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用的測距技術。激光測距技術若想順應時代發展，滿足行業發展需求，必須保證其具備快速、精準的測距過程。為滿足上述領域的應用需要，對脈沖式激光測距的接受電路與計時技術進行了研究。本文將就接收電路及計時電路的設計進行分別研究。

關鍵詞：脈沖激光測距;接受電路;計時電路

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

一、接收電路系統

接收電路系統主要負責脈沖激光測距過程中信號的接收與轉換，是保證脈沖激光測距結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。通過圖中可以發現，構成接收電路的主要部分分別有，APD驅動電路、高壓發生電路、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系，維持測距工作的運行。高壓發生電路作為電壓的主要輸出者，它負責不斷產生高壓，并將高壓輸送給APD驅動電路，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生電路，它是保中高壓穩定的主要環節。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實現對高壓的調控。APD驅動電路是信號的中轉站，在其中對信號進行預處理，它負責接受回波光脈沖信號，對其進行處理，轉變為電壓脈沖信號，之后將轉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節，主要負責對完成預處理的信號進行進一步加工，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驅動電路

如圖2所示，該圖為APD的完整驅動電路。通過圖中線路可知，APD電路由VH為開端，VH是指高壓發生電路產生的能夠維持APD工作的電壓，其電壓為160V。電壓在進入APD驅動電路后經過限流電阻R1，對電壓進行加工，發揮保護電路的作用，防止因電壓過大導致晶體管發生損壞。當電壓經過電阻攔截后，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變為電流信號，而之后的運算放大器OPA356和電阻R2將進一步完成將電流信號轉變為電壓信號的工作。最后，將轉換完成的信號向后續電路輸出。

（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和更高的信噪比，后續的信號處理還需要進行放大和整形。信號的放大處理采用同相比例運算電路，進行固定增益的放大。信號的整形處理采用比較器MAX913，正端為輸入信號，負端接電源，通過電位器調節電壓，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字轉換器插補法，而插補法主要分為以下三種。

（一）時間振幅轉換法

時間振幅轉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進行連接，保證當待測時間開始后，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。在待測時間結束后，通過模數轉換器（A/D）將C的電容壓進行測量，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，它與振幅轉換法在待測時間內進行的步驟基本一致。但在待測時間結束后，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行連接，開啟線性放電。從開始放電起，對較長的放電時間內進行記錄，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

在經過電子元件與連接導線時，信息傳輸過程必然會出現時間延遲現象，而傳遞延時法就是利用信號傳輸時發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字使得計時手段，具備要方便優勢。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測量，從而能夠達到兩次測量間隔時間最短。第二，傳遞延時法穩定性最佳。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，穩定性越高。

三、總結

脈沖激光測距已經被廣泛應用于各個相關行業中，隨著產業需求的提高，對測距的精準度的要求也在不斷提高，因此針對脈沖激光測距系統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。