 点的高压拉低至电源电 压，这样可对后续处理电路起到保护作用。
APD驱动电路
高精度时间间隔测量模块
➢本系统选取了TDC-GP2为系统提供高精度时间间隔测量。 ➢TDC 是以信号通过内部门电路的传输延时来进行高精度 时间间隔测量的。下图 显示的是这种测量绝对时间 TDC 的主要架构。测量过程中，只需计算出开始信号和结束 信号之间所经过的逻辑门的个数，就可以精确的计算出 Start 信号与 Stop 信号之间的时间间隔。芯片上的智能电 路结构、担保电路和特殊的布线方式保证芯片可以精确 地记下信号通过门电路的个数。
➢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。
➢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。
➢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。
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：
APD 中的光电流为 I，则计算出读取电路输出端的输出电压 U0为：
U0=IxRf
➢当图 所示的 APD 驱动电路中，反馈电阻 Rf 失效时，图中 A 点的电压将升高接近反向偏置电压 VH，这将直接导致运 放反向输入端电压过高，将其烧毁，更严重的后果是会影响 到后续放大电路的安全，因此，该电路中在 A 点和正电源 VCC 之间并联一个二极管作为保护，当 A 点电压升高至一定
PIN 光电二极管驱动原理
➢在 APD 驱动电路设计中，使用了电流转电压的方式，对 APD 中输出电流进行读取，如图 4.5 所示。图中，VH为 APD工作所需的偏置电压，VH=160V。R 为高压偏置的限流 电阻，其值至少为 1MΩ。C是为防止高压偏置中的电源纹 波对 APD 读取电路影响而设置的滤波电容，其值应该至少 为 0.1uf，并且在电路板的设计中，C 应该尽量靠近 APD。 Rf 为由运放组成的电流电压电路的反馈电阻，调节 Rf 的大 小，可使得该读取电路的增益发生改变。如图 所示，设
源自文库光发射系统
➢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 2.5kHZ 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 7.2 编译环境实现了周期为 2.5KHz， 脉冲宽度为 25ns 的信号。
➢TDC 测量由 Start 信号触发而开始，接收到 Stop 信号停 止。由环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值可以计 算出 Start 信号和 Stop 信号之间时间间隔，测量范围可达 20 位。通过大量实验验证，其时差测量精度可达到 72ps， 若不考虑其余部分对测距精度的影响，系统的距离测量 精度可达到 1cm。
a、PIN接收电路框图 b、APD接收电路框图
➢PIN 光电二极管的驱动电路原理如图 4.4 所示，该光电 检测电路采用了高速电流负反馈运算放大器电路。图 中， 20V 为 PIN 管反向偏置电压，R1 为偏压限流电阻，RL 为 PIN 管的负载电阻，对光电流进行电流-电压转换。运放 用来对信号进行放大，以达到预期的要求。
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
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。在本系统中，半导体激 光器输出的激光有分光镜分为两路，强度较弱的一路光 信号由反射镜送入 PIN 光电二极管的光敏面，由 PIN 驱动 放大电路进行信号采集，并将其作为时差测量的起始时 刻（即 Stop1 信号），如图 （a）所示。另一路光信号则 通过光学系统准直之后发射出去，由目标物体反射的回 波信号经过光学系统的接收，送至 APD 接收电路进行放 大处理，将该路输出的信号作为时差测量的截止时刻 （即 Stop2 信号），如图 （b）所示。
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。
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。