一种小型高精度脉冲式半导体激光测距仪

　　1　引　言

　　在脉冲式测距仪中,距离值一般是通过测量激光脉冲发射时刻(star)和接收到被测目标的反射光脉冲时刻(stop)之间的激光飞行时间来确定的,激光飞行时间的测量精度决定了整个系统的精度。激光飞行时间的测量一般分为两个步骤,首先将对应的激光发射电脉冲和接收到的目标反射电脉冲送给距离-时间转换器,产生一个和激光飞行时间相对应的时间脉冲信号,时间脉冲的起始时刻对应着star时刻,终止时刻对应着stop时刻。其次,系统对该时间脉冲信号进行时间测量,最后得出反应激光飞行时间的时间值。因此,飞行时间测量的准确度由两方面的因素决定,一是时间脉冲信号产生的准确性,二是对时间脉冲测量的准确性。在实际测距过程中,因距离、目标反射率和天气状况的变化,测距仪接收到的目标反射信号幅度会发生剧烈的变化[1],从而造成stop时刻的定位也产生相应的漂移,对于一个采用传统比较器进行stop时刻定位的系统,其定位时间漂移可达几纳秒,对应引起的距离偏差可达米级。对时间脉冲的测量一般采用晶振时钟计数的方法进行。在一般的小型测距仪中,考虑到系统的成本、体积和耗电量,其处理器一般采用单片机,对时间的测量也采用单片机的晶振进行。假设采用10MHz的晶振,则对时间的测量精度为±100ns,对应的距离精度为±15m。显然,这样的测距精度是无法满足需要的。针对以上这两个问题,本文将介绍一种小型、低成本的脉冲式半导体激光测距仪,该测距仪采用定比例鉴别器(constantfraction discriminator,CFD)进行stop时刻定位,以消除定位漂移。同时,采用时间放大器对时间脉冲进行放大,以减少晶振时钟计数测时的误差。当接收脉冲信号辐度在0. 2~2. 2V范围内变化时,该测距仪可获厘米级的测量精度。

　　2　系统工作原理

　　系统原理框图如图1所示。单片机发出100Hz左右的驱动脉冲送给激光驱动器,驱动半导体激光器(LD)发出同频的上、下沿为5ns左右,脉宽为10ns左右,波长为905nm的激光脉冲,同时产生一个电脉冲信号,作为起始信号送给距离-时间转换电路。激光器发出的光脉冲经发射透镜准直,向外发射。接收透镜将被测目标反射回的光信号聚焦,送给雪崩光电二极管(APD)转换成光电流信号,经跨阻前置放大器、增益可调放大器,将光电流信号转换成电压脉冲信号,经定比例鉴别器(CFD),转换成数字逻辑电平信号作为终止信号送给距离-时间转换电路。距离-时间转换电路根据起始、终止信号的间隔时间,产生一个和激光飞行时间有关的时间脉冲,为了减少晶振时钟计数误差,该时间脉冲经时间放大器放大,送给单片机计数。单片机经计数、校准、数据处理,最后显示和距离一致的数值。信号幅度判别电路随时监视增益可调放大器输出的信号,一旦发现信号幅度超出预定范围,立即通知单片机,单片机首先将本次测得的时间计数值置为无效,然后调节可调增益放大器的增益,甚至激光驱动器的工作高压值,并接收下一个脉冲信号,直至信号幅度回至预定范围之内,此时单片机将测得的时间计数值置为有效,经处理送给显示器显示[2]。