脈沖激光測(cè)距接收電路與計(jì)時(shí)方法研究

摘 要：脈沖激光測(cè)距就是一種被普遍應(yīng)用的測(cè)距技術(shù)。激光測(cè)距技術(shù)若想順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，滿足行業(yè)發(fā)展需求，必須保證其具備快速、精準(zhǔn)的測(cè)距過(guò)程。為滿足上述領(lǐng)域的應(yīng)用需要，對(duì)脈沖式激光測(cè)距的接受電路與計(jì)時(shí)技術(shù)進(jìn)行了研究。本文將就接收電路及計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行分別研究。

關(guān)鍵詞：脈沖激光測(cè)距;接受電路;計(jì)時(shí)電路

脈沖激光測(cè)距是當(dāng)代最先進(jìn)的測(cè)距方式之一。其特點(diǎn)主要有：測(cè)試速度快、測(cè)試距離遠(yuǎn)、測(cè)試方向準(zhǔn)確、能夠抵抗絕大部分干擾。因此，這種測(cè)距方法被應(yīng)用于各行各業(yè)。作為脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)中最重要的兩個(gè)部分，接收電路及計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)將直接影響脈沖激光測(cè)距的精準(zhǔn)度。

一、接收電路系統(tǒng)

接收電路系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)脈沖激光測(cè)距過(guò)程中信號(hào)的接收與轉(zhuǎn)換，是保證脈沖激光測(cè)距結(jié)果正確性的重要組成部分。以下將就接收電路的原理及重要電路進(jìn)行解析。

（一）接收電路原理框圖

在測(cè)距過(guò)程中，激光測(cè)距接收電路的運(yùn)行原理，如圖1所示。通過(guò)圖中可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成接收電路的主要部分分別有，APD驅(qū)動(dòng)電路、高壓發(fā)生電路、反饋回路、前置放大電路、放大整形電路。幾個(gè)部分之間存在緊密的關(guān)系，維持測(cè)距工作的運(yùn)行。高壓發(fā)生電路作為電壓的主要輸出者，它負(fù)責(zé)不斷產(chǎn)生高壓，并將高壓輸送給APD驅(qū)動(dòng)電路，以此作為維持APD運(yùn)行的動(dòng)力。而反饋電路主要作用于高壓發(fā)生電路，它是保中高壓穩(wěn)定的主要環(huán)節(jié)。它能夠確保在工作過(guò)程中，電源電壓、溫度等其他干擾因素不會(huì)影響高壓的工作，另外可在有限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓的調(diào)控。APD驅(qū)動(dòng)電路是信號(hào)的中轉(zhuǎn)站，在其中對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，它負(fù)責(zé)接受回波光脈沖信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷好}沖信號(hào)，之后將轉(zhuǎn)變后的電壓脈沖信號(hào)傳輸給前置放大電路。前置放大電路與放大整形電路是信號(hào)加工環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)對(duì)完成預(yù)處理的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步加工，通過(guò)放大與整形，使其成為回波截止信號(hào)。這一些號(hào)將被直接送往測(cè)量單元，完成時(shí)間間隔的測(cè)量。

（二）APD驅(qū)動(dòng)電路

如圖2所示，該圖為APD的完整驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)圖中線路可知，APD電路由VH為開(kāi)端，VH是指高壓發(fā)生電路產(chǎn)生的能夠維持APD工作的電壓，其電壓為160V。電壓在進(jìn)入APD驅(qū)動(dòng)電路后經(jīng)過(guò)限流電阻R1，對(duì)電壓進(jìn)行加工，發(fā)揮保護(hù)電路的作用，防止因電壓過(guò)大導(dǎo)致晶體管發(fā)生損壞。當(dāng)電壓經(jīng)過(guò)電阻攔截后，安全的電壓將被輸送至APD，在這一過(guò)程中，會(huì)經(jīng)過(guò)濾波電容C，它的主要作用是去除高壓傳輸所造成的雜波。APD的主要功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，而之后的運(yùn)算放大器OPA356和電阻R2將進(jìn)一步完成將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的工作。最后，將轉(zhuǎn)換完成的信號(hào)向后續(xù)電路輸出。

（三）放大整形電路

前置放大電路輸出的信號(hào)，幅度、信噪比還不足以滿足測(cè)量單元的要求。為了得到足夠的放大倍數(shù)和更高的信噪比，后續(xù)的信號(hào)處理還需要進(jìn)行放大和整形。信號(hào)的放大處理采用同相比例運(yùn)算電路，進(jìn)行固定增益的放大。信號(hào)的整形處理采用比較器MAX913，正端為輸入信號(hào)，負(fù)端接電源，通過(guò)電位器調(diào)節(jié)電壓，作為比較電壓，提取出“干凈”的脈沖信號(hào)，以提高測(cè)量精度。

二、測(cè)距計(jì)時(shí)方法

在脈沖激光計(jì)時(shí)的主要依靠時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器插補(bǔ)法，而插補(bǔ)法主要分為以下三種。

（一）時(shí)間振幅轉(zhuǎn)換法

時(shí)間振幅轉(zhuǎn)換法的具體過(guò)程如圖3所示。它的原理為：將恒電源I與電容C進(jìn)行連接，保證當(dāng)待測(cè)時(shí)間開(kāi)始后，同步開(kāi)啟I對(duì)C的充電。因C的端電壓與充電時(shí)間的長(zhǎng)短呈正比，所以，在保證待測(cè)時(shí)間與充電過(guò)程同時(shí)結(jié)束的情況下，C的電容壓就會(huì)與待測(cè)時(shí)間呈正比。在待測(cè)時(shí)間結(jié)束后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將C的電容壓進(jìn)行測(cè)量，將能得出待測(cè)時(shí)間。

（二）時(shí)間放大法

1968年左右，人們研究出時(shí)間放大法，它與振幅轉(zhuǎn)換法在待測(cè)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的步驟基本一致。但在待測(cè)時(shí)間結(jié)束后，時(shí)間放大法會(huì)將會(huì)將電容器與小于充電電流的恒流源電容器進(jìn)行連接，開(kāi)啟線性放電。從開(kāi)始放電起，對(duì)較長(zhǎng)的放電時(shí)間內(nèi)進(jìn)行記錄，直到電容器的端電壓回歸原始值。通過(guò)放電時(shí)間的記錄能夠計(jì)算出充電時(shí)間，即為待測(cè)時(shí)間。

（三）傳遞延時(shí)法

在經(jīng)過(guò)電子元件與連接導(dǎo)線時(shí)，信息傳輸過(guò)程必然會(huì)出現(xiàn)時(shí)間延遲現(xiàn)象，而傳遞延時(shí)法就是利用信號(hào)傳輸時(shí)發(fā)生的時(shí)間延遲作為主要測(cè)量手段的一種測(cè)量短暫時(shí)間的方法。這種測(cè)量方法采用全數(shù)字使得計(jì)時(shí)手段，具備要方便優(yōu)勢(shì)。第一，傳遞延時(shí)法是所有方法中間隔時(shí)間最短的方法。因?yàn)樗軌蛴米羁斓乃俣葘?shí)現(xiàn)測(cè)量，從而能夠達(dá)到兩次測(cè)量間隔時(shí)間最短。第二，傳遞延時(shí)法穩(wěn)定性最佳。因?yàn)樗乃须娐范技杏谝粔K芯片上，所以電路面積最小，電路面積越小，穩(wěn)定性越高。

三、總結(jié)

脈沖激光測(cè)距已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)相關(guān)行業(yè)中，隨著產(chǎn)業(yè)需求的提高，對(duì)測(cè)距的精準(zhǔn)度的要求也在不斷提高，因此針對(duì)脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)的接受電路及計(jì)時(shí)方法的研究也在不斷深入。

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作者簡(jiǎn)介：陳明銳（1998-），漢族，安徽淮北人，本科在讀。