脈沖激光測距接收電路與計時方法研究

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

關(guān)鍵詞：脈沖激光測距;接受電路;計時電路

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

一、接收電路系統(tǒng)

接收電路系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)脈沖激光測距過程中信號的接收與轉(zhuǎn)換，是保證脈沖激光測距結(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

在測距過程中，激光測距接收電路的運行原理，如圖1所示。通過圖中可以發(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。幾個部分之間存在緊密的關(guān)系，維持測距工作的運行。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)動電路，以此作為維持APD運行的動力。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程中，電源電壓、溫度等其他干擾因素不會影響高壓的工作，另外可在有限范圍內(nèi)實現(xiàn)對高壓的調(diào)控。APD驅(qū)動電路是信號的中轉(zhuǎn)站，在其中對信號進(jìn)行預(yù)處理，它負(fù)責(zé)接受回波光脈沖信號，對其進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷好}沖信號，之后將轉(zhuǎn)變后的電壓脈沖信號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加工環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)對完成預(yù)處理的信號進(jìn)行進(jìn)一步加工，通過放大與整形，使其成為回波截止信號。這一些號將被直接送往測量單元，完成時間間隔的測量。

（二）APD驅(qū)動電路

如圖2所示，該圖為APD的完整驅(qū)動電路。通過圖中線路可知，APD電路由VH為開端，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)動電路后經(jīng)過限流電阻R1，對電壓進(jìn)行加工，發(fā)揮保護(hù)電路的作用，防止因電壓過大導(dǎo)致晶體管發(fā)生損壞。當(dāng)電壓經(jīng)過電阻攔截后，安全的電壓將被輸送至APD，在這一過程中，會經(jīng)過濾波電容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轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘枺蟮倪\算放大器OPA356和電阻R2將進(jìn)一步完成將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕墓ぷ?。最后，將轉(zhuǎn)換完成的信號向后續(xù)電路輸出。

（三）放大整形電路

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

二、測距計時方法

在脈沖激光計時的主要依靠時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器插補法，而插補法主要分為以下三種。

（一）時間振幅轉(zhuǎn)換法

時間振幅轉(zhuǎn)換法的具體過程如圖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)待測時間開始后，同步開啟I對C的充電。因C的端電壓與充電時間的長短呈正比，所以，在保證待測時間與充電過程同時結(jié)束的情況下，C的電容壓就會與待測時間呈正比。在待測時間結(jié)束后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將C的電容壓進(jìn)行測量，將能得出待測時間。

（二）時間放大法

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

（三）傳遞延時法

在經(jīng)過電子元件與連接導(dǎo)線時，信息傳輸過程必然會出現(xiàn)時間延遲現(xiàn)象，而傳遞延時法就是利用信號傳輸時發(fā)生的時間延遲作為主要測量手段的一種測量短暫時間的方法。這種測量方法采用全數(shù)字使得計時手段，具備要方便優(yōu)勢。第一，傳遞延時法是所有方法中間隔時間最短的方法。因為它能夠用最快的速度實現(xiàn)測量，從而能夠達(dá)到兩次測量間隔時間最短。第二，傳遞延時法穩(wěn)定性最佳。因為它的所有電路都集中于一塊芯片上，所以電路面積最小，電路面積越小，穩(wěn)定性越高。

三、總結(jié)

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

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作者簡介：陳明銳（1998-），漢族，安徽淮北人，本科在讀。