一种相位式激光测距系统的光能量稳定控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自动控制技术领域，涉及对激光测距仪光电转换后的电信号功率的控 制装置，具体地涉及一种相位式激光测距系统的光能量稳定控制装置。
【背景技术】
[0002] 激光测距仪通过测量激光往返时间来测定目标相对距离，在近程（几十米）测量 中，其单次测量精度已经达到毫米级。作为一种可以快速获取目标精确距离信息的有效手 段，高精度激光测距在诸如工业现场非接触测量、激光三维扫描、航天器交会对接等领域都 获得了广泛应用。激光测距仪一般用于测量非合作目标。在近程测距应用中，由于目标距 离、反射特性等在大动态范围内变动，激光回波功率会发生剧烈变化。而为了保证高精度的 距离测量，回波探测放大系统必须严格工作在线性区避免探测到的回波饱和失真，同时，其 输出的信号幅度需要稳定在一定范围内以减小时刻鉴别带来的距离行走误差。
[0003] 现有激光测距技术按调制信号不同，分为脉冲式激光测距和相位式激光测距。脉 冲式激光测距仪采用脉冲波调制，测量距离可达上千米，但精度只有毫米级；相位式激光测 距仪采用连续波调制，测量距离在百米以内，精度在亚毫米级甚至更高。
[0004] 在上述回波功率大幅度变化的情况下，实现高精度测距需要在回波接收系统中引 入增益控制技术。激光测距仪回波接收系统的增益由光增益和电增益两部分组成。相对于 光增益，电增益的调整一般通过改变电路放大倍数实现，具有调整速度快、易集成等优点， 便于进行自动增益控制。
[0005] 现有技术方案测距仪是将探测器接收到的信号，经过光电转换后的电信号直接反 馈激光器控制端，或者将该电信号通过一个二极管取其幅度，再反馈到激光器控制端。采用 这些方案的测距仪幅相误差较大，而且需要较长的开机稳定时间，使得开机速度慢。
【发明内容】
[0006] (一）要解决的技术问题
[0007] 为解决现有测距仪存在幅相误差大，而且需要较长的开机稳定时间太长，使得开 机速度慢的技术问题，为此，本发明目的是降低激光测距系统幅相误差和缩短开机稳定时 间，为此提供一种相位式激光测距系统的光能量稳定控制装置。
[0008] (二）技术方案
[0009] 为达成所述目的，本发明提供一种相位式激光测距系统的光能量稳定控制装置， 所述装置包括：探测器、可变增益放大器、混频解调单元、第一滤波器、第二滤波器、驱动控 制单元、增益控制单元、激光驱动电路和激光器，其中 ：
[0010] 探测器，用于接收经目标物反射激光回波信号，将光功率变化的激光回波信号转 换并输出光功率幅度变化的电信号；
[0011] 可变增益放大器的输入端与探测器的输出端连接，对光功率幅度变化的电信号进 行放大，控制可变增益放大器输出光功率幅度增益变化的高频电信号；
[0012] 混频解调单元的输入端与可变增益放大器的输出端连接，用于将可变增益放大器 输出的高频电信号与混频解调单元的本地振荡电路产生的信号混频滤波，并输出中频信 号；
[0013] 第一滤波器的输入端与混频解调单元的输出端连接，用于提取中频信号中含有的 激光光功率漂移的低频信号；
[0014] 第二滤波器的输入端与混频解调单元的输出端连接，用于提取中频信号中含有的 瞬时光功率变化信息；
[0015] 驱动控制单元的输入端与第一滤波器输出端连接，将低频信号中的激光光功率漂 移量生成并输出激光光功率漂移电压量；
[0016] 增益控制单元的输入端与第二滤波器输出端连接，对瞬时光功率变化量进行量 化，将量化的光功率变化量反馈给可变增益放大器，实现接收光功率的自动增益控制；
[0017] 激光驱动电路的电流控制端与驱动控制单元的输出端连接，将激光光功率漂移电 压量反馈给激光器驱动电路并生成调制电流，控制并输出激光驱动电路增加或减少的调制 激光发射功率反馈信号；
[0018] 激光器的输入端与激光驱动电路输出端连接，利用调制激光发射功率反馈信号， 对激光器功率漂移的自动补偿，驱动激光器发射具有稳定激光发射功率和接收信号幅值的 自动增益控制的调制激光信号。
[0019] (三）有益效果
[0020] 为快速稳定激光发射信号的功率,减小接收光功率变化对测距精度的影响,本发 明通过从电学角度设计，对相位式激光测距仪出射激光功率和光电转换后的电信号幅度进 行自动增益控制，提出在相位式激光测距系统中，接收光经光电转后对光电转换信号的双 闭环双负反馈自动增益控制装置，即通过激光器驱动电路控制出射激光的平均功率和接收 电路增益的检测，通过可变增益放大器控制光电转换后信号的瞬时功率，降低了激光测距 系统幅相误差和缩短开机稳定时间，提高了开机速度，实现高精度激光测距仪的自动增益 控制。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明相位式测距系统的光能量稳定控制装置结构示意图；
[0022] 图2是本发明激光器T0LD9442M输出功率与调制电流的关系。
[0023] 图3是本发明的具体实施例。
【具体实施方式】
[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0025] 相位式激光测量通过鉴别激光传播引起的相位差测量目标距离，精度可达毫米级 甚至更高。影响相位式激光测量的主要误差主要包括偶然误差和幅相误差。其中偶然误差 主要由信号噪声产生，通过提高待测信号信噪比可以有效抑制偶然误差。幅相误差是由于 信号强弱不同而引起的测距偏差。在100米内测量时，可将目标视为扩展目标，此时相位式 激光测距系统的作用距离d与接收功率P d的关系为：
[0027] 式中Pd为接收功率，m为半导体激光器的调制深度，Ta大气传输系数，P目标半 球反射率，D接收孔径，H ,接收光学效率，H ,发射光学效率，Ps为激光发射功率。其中激 光发射功率Ps、半导体激光器的调制深度m、发射光学效率η t、接收光学效率η d、接收孔径 D视为定值，大气传输系数Ta对接收功率Pd的影响较小，而当目标半球反射率P和相位式 激光测距系统的作用距离d变化时，接收功率P d具有较大的动态范围。比如目标半球反射 率P不变而距离从1米增加到100米时，接收功率Pd衰减40dB。所以激光测量接收到的 信号动态范围较大，由此引起的误差可达厘米级甚至更大，高精度测量时相位式激光测距 系统常常控制接收功率P d的动态范围，以降低幅相误差。
[0028] 激光测距回波接收系统的增益包括光增益和电增益，传统降低幅相误差的方案是 从光增益入手，通过调节光增益来控制信号功率。随着电子技术的快速发展，通过控制放大 器的放大倍数调整电增益的方案成为可能。而且电学角度的自动增益控制相对于光学控 制，具有反应速度快，精度高的特点，非常适合高速测量。电子学自动增益控制模块逐渐集 成化、智能化，使对电增益的控制更加简单可行。
[0029] 半导体激光器的输出功率易受温度等影响，图2显示了温度对一半导体激光器的 影响，图中所示为输出功率与调制电流的关系，表明温度对调制电流有较大影响，当温度升 高时，达到相同的输出光功率需要更大的调制电流。温度变化会引起激光器发射光功率的 漂移，增加系统稳定时间的同时导致探测器输出的相位延迟量变化，在探测器处产生幅相 误差；除半导体激光器外，其它器件如晶振等的幅度特性也会随着时间和温度变化，导致激 光器输出功率发生漂移变化。此外，由于相位式激光测距系统接收目标物反射的激光回波， 接收光功率的大小与目标物反射系数成正比，而接收光功率的变化经过电路转换后也反映 为电信号相位延迟量的变化，在信号处理电路处产生幅相误差。
[0030] 如图1示出本发明设计一套位式激光测距系统的光能量稳定控制装置，是可同时 稳定激光发射功率和接收信号幅度的自动增益控制装置，包括：探测器1、可变增益放大器 2、混频解调单元3、第一滤波器4、第二滤波器5、驱动控制单元6、增益控制单元7、激光驱 动电路8和激光器9 ;该装置通过提取相位式激光测距系统接收信号中不同的频率成分，反 映激光器9发射功率的漂移变化和接收光功率瞬时变化，搭建两个负反馈控制环路实现激 光发射功率和接收信号幅值的自动稳定控制，在减少相位式激光测距系统稳定时间的同时 降低由幅相误差引入的测距误差。激光器9发射激光，到达目标物后反射激光回波，由探测 器1接收回波信号并完成光电转换形成电信号。接收电信号经过处理后反馈到激光驱动电 路8和可变增益放大器2的输入端，实现对激光器9的输出光功率和接收信号幅度实施精 确fe制。
[0031] 本发明中由可变增益放大器2、混频解调单元3、第一滤波器4、驱动控制单元6、激 光驱动电路8构成激光发射功率控制环路。当探测器1输出信号经混频解调单元3调制后， 第一滤波器4提取的频率分量增大时，驱动控制单元6的输出电流减小，控制激光驱动电路 8降低激光发射功率；第一滤波器4提取的频率分量减小时，驱动控制单元6的输出电流增 大，控制激光驱动电路8增加激光发射功率。
[0032] 本发明中由可变增益放大器2、混频解调单元3、第二滤波器5、增益控制单元7构 成接收信号增益控制环路。探测器1的输出信号控制可变增益放大器2的放大倍数，当第 二滤波器5提取的频率分量减小时，增益控制单元7的输出电压降低，控制可变增益放大器 2提高增益；第二滤波器5提取的频率分量增大时，增益控制单元7的输出电压上升，控制 可变增益放大器2降低增益。
[0033] 激光器9,用于发射经调制的激光信号，激光信号照射在目标物上，目标物反射激 光回波信号；
[0034] 探测器1，用于接收经目标物反射激光回波信号，将光功率变化的激光回波信号转 换并输出光功率幅度变化的电信号，所述光功率幅度变化的电信号含有一相位延迟量，所 述光功率幅度变化的电信号相位延迟量包含目标物的距离信息；
[0035] 可变增益放大器2的输入端与探