一种脉冲激光测距仪及测距方法

技术领域

本发明涉及激光测距技术，特别涉及远距离范围高精度小体积的脉冲激光测距仪及测距方法。

背景技术

传统的小体积脉冲激光测距仪主要有两种，一种是采用905nm波段的半导体激光器作为光源的测距仪，但是半导体激光器能量小，光束质量差导致这种的小体积激光测距仪很难完成远距离的目标探测，而且测距精度差，单次测量精度一般在几十厘米甚至一米左右，无法满足在小体积应用场景下高精度测距的需求。

另一种是采用了1550nm波段的半导体泵浦固体激光器发的测距仪，由于这种激光器激光能量大，光束质量好，可以完成远距离测距任务，测量距离往往在几公里的级别，但种产品还存在以下一些问题。

(1)系统动态范围不足导致的测量量程小：

若以远距离探测为主，将探测电路的增益设置的很大，会导致近距离处波形失真严重，距离测量值出现偏差；若为了兼顾近距离探测，将探测电路的增益设置的很小，则探测器电路无法响应远处目标，从而导致最大测量距离下降，市面上类似的产品往往采用手动设置灵敏度的方式解决这个问题，这就导致每次测量不同目标时都要重新手动设置测距仪灵敏度，使用起来极其不便。

(2)测距行走误差大，测距精确度不高：

测距仪在测距时会受到行走误差的干扰，如图1所示，实际的信号探测电路中，一般采用阈值判别法，得到的测距时间为t

(3)功耗、性能和体积无法兼容：

根据市场调研结果，目前市面上的小体积激光测距仪精度较高的一般都功耗高，体积大，而功耗低体积小的手持激光测距仪精度都比较差。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种脉冲激光测距仪，其特征在于，包括:

大功率半导体泵浦激光器驱动模块：在主控模块给出的驱动信号的作用下产生驱动电流驱使半导体泵浦激光器出光；

小体积高增益激光回波探测模块：将回波光信号转换为电压信号后进行增益、放大和整形；

主控模块：产生驱动信号给大功率半导体泵浦激光器驱动模块，接受小体积高增益激光回波探测模块的信号并进行处理，并将处理结果反馈给上位机，同时给整个测距仪供电。

本发明创造性的：

1、在单次测量模式下，为保证回波信号不失真不饱和，要求测距仪系统具有一定自动调节灵敏度的能力(而不是手动)，回波信号强时系统增益小，回波信号弱时系统增益大；在多次测量模式下，测距系统能够根据前一次回波信号水平迅速设置合适的系统增益，保证下一次回波信号不饱和不失真，以增大测距的量程。

2、传统的行走误差消除方式无法应对回波信号幅值严重失真的情况，本发明提出了一种新的行走误差消除方法：

在单次测量的模式下，使用过阈值时间配合动态灵敏度的办法消除行走误差，在多次测量模式下使用动态阈值比较加自适应灵敏度的方法消除行走误差。

在上述的一种脉冲激光测距仪，所述大功率半导体泵浦激光器驱动模块包括依次连接的

升压稳压电路：用于将主控模块输入的3.3V电压升压为5V电压，给大功率半导体泵浦激光器驱动模块供电

升压电路：用于产生12V电压给储能电容充电。

储能电容：用于在激光驱动信号的控制下进行放电，输出电流。

恒流输出控制器：用于将储能电容输出的电流整形为脉冲直流电。

在上述的一种脉冲激光测距仪，小体积高增益激光回波探测模块包括依次连接的

APD：为光敏器件，用于将回波光信号转换为电流信号

跨阻放大器：用于将电流信号转换为电压信号，并且有不同的增益模式，能够通过主控模块的MCU发出的增益控制信号进行控制

差分放大器：用于将电压信号按照用户设定进行放大，并输出差分信号；

电流反馈放大器：用于将电压信号按照用户设定进行整形；

比较器：通过主控模块输入的阈值电压在探测到激光回波时产生不同脉冲宽度的STOP信号和STOP互补信号。

在上述的一种脉冲激光测距仪，主控模块包括

电源模块：与电池相连，用于给整个测距仪供电；

MCU：用于制所有模块，使系统工作在设定的状态，并处理测距数据补偿测距误差。

温度传感器：用于监控整个系统的温度，并将温度值传给MCU；

偏置电压DAC：用于控制APD偏置电压电路输出的电压值；

阈值电压DAC：向小体积高增益激光回波探测部分的比较器提供比较阈值；

TDC芯片一：用于接收半导体泵浦激光器产生的START信号和高增益激光回波探测部分的比较器产生的STOP信号并计时；

TDC芯片二：用于接收半导体泵浦激光器产生的START信号和高增益激光回波探测部分的比较器产生的STOP信号并计时；

蓝牙模块：用于和上位机通信设置系统的工作模式；

OLED模块：用于显示测距值；

储存模块：用于存储测量数据；

APD偏置电压电路：输出APD的偏置电压。

一种脉冲激光测距仪的测距方法，其特征在于，包括：

步骤1、开始测量之前，在大功率半导体泵浦激光器驱动部分中，稳压电路通过升压电路向储能电容充电；主控部分中温度传感器向MCU输入当前温度值，并得到不同温度下APD灵敏度补偿系数V

步骤2、若要进行单次测量，首先需要使用者粗略估计当前的大气透过率和目标的反射率，并通过上位机(手机，电脑等带蓝牙的设备)向蓝牙模块中输入估计的大气透过率和目标反射率数值以获得精度更高的测距值。

步骤3、单次测量开始，首先主控部分通过MCU向大功率半导体泵浦激光器驱动部分输入驱动信号，在驱动信号和恒流输出控制的共同作用下大功率半导体泵浦激光器驱动部分输出恒流驱动，半导体泵浦激光器出光，同时MCU根据设定的值控制偏置电压DAC按照图14所示的方式输出电压，并通过APD偏置电压电路将放大后的APD偏置电压输入到激光回波探测部分中APD的电压输入位置。

步骤4、激光击中目标后返回并被APD接收，信号放大后经过比较器输出STOP信号和STOP互补信号。

步骤5、TDC1芯片和TDC2芯片分别对STOP信号和STOP互补信号进行计时测距，并按照图8的方法得到脉宽值，MCU将得到的脉宽值输入存储模块中和图12所示的曲线进行配对，得到此时的行走误差值，并将其补偿给TDC1芯片的测距值。

步骤6、将测距值输入OLED和存储模块中进行显示和保存。

步骤7、若要进行多次测量，使用者需要将测距仪保持稳定，然后开始进行连续测距模式，主控部分通过MCU向大功率半导体泵浦激光器驱动部分输入一定频率固定脉宽的驱动信号，在驱动信号和恒流输出控制的共同作用下大功率半导体泵浦激光器驱动部分输出一定频率固定脉宽的脉冲电流，半导体泵浦激光器按照一定频率出光。

步骤8、在主控部分接收到第一次信号后，开始通过偏置电压DAC和APD偏置电压电路对APD的增益进行调整，若第一次回波幅值过小，按比例增大APD偏置电压的值；若第一次回波的幅值过于饱和，则按比例增大回波信号的值，保证回波信号在未失真区间内。

步骤9、MCU控制阈值电压DAC在每次回波到来之前改变激光回波探测部分中比较器的阈值，每次探测都会存下两个数据点一个DAC阈值电压值，其中时间值较小的为STOP信号到达的时间，时间值较大的为STOP互补信号到达的时间，测量次数可根据需要通过上位机进行设置。

步骤10、多次测量结束，主控部分停止发射驱动信号，激光器停止出光，MCU开始计算时间重心，计算完成后将测距结果显示在OLED上，同时也将测距结果存入存储模块中。

因此，本发明具有如下优点：

1、体积小功耗低

2、测程远，测距动态范围大

3、能够补偿测距行走误差，测距精度高

附图说明

附图1为行走误差示意图；

附图2为总体框图；

附图3为大功率半导体泵浦激光器驱动部分框图；

附图4为电流稳定示意图；

附图5为恒流输出控制器输出实测图；

附图6为小体积高增益激光回波探测部分框图；

附图7为脉宽获得方式示意图；

附图8为小体积高增益激光回波探测部分输出实测图；

附图9为主控部分框图

附图10为不同幅值脉冲与脉宽和行走误差的关系；

附图11为脉冲脉宽和行走误差的关系；

附图12为非合理失真示意图；

附图13为V

附图14为多次探测模式补偿测距误差示意图；

附图15为时间重心计算方法示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。本发明一共由三个部分组成，包括：大功率半导体泵浦激光器驱动部分、小体积高增益激光回波探测部分和主控部分。

其中大功率半导体泵浦激光器部分由升压稳压电路、升压电路、储能电容、恒流输出控制器组成；其作用为在主控部分给出的驱动信号的作用下产生驱动电流驱使半导体泵浦激光器出光；该部分的电源由主控部分提供。

主控部分主要由电池、电源模块、温度传感器、偏置电压DAC、阈值电压DAC、TDC芯片1、TDC芯片2、MCU、蓝牙、OLED、储存模块、APD偏置电压电路组成；其中：电源模块将电池输入的电压转换为各模块可用的电压；温度传感器用于监控整个系统的温度，并将温度值传给MCU；偏置电压DAC主要用于控制APD偏置电压电路输出的电压值；阈值电压DAC主要功能是向小体积高增益激光回波探测部分的比较器提供比较阈值；TDC芯片1用于接收半导体泵浦激光器产生的START信号和高增益激光回波探测部分的比较器产生的STOP信号并计时；TDC芯片2用于接收半导体泵浦激光器产生的START信号和高增益激光回波探测部分的比较器产生的STOP互补信号并计时；蓝牙主要用于和上位机通信设置系统的工作模式；OLED用于显示测距值；存储模块用于存储测量数据。

小体积高增益激光回波探测部分主要由APD、跨阻放大器、差分放大器、电流反馈放大器、比较器组成；其中：APD为光敏器件，主要用于将回波光信号转换为电流信号；跨阻放大器将电流信号转换为电压信号，并且有不同的增益模式，可通过MCU发出的增益控制信号进行控制；差分放大器和电流反馈放大器用于电压信号的放大和整形；比较器可通过主控部分输入的阈值电压在探测到激光回波时产生不同脉冲宽度的STOP信号和STOP互补信号。

本实施例是通过以下技术方案来实现的一种大量程高精度的小体积激光测距仪，其特征在于：

1、包含一种小体积高能量密度的大功率半导体泵浦激光器驱动部分，如图3所示。

(1)当驱动信号为低时，稳压电路将输入的3.3V电压转换为5V电压，并通过升压电路将电压升为10V，并向储能电容充电，储能电容由多个钽电容组成，容值很大，在2mF左右，此时由于驱动信号为低，N型MOS1关闭，电流无法流向下一环节，所以此时为储能电容充电状态，激光器不出光。

(2)当驱动信号拉高，升压电路关闭，避免过流损毁，比较器1输出高电平，同时N型MOS1打开，由于此时采样电阻上还没有电压，所以比较器2输出低电平，P型MOS打开，N型MOS2关闭，电流直接流向半导体泵浦激光器——采样电阻——地，完成循环，此时采样电阻上开始出现电压，电压值为流过半导体泵浦激光器的电流和采样电阻的阻值的乘积。

(3)当流过半导体泵浦激光器的电流超过一定值，采样电压的值就会超过参考电压源提供的判别阈值，此时比较器2输出高电平，该高电平为过流信号，因为激光器中的电流已经超过限定值，需要减小电流，所以此时P型MOS关闭，N型MOS2打开，电流通过限流电阻流向半导体泵浦激光器——采样电阻——地，完成循环，同时采样电阻上的电流由于限流电阻的作用开始减小，采样电压开始减小，当采样电压小于判别电压时比较器重新输出低电平，P型MOS打开，N型MOS2关闭。

在驱动信号拉低前不断重复(2)，(3)过程，在极短的时间后电流值稳定，如图4所示。

(4)激光器出光，驱动信号拉低，N型MOS1关闭，同时保护电容开始放电，避免激光器内部因电流变化太快而损毁，升压电路打开，重新开始向储能电容充电。实测电流信号如图5所示。

2、包含一种小体积低功耗的高增益激光回波探测部分，其主要功能是将回波光信号转换为电信号，并通过比较器输出STOP信号和STOP互补信号，如图6所示。

该部分主要由APD、跨阻放大器、高通滤波器、差分放大器、电流反馈放大器，差分输出比较器组成。该部分特征在于：

(1)跨阻放大器具有脉冲展宽功能，可以适当降低信号的频率，从而降低系统的带宽要求；

半导体泵浦激光器激光脉宽很低，只有4ns左右，如果不对信号加以处理，则后续信号处理电路需要很高的带宽，无论是放大器还是比较器都需要选用高增益带宽乘积的器件，而这些器件价格昂贵、体积大、功耗高，不满足小体积系统的需求。为解决这个问题，在跨阻放大器上加装了额外的电容电阻用于适当减小信号频率，降低系统功耗需求，跨阻放大器输出信号的带宽由电容电阻的乘积RC决定。

(2)使用差分放大器作为反向放大器使用；

跨阻放大器输出的信号为反向的负脉冲，为方便使用需要将负脉冲反向放大为正想脉冲，而传统的反向放大器需要引入负电源进行供电，这无疑又会增大系统的体积和功耗，为了避免引入负电源，使用差分放大器对负脉冲进行反向放大：将跨阻放大器输出的负脉冲经过高通滤波器之后输入差分放大器的负输入端端，同时差分放大器正输入端接地，这时差分放大器正向输出端就会输出反向放大后的正脉冲信号。

(3)通过差分输出比较器输出两路互补STOP信号；

本发明采用的误差消除方法需要测量特定阈值电压下的信号脉宽，通过两路互补STOP信号可以采用图7所示的方法获得激光飞行时间和信号脉宽。

TDC测量时间的方式是测量相领上升沿之间的时间，对于STOP信号来说上升沿为信号脉冲的前沿与阈值电压的交点，对于STOP互补信号来说上升沿为脉冲的后沿与预置电压的交点，假设START信号与STOP信号之间的时间差为T1，TART信号与STOP互补信号之间的时间差为T2，那么脉冲宽度就为T2-T1。实际试验测试图片如图8所示。

3、包含一种低功耗的具有测距误差补偿功能的主控部分，该部分能够通过控制小体积低功耗的高增益激光回波探测部分和小体积高能量密度的大功率半导体泵浦激光器驱动部分实现大量程高精度的距离测量。本系统主控部分主要通过随距离改变灵敏度和过阈值时间测量的方式减小单次测量误差，并增大单次测量量程，通过动态过阈值时间测量金额自适应灵敏度调整的方法消除多次测量误差，并增大多次测量模式中的测距量程，主控部分的详细结构如图9所示，该部分主要组成部分有电池、电源模块、温度传感器、偏置电压DAC、阈值电压DAC、TDC芯片1、TDC芯片2、MCU、蓝牙、OLED、储存模块、和高压升压模块和高压放大器组成的APD偏置电压电路。该部分主要特征在于；

(1)在单次测量模式下使用一种随距离变化动态APD灵敏度和过阈值时间的方法减小行走误差：

根据实验经验，在一定的探测器线性区间内，不同的回波幅值对应有不同的激光脉宽，如图10所示，就算信号有一定程度的饱和，其脉宽信息也能够反映其行走误差的大小，而且在一定范围内唯一的回波幅值对应唯一的行走误差大小，想要确定行走误差的大小需先通过图8所示的方式获取脉宽ΔT：

ΔT＝T

为了确定ΔT与ΔT

A、在每个小体积测距仪正式使用前取不同的回波幅值进行测量得到各自的信号脉宽ΔT

B、将(ΔT

C、将曲线参数存入主控部分的存储模块中，作为行走误差补偿数据；

D、单次测量后根据测量得到的脉宽值从存储模块中计算得到响应的行走误差值并对测距值进行补偿。

同时为了保证测距距离，小体积高增益激光回波探测部分的增益很大，最大增益可达12000Kv/W，导致在近距离时激光回波信号已经严重失真，无论什么方法都无法提取到有效波形脉宽信息，严重干扰过阈值时间法补偿行走误差的效果，甚至会产生误触发，如图12所示，为了防止在近距离处激光信号严重饱和，并增大系统的测量量程，需要系统在近距离处激光探测的增益小，在远距离处激光探测的增益大。根据激光雷达方程：

各参数意义如表1所示

表1

根据经验，对回波能量影响最大的几个因素为：大气透过率、目标反射率、测距距离，而大气透过率和目标反射率是可以根据经验估计的，在对大气透过率和目标反射率有初步估计的情况下可以用如下的方法使测距仪在整个测距区间都有比较合适的灵敏度。

A、假设APD增益随偏置电压的变化的关系为Q(V

其中P

B、假设激光回波探测部分输出的电压V

又因为R＝C×t，其中C为光速，t为激光的飞行时间，所以有：

根据APD增益随偏置电压的变化的关系可以得到：

V

C、由图9可知

所以只需要通过MCU根据激光飞行的时间t设置合适的V

因为所选用的APD为铟镓砷APD，其增益随偏置电压的变化近似为线性，所以

Q＝a×V

a为线性系数，V

V

(2)多次测量模式下采用自适应灵敏度和动态阈值估计时间重心的方式减小测距误差。

从上文通过单次测量可以估计回波的幅值，所以在多次测量的条件下可以通过第一次测量的值来调整测距仪的灵敏度，使后面的回波均落入非失真区间内，同时MCU控制阈值电压DAC在每一次回波脉冲回来之前改变阈值，进行动态阈值的时间重心估计，具体方式如下：

A、在对同一目标进行多次测量时需固定测距仪，假设在短时间内测距条件不变，测距仪通过过阈值时间的方式可以得到第一次回波的幅值和距离；方法如图10所示；

B、在二次回波到来之前通过改变偏置电压DAC的值来改变APD的灵敏度，使回波幅值保持在未失真的区间内，若第一次回波幅值过小，按比例增大APD偏置电压的值；若第一次回波的幅值过于饱和，则按比例增大回波信号的值，进行自适应调整。

C、MCU控制阈值电压DAC在每次回波到来之前改变激光回波探测部分中比较器的阈值，如下图14所示：

D、多次测量模式持续时间在一秒左右，共计10发脉冲，可以假设在这一秒内每次回波的脉冲波形都是相同的，每发脉冲都会回来两个数据点一个DAC阈值电压值，其中时间值较小的为STOP信号到达的时间，时间值较大的为STOP互补信号到达的时间。

将时间信息与阈值信息结合估计脉冲的时间重心，如图15所示，则时间重心的计算方式为

因为半导体泵浦激光器的重频低，最大往往只有10Hz，所以在每发脉冲之间有足够的时间让主控部分进行控制与计算，通过这种方式测距仪的多次测量误差可达2到5cm，测量量程可增加1.5倍。整个主控部分的PCB面积为3*4cm，整体功耗为1W，满足小体积低功耗的使用要求。

激光器采用人眼安全波段的1550nm的半导体泵浦激光器，其能量在100uJ～300uJ之间，最大重频在10Hz左右，输出激光脉冲宽度为4～8ns；APD采用铟镓砷APD其在1550nm处的增益最大可达30A/W，选用的APD的增益随偏置电压的变化最好是近似线性的；储能电容采用大容量高耐压值的钽电容阵列，增加系统的安全性减小系统的体积；

P型MOS和两个N型MOS均选用大电流的晶体管以减小系统散热和功耗；采样电阻选择高精密的合金电阻，确保电流控制的准确性和稳定性；跨阻放大器的展宽后带宽设置为50～80MHz左右，这个带宽范围的芯片能耗比比较高；

MCU应选用单片机，因为激光频率低单片机的处理速度完全满足需求，而且功耗低价格便宜；MCU选用TDC-GP22，体积小，功耗低，时间抖动小，测时精度高；高压放大器采用TI公司的耐压90V高电压放大器；

存储模块采用高容量的FLASH芯片；接收望远镜口径为25.4mm即可测量3km的距离；光学发射天线的激光发散角为400urad，光学接收天线的视场角为800urad；通过合理的芯片及器件选型，整机功耗不超过2.5W，体积不超过312cm

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。