一种基于开关电容阵列采样的半导体激光测距机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光测距领域，具体涉及一种基于开关电容阵列采样的半导体激光测距机。
【背景技术】
[0002]激光测距技术在国民生活、军事应用等领域有着广泛的应用，对小体积、低成本、远距离、低功耗、高精度的激光测距系统有着强烈的需求。然而受激光光源、探测器灵敏度等因素限制，以上多种需求通常难以同时获得。基于半导体激光器的激光测距机具有较小的体积、功耗，是一种常见的小型测距仪器，但受到半导体激光器发射功率的较低的影响，单脉冲探测作用距离通常仅数百米。
【发明内容】
[0003]为提高半导体激光测距机的测量距离范围和测距精度，本发明提供了一种基于开关电容阵列采样器件的半导体激光测距机。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下:
[0005]—种基于开关电容阵列采样的半导体激光测距机，包括与主控模块相连的发射端和接收端；
[0006]所述发射端依次包括:LD驱动模块，LD模块，以及LD整形发射模块；
[0007]所述接收端依次包括:回波接收模块，APD放大模块，SCA采样积分模块，以及ADC丰吴块；
[0008]所述SCA采样积分模块中包含确定数量N的采样单元，每个采样单元包括采样开关，输出开关和采样电容；
[0009]数字脉冲按顺序传播，使得各采样单元的采样开关依次闭合，采样开关闭合时，输入电流信号将对对应位置的采样电容充电。
[0010]在上述技术方案中，所述SCA采样积分模块中的采样单元的数量大于2Rf/c，其中R为目标距离，f为采样频率，c为真空中光速。
[0011]在上述技术方案中，输入信号米样时，米样开关的开、闭状态由一个延迟链控制，按照时间先后顺序，依次闭合、打开；所述延时链由2N个反向器构成，每个反向器可以将输入的数字信号延迟Λ t/2，每两个电容开关间经过2个反向器，使到达相邻两级采样开关间的信号延时为At。
[0012]在上述技术方案中，当所述SCA采样积分模块接收到LD驱动模块的信号后，产生一个极短的数字脉冲，输入到所述延时链中。
[0013]在上述技术方案中，所述数字脉冲在所述延时链中按顺序传播，使得各采样单元的采样开关依次闭合，相邻采样单元采样开关闭合时间间隔为At，采样开关闭合时，输入电流信号将对对应位置的采样电容充电。
[0014]在上述技术方案中，采样次数的确定方法为:设计算单次信噪比为(S/N)sl_ =a，距离处理处理所需的信噪比为(5作)_#=13，则所需的采样次数可取为~彡(b/a) 2ο
[0015]本发明具有以下的有益效果:
[0016]本发明以具有高速采样能力的开关电容阵列为核心器件，配合外围电路，实现对激光回波信号的高速采样、存储、积分功能。通过多次发射激光脉冲，将每次发射后所接收到的信号进行采样、存储、积分后，利用各次测量间噪声的非相干性，提高最终测量信号的信噪比，从而提高了半导体激光测距机的测量距离范围。
[0017]基于开关电容阵列的采样电路具有极高的采样速度，可达到5GSPs/s以上。因此也获得了极高的时间分辨率和目标距离分辨率。通过后续对采样信号的分析与处理，可以获得更高的距离测量精度。
[0018]本发明对传统半导体激光测距机进行了改进，利用开关电容阵列作为信号的采样、存储、积分器件，与传统基于采样积分方式的激光测距技术相比，具有更低的功耗、更快的处理速度、更高的时间分辨率，对降低半导体激光测距机的功耗，提高测距精度和分辨率具有积极意义。
[0019]除激光测距领域外，基于SCA采样积分的信号处理技术还可以应用于其它可重复性微弱信号的测量、检测等领域，提高系统探测信噪比，具有较大应用前景。
[0020]本发明利用开关电容阵列采样技术，实现微弱信号的采样积分，利用噪声的非相干性，通过多脉冲发射接收后，提高系统的测量信噪比，从而大幅提高半导体激光测距机的测量范围。同时开关电容阵列的高频采样能力，配合后续信号处理也具体进一步提高半导体激光测距机的目标距离测量精度的潜力。
【附图说明】
[0021]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0022]图1为基于SCA采样积分的半导体测距机原理框图。
[0023]图2为开关电容阵列采样积分原理示意图。
[0024]图3为典型回波信号与目标距离处理示意图。
[0025]图中的附图标记表示为:
[0026]1,4-采样开关；2、5_采样电容；3、6_输出开关。
【具体实施方式】
[0027]本发明的发明思想为:利用开关电容阵列SCA实现对微弱信号的采样积分，有利于提高激光测距机的微弱信号探测能力，同时降低系统功耗、成本以及系统复杂度，实现系统的小型化、远距离测距。
[0028]下面结合附图对本发明做以详细说明。
[0029]本实施例中以:主控，LD驱动，LD，LD整形发射，回波接收，APD放大，SCA采样积分，以及ADC，分别代表:主控模块，LD驱动模块，LD模块，LD整形发射模块，回波接收模块，APD放大模块，SCA采样积分模块，以及ADC模块。
[0030]本发明所涉及的半导体激光测距机原理框图如图1所示。
[0031]主控接收上位机的命令，开始测距。由主控产生触发脉冲，由激光二极管LD驱动将脉冲进行进一步的整形处理，驱动LD产生短脉冲激光，通常为数纳秒至数十纳秒间。LD整形发射系统将LD的发射激光光束进行整形，压缩发散角(通常压缩至mrad量级)后，照明目标。回波接收系统将由目标返回的激光信号收集后，投射到雪崩光电二极管APD探测器光敏面，由APD将光信号转变为电流信号，并将电流信号进行高通滤波和放大后输入SCA米样积分。
[0032]SCA采样积分中包含确定数量N的采样单元，采样单元的数量与目标的距离、采样频率相关。通常需要大于2Rf/c，其中R为目标距离，f为采样频率，c为真空中光速。每个采样单元主要包括两个高速开关和一个采样电容。输入位置开关的开、闭状态，决定了采样电容是否接收输入信号电流。而输出开关的开、闭状态决定了输出信号由哪个采样电容产生。输入信号采样时，开关的开、闭状态由一个延迟链控制，按照时间先后顺序，依次闭合、打开。延时链由2N个反向器构成，每个反向器可以将输入的数字信号延迟Λ t/2，每两个电容开关间经过2个反向器，使到达相邻两级采样开关间的信号延时Λ t。当SCA采样积分模块接收到LD驱动模块的信号后，产生一个极短的数字脉冲，输入到延时链中。该数字脉冲在延时链中按顺序传播，使得各采样单元的采样开关依次闭合，相邻采样单元开关闭合时间间隔为Λ t，开关闭合时，输入电流信号将对对应位置的采样电容充电。
[0033]包含9个采样单元的SCA阵列如图2所示。