脉冲半导体激光测距接收电路与计时方式研究.docx

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脉冲半导体激光测距接收电路与计时方式研究

脉冲半导体激光测距接收电路与计时方式研究

PulseSemiconductorLaserRangefinder

ReceivingCircuitandTimingMethod

摘要

本论文详细讨论了一种可实现高速激光测距的接收电路和计时电路。

实验系统采用APD作为光电传感器，将激光脉冲信号转变成微弱电流脉冲，通过两级放大后，信号变成幅度较大的电压脉冲，通过时点辨别电路别离肯定计时起点和终点后，由计时电路来精准测量两个时刻点之间的时刻距离。

基于传递延时插入法和CPLD的工作原理，对快速测距技术进行了研究，研制了一种能实现收到回波脉冲后80ns内完成测距，测距精度士的计时电路，并将该电路集成于一片可编程逻辑器件中，减小了电路面积和功耗，增强了抗干扰能力。

关键词：

高速测距逻辑器件传递延时APD激光测距

Abstract

Atypeofreceivercircuitandtimingcircuitwhichcanbeappliedinhigh-speedlaserrange-finderisdiscussedinthispaper.Aftertwo-levelamplificationwegotavoltagepulsethathadaenoughamplitudetobeapplied，thetimingpointwasdiscriminatedbytheconstant-fractiontimingdiscriminatorcircuit.Timingcircuitstransferredthepulseflighttimetodigitalsignalaccurately.ImplementingnormaltimeMeasuringmethod，flighttimeofpulselaserwasmultipliedandmeasuringspeedwasde-multiplied.Tosolvethisproblem，quickrangemeasurementtechnologywasresearchedbasedonthemethodofpropagationdelayandworkingprincipleofCPLD.Atimemeasurementcircuitwithanaccuracyof士wasdesignedandaccomplished.Itcouldfinishthewholemeasurementprocessin80nsafterthebouncedpulsewasreeeived.

Keyword:

High-speedmeasurementPropagationdelayAPDLaserrange-finder

第一章绪论

激光测距技术原理介绍

原理概述

一个典型的激光测距系统应具有以下几个单元：

激光发射单元，激光接收单元，距离计算与显示单元，准直与聚焦单元，如图所示。

系统工作时，激光由发射单元发射，以光速抵达目标物后反射回来，被接收单元接收，通过距离计算与显示单元取得目标物距离。

图激光测距系统原理图

按照激光测距的大体原理，激光测距技术能够分为激光飞行时刻测距和非飞行时刻激光测距两类，其中飞行时刻测距按照所发射激光状态的不同，可分为脉冲激光测距和持续波激光测距，后者按照起止时刻标识的不同又分为相位激光测距和调频激光测距。

非飞行时刻激光测距技术是指在测距时并非像飞时测距法直接或间接取得激光飞行时刻，而是通过光子计数或数学统计的方式来取得目标物距离。

以上介绍的方式中，被普遍应用的是脉冲激光测距和相位激光测距，其他测距方式的应用范围较为有限，仅在特定条件下应用。

脉冲激光测距原理

目前，脉冲激光测距己取得了普遍的应用，如地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪、和人造卫星、地球到月球距离的测量等。

脉冲激光测距利用激光脉冲持续时刻极短，能量在时刻上相对集中，瞬时功率专门大（可达兆瓦）的特点，在有合作目标的情形下，脉冲激光测距能够达到极远的测程；在进行几千米的近程测距时，若是精度要求不高，即便不利用合作目标，只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射[1]所取得的反射信号，也能够进行测距。

其大体原理是：

按照发射波信号与回波信号之间的时刻距离，即激光脉冲从激光器到待测目标之间来回时刻t,就可以够算出待测目标的距离L为:

国内外研究历史、现状和进展趋势

1960年世界上第一台激光器问世，1961年第一套激光测距系统就出现了.激光测距技术被应用到军事上。

七十年代，YAG开始大量应用于激光测距雷达，八十年代，远程、中程、激光器技术日趋成熟并近程的激光测距雷达主要采用YAG激光器，如:

卫星跟踪激光雷达、坦克、炮队激光雷达、大地测量雷达。

到八十年代末，各国己有几百个型号的激光测距装备投入利用。

由于激光具有方向性好，亮度高，相干性好的长处，各类应用于不同用途的激光测距技术不断推陈出新。

从接近波长大小的微米、分米到数米的物体形状，到距离很近、数千米到数十千米远的目标物，乃至大到卫星和月球与地球之间的距离，都能够用激光以不同的方式与技术做精准测量。

八十年代半导体激光二极管LD技术日趋成熟，开始应用于中、短程测距雷达，它具有体积小、重量轻、结构简单、利用方便、对人眼安全、低值等一系列长处，九十年代国外开始大力进展LD激光雷达，在中、短程激光雷达应用方面有取代YAG激光雷达的趋势，最近几年来又发展了一种便携式、对人眼安全、无合作目标、低价的适用于家庭的LD激光测距仪，既能作为望远镜又具测距功能，如:

1996年下半年美国Bushnell公司推出了测距能力为400码的400型小型、轻便、省电、对人眼安全、低价的LD激光测距仪Yardage400（800），被评为1997年世界一百项重要科技功效之一。

1997年Bushnell公司在Interne:

网上又推出测距能力为800码的800型激光测距仪。

1998年美国Tasco公司测距能力为800码的摄像机型LasersiteLD激光测距仪。

最近几年美国LaserTech、Leica等公司也接踵推出测距能力1000米，精度1米的手持式望远镜测距仪，价钱仅为300美元左右。

第二章脉冲激光测距系统设计

激光测距系统结构

系统结构原理如下图所示:

图激光测距系统结构原理图

系统工作原理描述如下:

微处置器控制脉冲发生电路产生上升沿约为5ns，脉宽约为IOOnS的电流脉冲，驱动LD激光器产生相应的激光脉冲，经分光镜和准直透镜后抵达目标物，激光脉冲在物体表面漫反射后，由聚焦透镜聚焦，由接收与放大电路转化为电信号，又由时点判别电路产生“结束脉冲”，而“起始脉冲”以一样的道理由分光镜所分的发射激光取得，通过计时电路计时后，所得数据由微处置器通过计算后即可在液晶屏幕上显示出目标物距离测距装置[2]的距离。

该系统中，接收与放大电路单元、时点判别和计时电路部份和微处置器和显示部份是本文的重点研究内容，将由具体章节详细叙述，下面仅就激光脉冲发生电路和光学系统作概要叙述。

激光脉冲发生电路

以半导体激光器（LD）做为脉冲激光源的主要长处在于它的体积小、效率高，脉冲重复率高。

八十年代以来，高功率红外光半导体激光器的进展与制造愈来愈完善，能够取得波长位于大气高穿透区的半导体激光器，作为近距离激光测距系统的光源。

输出波长为905nm的砷化锢稼（工nGaAs）半导体激光器是一种常常利用的高功率半导体激光器，其波长恰好位于大气的红外光第一穿透区边缘.有很高的穿透率。

图激光脉冲发生原理图

第三章脉冲激光接收电路

光电检测传感器的选择

作为信息的载体，光的速度是最快的，但为了对载波在光信号上的信号进行处置，往往要将其变成电信号，如此就需要光电检测传感器来进行光电转换。

按照各类传感器工作原理不同，光电检测传感器可分为以下几类:

（l）光电导器件

（2）光生伏特器件（3）光生电流器件。

在激光测距系统中，由于需要精准测量激光脉冲的飞行时刻，所以对光电检测传感器的响应时刻有很高的要求，另外，由于传感器接收的是反射回来的信号，所以应该对微弱信号敏感，按照这两点要求，可供选择的光电传感器有PMT，PIN型光电探测器和雪崩光电二级管APD。

其中PMT虽然有高的增益和较低的噪声，但它体积大，抗外部强磁干扰差，动态响应范围较小并需要多组电压，一般较少在脉冲激光测距系统中利用。

PIN型光电探测器和APD都是在半导体PN结光电探测器的基础上进展而来的，下面将从半导体PN结光电探测器的工作原理动身来介绍这两种探测器的工作原理，及二者的优缺点。

半导体PN结光电探测器是一种体积小、重量轻、灵敏度高、响应速度快的固体传感器。

其核心是由P型和N型半导体材科形成的PN结。

当半导体材料吸收光能后，在PN结上会产生光生伏特效应，能将光信号转变成电信号，图是半导体PN结光电探测器的原理图。

图PN节光电探测器的工作原理图

当PN结处于平衡状态时，其内部将形成一个自建的强电场载流子耗尽区，现在如有大于半导体禁带宽度能量的光子照射到半导体上，则PN结势垒区周围会产生电子空穴对。

这些非平衡的载流子运动到PN结周围，便被PN结强电场分离，结果别离在N区和P区边界积累了大量的非平衡的电子和空穴，产生了一个与平衡PN结内建电场方向相反的光生电场，由此产生的光电流与入射光强成正比。

实际使历时是将探测器反向偏置，使耗尽层变宽，光生载流子增加。

为了进一步提高半导体光电探测器的响应速度和灵敏度，通常在图结构的P区和N区之间制作一个本征区（或称I区），组成PIN型光电探测器，如图所示，

表示吸收系数。

由于在适当的反向偏压下，这层高阻区就是耗尽区，耗尽区宽度的大大增加允许更多的光生电子一空穴对在高场强区产生，同时也降低了光电探测器的结电容，因此PIN型光电探测器与PN型相较，不但量子效率较高，而且响应时刻也更快。

前面谈到的半导体PN或PIN型光电探测器内部都没有放大作用，因此限制了它们灵敏度的进一步提高。

为解决这一问题，人们又设计了具有内部增益的光电探测器一雪崩光电探测器（APD）。

在这种传感器中，由于光量子的倍增作用，一个光子能够产生10-100对光生电子和空穴，使光电流大大增加，显著提高了光传感器[3]的灵敏度。

图是这种传感器的原理图。

由于这种结构的PN结的耗尽区有极高的场强（例如硅材料的场壮大于10

V/cm），当入射光子被吸收并产生电子一空穴对后，这些载流子在渡越耗尽区时将会被电场加速而取得极大的动能，它们碰撞半导体的晶格，使之电离产生二次电子一空穴对。

然后，这些二次电子-空穴对又被加速，产生更多的电子一空穴对。

如此的碰撞电离一个接一个地不断发生，就形成了“雪崩”倍增[4]现象，使光电流放大。

这种半导体APD的光量子放大原理与PMT类似。

雪崩光电探测器不仅有较高的增益，而且响应速度快，是一种理想的高灵敏度光电探测器。

图PIN光电探测器的原理图

雪崩光电二极管

从上面的分析能够看出，APD具有体积小、重量轻、功耗低、靠得住性高、抗强磁场干扰和动态范围大等长处，专门是其响应时刻短，由于内倍增效应，它对微弱信号也有相当高的灵敏度，所以既能保证激光测距系统的测距精度，又能扩大测距范围，所以A即是脉冲激光测距系统激光接收器件的最佳选择。

反向偏压发生电路

电路工作原理及元件的选择

高压发生电路的主要元件有：

开关三极管P7、储能电感Ll、隔离二极管D2、D3，和输出滤波电容CS和用于产生方波的集成电路Ul。

下面是高压发生电路的原理图：

图高压发生电路原理图

电路的大体工作原理是当三极管P7导通时，能量从电源流入，并贮存于电感L1中，由于三极管导通期间正向饱和压降很小，因此这时二极管D2反偏，负载由滤波电容CS供给能量，将电容中贮存的能量（

）释放给负载。

当三极管截止时，电感中的电流不能突变，它上面产生的感应电势阻止电流的减小，感应电势的极性为上负下正，二极管D2导通，电感中贮存的能量（

）流入电容（充电），并供给负载。

NE555集成电路的作用是产生必然频率的方波信号，使三极管周期性的导通、截止，从而在输出端取得较高的输出电压。

由于选用的普通电感都有必然的电流饱和度，因此若是三极管的导通时刻太长，那么电感上流过的电流将抵达饱和，即电流不能持续增加，所以这时并非能取得较大的输出电压，反而由于频率较小的关系，致使三极管上的功率损耗[5]加大。

再加上电容上漏电流的影响，若是长时刻不能充电，反而将使输出电压值减小，电路的利用率大大降低。

所以要选择合理的参数值，使从555电路中取得的周期能恰好使电感工作在接近饱和的状态，如此的设计能提高电路的转化效率。

同时，由于电路工作在不饱和的状态下，就可以够通过调节三极管的导通时刻来较好的控制输出电压。

在电感电流未抵达饱和状态时，忽略管子的导通压降，能够通过下面的推导来计算输出电压。

电感上的电压为：

因此，导通时电流的上升速度为:

其中i

为导通时流过LI的电流，t

为导通时刻，v

为电源电压，L

为Ll的电感。

假定电感反冲电压等于输出电压V

，那么三极管截止时，电感上的电压为V

-V

。

则电感上的截至电流的速度为:

而t

是由三极管的截止时刻决定的，如型号为3DK9的开关三极管其完全截止时刻大约为微秒，在这一段时刻内，三极管完全截止，电流也抵达0。

由于三极管在导通以后，截至之前流过Ll的刹时电流相等和三极管的导通压降能够忽略，能够得出：

=

由以上三式可得:

由能够看出，当t

很小，而t

相对比较大时，就可以够取得专门大的V

值

当该电路工作在稳压状态时，输出电压为恒定值V

，只要适被选择电容C8，就可以使纹波足够小。

如当要求纹波为△V

、直流输出电流为I。

时，由于管子导通期间全数负载都由C8供电，因此C8取决于下式:

所以，为了使纹波电压尽可能小，能够尽可能利用比较大的滤波电容。

电感的参数与输出电压、输入电压、输出电流与开关频率有关，若是需要比较大的输出电压，就需要电感的饱和电流尽可能要大，同时，在未饱和状态下，也能够用增加电感的方式来取得较大的输出电压。

图是流过电感上电流、电压工作在三极管导通和截止时的不同情形。

由图（a）可见，当三极管开始导通时，电感与地之间有一个回路，于是电感上的电压开始减小。

与此同时，因为回路的存在，流过电感的电流开始以必然的速度增加。

工作到a点时，555开始输出低电平，三极管开始截止，因此流过电感的电流开始减小。

由于电感的特性是阻止电流的转变，因此电感上将产生一个感应电势，随着电流的逐渐减小，感应电势将逐渐增加。

电压从a点开始持续上升。

在b点时，电压抵达最大值。

现在电流向零突变，由公式

可知，改点上电压抵达最大值。

从b到a这一段时刻主要由三极管的关闭时刻所决定的。

从图（a）能够看到，在b这一点上，电流等于0。

这是因为那个时候三极管完全截止。

三极管的截止时刻就是从a点到b点的这一段时刻。

前面己经讲到，实验时所选用的3DK9的完全截止时刻大约为15微秒。

选择三极管时，应当是三极管的关闭时刻尽可能的短，如此不仅能够取得较大的峰值电压，而且能够避免电流流过三极管的时刻太长而损耗比较大的功率。

能够看到，由于电感的特性，流过电感上的电流到0后，由于电感电流不突变的特性，电流将继续下降（开始反向），那个时候，电感上的电压也开始下降，一直到c点的时候，电压开始反向，即产生必然的震荡，可是由于电路中采用了由两个二极管组成的半波整流电路，虽然震荡电流会比较大，可是由于二极管D3的关系，使得C级的电压不至于低于。

从图（b）能够看到，通过c点后，电压又将反向转变，会从头抵达上负下正的状态。

那个时候因为二极管D2反向偏置，所以不会对最后的输出电压产生影响。

这里应该注意应被选用反向击穿电压比较大的二极管。

图三极管导通、截止时的波形

图电感电流转变曲线

固然，当电感上的电流达到饱和时，也能产生电压放大的效果。

如图，选用饱和电流为200mA的电感，能够看到，当电感上的电流抵达饱和后，将再也不继续增加。

在从a到b这一段时刻内，会有较大的电流通过三极管，使三极管发烧。

若是这段时刻太长，那么在三极管上损耗的电压将会专门大，电路的利用率下降。

同时，由于频率变小的关系，还会致使输出电压变小。

电压控制反馈电路

为了取得加倍稳固的电压，而且使电压在必然范围内可调，在高压发生电路中加入一个反馈回路。

图反馈回路原理图

那个反馈回路利用输出电压V

来控制555集成电路的第5脚，使555的输出频率和占空比发生转变，从而起到控制输出电压Vo的作用。

图555输出方波图形

如图，555输出方波波形，它的周期T=T

+T

。

其值由555电路中的电阻、电容，和V

来决定.

放大电路

放大电路的原理图如图，此放大电路关键器件包括AOD，电流放大-电压转换部份的Q118,Q120高频三极管和电压放大部份的Q122，Q124。

APD已经在,节中详细介绍，Q118,Q120采用高频三极管，其部份典型工作参数如下：

工作频率：

Ft=5GHz

类型:

NPN

放大倍数:

h=90

集电极最大正向电流：

Ic=25mA

Q122和Q124采用高频三极管，其部份典型工作参数如下：

工作频率:

Ft=5GHz

类型:

PNP

放大倍数:

h=50

集电极最大正向电流:

Ic=5mA

图放大电路原理图

由节所述可得，对于脉冲测距系统，当系统的探测概率为99%时，APD接收到的回波脉冲，其信噪比SNR应大于8，

即:

时点判别电路

定比例时点判别法的原理

用临界电压辨别法和恒定比例辨别法，对幅值不同的输入信号进行时点判别的示用意如图，显然定比例时点判别法能更好得消除漂移误差。

图两种时点判别法示用意

定比例时点判别的方式很多，采用延时线路式定比例时点辨别法，其电路大体结构和模拟波形如图所示。

定比例时点辨别器将输入信号分成两路，其中一路通过衰减变小，另一路则不衰减振幅大小，可是通过一段时刻延迟，然后将这两路别离送入电压比较器的正负输入端，比较器的转态发生于两输入端之信号的相对大小改变的时刻，而且转态的时点不会受到原始输入信号振幅改变的影响，始终维持于原始信号达到其某一固定高度[6]比例时发生。

图（a）为此类电路结构的示用意，图（b）则以简化了的三角形波形作为输入信号来讲明其原理。

图3.10延时式定比例时点判别电路示用意

第四章脉冲激光测距计时电路

脉冲激光测距系统中，由于是采历时域空域反射技术，空域里空间距离的测量相对应于时域里时刻距离的测量，所以高分辨率的时刻测量在飞行时刻激光测距系统中是超级重要的一个部份。

用来测量某一事件时刻长短用数字信号输出的电路装置称为时刻数字转换器（time-to-digitalconverter）。

最简单的时刻数字转换器是利用一个计数器在待测时刻范围内，对一串己知频率的数字脉冲做计数。

虽然随着现代振荡器技术的进展，已经能够产生超级稳固的计时脉冲，但是利用如此的方式，系统分辨率约为一个计数脉冲的周期[7]大小。

虽然已经有文献报导GaAs材料的计数器可工作在的频率并用于时刻的测量，可是高频率的代价却往往是庞大的功率消耗，所以其利用范围受到了限制。

因此最常常利用而且行之有效的方式，是以较低的计时频率与计数器为基础，对不足一个时钟周期的时刻部份作插补，以取得测量时刻范围大而且分辨率也高的时刻数字转换器。

图待测时刻分害U示用意

如图，待测的时刻为T，若是单纯的以计数器来计时，只能测量取得可能的时刻

，为计时脉冲周期T

的整数倍。

利用适当的插补方式求得待测时刻前后不足一个周期的部份时刻T

与T

，就可以够取得分辨率较高的待测时刻T:

T=T

+T

T

以如此的插补方式来计时，计时范围由计数器的计数容量来决定，时刻不，与兀的插补方式的精度则决定了时刻数字转换器的分辨率与精准度。

最多见的插补法能够有以下几种:

时刻振幅转换法（time-to-amplitudeconverter）、时刻伸展法（time-stretching）和传递延时法（propagationdelay）等。

时刻数字转换器插补方式

传递延时法是一种全数字式的计时方式，它利用了当信号传输通过电子元件与连接导线时，一定产生时刻延迟作用的现象来做为测量短暂时刻的手腕。

图是一个传递延时电路的大体结构示用意，利用输出逻辑状态随着输入改变的逻辑缓冲门（logicbuffer）作为延时用的大体元件，在图（b）中标示为B

…B

，而D触发器则用来一记录改变了状态的逻辑门数量。

在该图中，一个缓冲门及一个D触发器组成一个延时单元，它是一串传递延时链[8]的大体单位。

如图（a）一个延时单元有两个输入端与两个输出端:

逻辑缓冲门的输入端与输出端别离为延时单元的“串联输入端”与“串联输出端”；D触发器的时钟输入端C、与输出端Q则别离组成延时单元的“并联输入端”与“状态输出端”。

每一个串联输出端，均在同一个延时单元内先连接到相对应的D触发器输入端，以便该触发器能够及时取得该逻辑缓冲门的输出状态。

延时单元的串联输出端同时也连接到下一个延时单元的串联输入端而成为链状。

整个传递延时链的所有并联输入端（D触发器的C

输入端）均以并联的方式接在一路，同意同一个停止信号作为触发器的时钟信号。

触发器的Q输出则并联式的顺序连接到编码电路的输入端口。

信号通过一个逻辑缓冲门与其输入端前的一段连接路径所需要的传输时刻，就是一个延时单元所造成的延迟时刻T

。

图传递延时插入法电路的大体单元和结构

若是在待测部份时刻开始的同时，将起始脉冲信号输入第一个延时单元的串联输入端，由于信号通过各逻辑门与连接导线都需要时刻，所以那个信号将依次传输过每一个逻辑缓冲门，使各缓冲门的输出以几的延迟时刻为距离，依次地改变其输出状态。

当停止信号来临的同时，各D触发器记录下到现在为止有多少逻辑缓冲门的状态改变了，然后通过编码电路将状态改变的延时单元数量转换成数字信号输出，图为大体传递延时电路的时序图。

接着待测部份时刻就马上能够经由此数码乘以一个延时单元的传递时刻而取得:

其中T

。

为任一个待测部份时刻（T

或T

），f为小于一个延迟时刻式，而无法直接判别的时刻分量，0

利用第式来计算时刻，必需要求每一个延时单元所提供的延迟时刻均完全相同，但是实际上这是不可能的。

各个延时单元的延迟时刻之不同越小，则制成插补器的线性度越好，测量误差也越小。

图传递延时法计时的时序图

时刻数字转换器的电路结构

时刻数字转换器的大体结构

按照本章开头提出的插补法计时的大体原理，设计的时刻数字转换器的大体结构如图所示:

待测时刻的起始脉冲IN端输入，结束脉冲由END端输入，通过时刻分割电路将前后未满一周期的部份时刻Ta与Tb分离出来，别离交由两个传递延时插补电路进行插补计时，RESET输入则用于将计时系统重置，以便进行下一次测量。

ZERO与DCAL则与自我校准功能有关，当ZERO为l，DCAL为0时，系统将CLK的一个上升沿同时作为州和END端的输入，取得时刻为0时，系统的零点误差，当ZERO为O，而DCAL为l时，系统将CLK的相邻两个上升沿别离作为起始和结即对已知时刻进行测量，取得一个结果用于系统校准