本发明涉及一种超高速精准测距系统。
背景技术：
随着激光科技的发展，在测距领域采用激光测距具有高速、高效和精准测量的优势，激光测距系统成为了市场不可或缺的测量设备。然而传统的激光测距其测量精度和测量频率均不够高，同时传统激光测距系统的电路比较复杂，成本高。因此，设计一款超高速精准测距系统，以解决传统激光测距所存在的上述问题，成为所述技术领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：提供一种超高速精准测距系统，解决现有技术测距精度差、电路复杂、以及成本高的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种超高速精准测距系统，包括逻辑控制电路、激光发射电路、激光接收电路、以及光学模块；
所述逻辑控制电路包括主要完成逻辑控制且内部嵌设有32位arm处理器和时差测量单元的高速fpga芯片、以及与所述高速fpga芯片连接的外围电路，所述时差测量单元主要用于产生差分窄脉冲信号并集成有lvds控制单元和高精度延迟线单元，所述32位arm处理器主要用于读取和控制来自fpga内部的时差信号并进行高速数据运算，所述32位arm处理器内集成有dac/adc单元和spi/i2c接口；
所述激光发射电路包括与高速fpga芯片产生差分窄脉冲信号输出端连接的高速驱动电路、与所述高速驱动电路的输出端连接的脉冲激光二极管、以及高速放大整形电路，所述脉冲激光二极管通过高速放大整形电路与高精度延迟线单元连接；
所述激光接收电路包括雪崩二极管、与所述雪崩二极管的n极连接的前置i/v电路、与前置i/v电路的输出端连接并对该前置i/v电路输出的信号进行差分放大的高效增益放大电路、以及与所述雪崩二极管的触发极连接的高压产生电路，所述高效增益放大电路输出差分lvds信号且其输出端与lvds控制单元连接，所述高压产生电路由dc/dc电路组成且其控制端口与dac/adc单元连接；
所述光学模块包括圆柱形固定框架、均设于圆柱形固定框架内的激光发射模组和激光接收模组，所述激光发射模组位于脉冲激光二极管的激光发射端并用于将脉冲激光二极管发射的激光进行扩束聚焦，所述激光接收模组位于雪崩二极管前端并用于将脉冲激光二极管所发射激光经过被测目标反射后的反射信号进行聚焦并光学滤波。
进一步地，所述激光发射模组包括位于脉冲激光二极管激光发射端的激光扩束镜片和位于该激光扩束镜片后端的激光聚集镜片，所述脉冲激光二极管发射的激光经过激光扩束镜片扩束后形成一定发散角度后再经激光聚集镜片聚焦成一个6mm大小的圆点光斑后打到被测目标。
进一步地，所述激光接收模组包括位于雪崩二极管前端的窄带滤光片和位于该窄带滤光片前端的接收聚集镜片，所述脉冲激光二极管所发射激光经过被测目标反射后的反射信号经过接收聚集镜片聚焦后再经过所述窄带滤光片滤光后透射至雪崩二极管。
进一步地，所述时差测量单元产生160khz、30ns窄脉冲信号并以差分模式将该窄脉冲信号输入至高速驱动电路；所述32位arm处理器的运算频率为100mhz，并且读取和控制来自fpga内部时差数据并运算处理。
进一步地，所述高速驱动电路输出vpp为10v、上升沿时间低于8ns、相位抖动低于10ps、脉冲宽度为30ns的窄脉冲至脉冲激光二极管用于驱动该脉冲激光二极管发射激光。
进一步地，所述高速放大整形电路将脉冲激光二极管上的电流信号进行高速放大整形成ttl电平再输入高精度延迟线单元，所述ttl电平与输入脉冲激光二极管的窄脉冲信号同步。
进一步地，所述前置i/v电路的传输带宽为622mbps，并且能将na级别的电流信号转换成mv级别的电压信号。
进一步地，所述高效增益放大电路的增益带宽为200m。
进一步地，所述高压产生电路输出低纹波，其可编程输出电压范围为100v-200v，其驱动电流为1ma。
进一步地，所述脉冲激光二极管所发射激光为905nm近红外光，且平均光学功率低于8mw；所述窄带滤光片为905nm窄带滤光片。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明具有高速驱动特点。在发射输入端采用高速fpga产生一对差分信号作为窄脉冲产生信号，有效的消除了高速电路的自激振荡干扰，其调制产生频率可达160khz，窄脉冲信号可达30ns，超低相位频率抖动；32位arm处理器内部数据运算频率高达100mhz，读取和控制来自fpga内部时差数据并运算处理，并且内部的spi/i2c接口向外快速输出时差测量信号，利用其内部集成的adc/dac精确控制高压输出。
(2)本发明具有发射激光峰值功率可调的特点。发射电路功率根据输入的窄脉冲宽度来调节输出功率，根据环境所需，可自动调节发射窄脉冲宽度，从而很好的解决了长距离和短距离测距的分辨率。
(3)本发明具有信号信噪比高的特点。接收电路采用单独电流输入，差分电压输出，增强了信号的抗干扰能力，使雪崩二极管拥有良好电流增益，经过增益放大后的lvds信号直接进入fpga的lvds单元，这使得回波信号更强，拍频信号信噪比更高，容易识别和采集。
(4)本发明具有成本低，电路简化，保密性高的特点，传统的tof测距需要发射电路，接收电路，时差测量电路和数字控制电路，故而该系统电路成本高，调试复杂，本发明所有时差信号均由逻辑控制电路的高速fpga完成，并利用该高速fpga采集发射电路电路的起始信号，lvds单元则采集来自接收端的差分信号，lvds单元则采集来自接收端的差分信号，接收信号经过lvds单元后输出stop信号，将现有技术中的时差测量电路整体省去，节约了成本的同时，还简化了电路结构，使调试更加简单。
(5)本发明具有测距精度高速度快的特点，高速fpga输出窄脉冲，其相位抖动低于10ps，差分方式输出使得信号更加稳定，速度更快，使用高速fpga内部独特的delay-line，做时差延迟线，并且利用多周期测量技术，400m的时钟频率就可以得到厘米级的测量精度，同时还可以兼顾速度快的特点。
(6)本发明输出激光具有人眼安全的特点。发射光源采用905nm近红外光，平均光学功率低于8mw，满足等级classⅰ。
附图说明
图1为本发明构造原理图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-逻辑控制电路、2-激光发射电路、3-激光接收电路、4-光学模块、5-高速fpga芯片、6-32位arm处理器、7-外围电路、8-高速驱动电路、9-脉冲激光二极管、10-高速放大整形电路、11-雪崩二极管、12-前置i/v电路、13-高效增益放大电路、14-高压产生电路、15-圆柱形固定框架、16-激光发射模组、17-激光接收模组、18-激光扩束镜片、19-激光聚集镜片、20-接收聚集镜片、21-窄带滤光片、22-时差测量单元、23-lvds控制单元、24-高精度延迟线单元、25-dac/adc单元、26-spi/i2c接口。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图1所示，本发明提供的一种超高速精准测距系统，具有成本低，电路简化，保密性高的特点，传统的tof测距需要发射电路，接收电路，时差测量电路和数字控制电路，故而该系统电路成本高，调试复杂，本发明所有时差信号均由逻辑控制电路的高速fpga完成，并利用该高速fpga采集发射电路电路的起始信号，lvds单元则采集来自接收端的差分信号，lvds单元则采集来自接收端的差分信号，接收信号经过lvds单元后输出stop信号，将现有技术中的时差测量电路整体省去，节约了成本的同时，还简化了电路结构，使调试更加简单。
本超高速精准测距系统包括逻辑控制电路1、激光发射电路2、激光接收电路3、以及光学模块4；
所述逻辑控制电路1包括主要完成逻辑控制且内部嵌设有32位arm处理器6和时差测量单元11的高速fpga芯片5、以及与所述高速fpga芯片5连接的外围电路7，所述时差测量单元22主要用于产生差分窄脉冲信号并集成有lvds控制单元23和高精度延迟线单元24，所述32位arm处理器6主要用于读取和控制来自fpga内部的时差信号并进行高速数据运算，所述32位arm处理器6内集成有dac/adc单元25和spi/i2c接口26；
所述激光发射电路2包括与高速fpga芯片5产生差分窄脉冲信号输出端连接的高速驱动电路8、与所述高速驱动电路8的输出端连接的脉冲激光二极管9、以及高速放大整形电路10，所述脉冲激光二极管9通过高速放大整形电路10与高精度延迟线单元24连接；
所述激光接收电路3包括雪崩二极管11、与所述雪崩二极管11的n极连接的前置i/v电路12、与前置i/v电路12的输出端连接并对该前置i/v电路12输出的信号进行差分放大的高效增益放大电路13、以及与所述雪崩二极管11的触发极连接的高压产生电路14，所述高效增益放大电路13输出差分lvds信号且其输出端与lvds控制单元23连接，所述高压产生电路14由dc/dc电路组成且且其控制端口与dac/adc单元25连接；
所述光学模块4包括圆柱形固定框架15、均设于圆柱形固定框架15内的激光发射模组16和激光接收模组17，所述激光发射模组16位于脉冲激光二极管9的激光发射端并用于将脉冲激光二极管9发射的激光进行扩束聚焦，所述激光接收模组17位于雪崩二极管11前端并用于将脉冲激光二极管9所发射激光经过被测目标反射后的反射信号进行聚焦并光学滤光。
本发明具有发射激光峰值功率可调的特点，发射电路功率根据输入的窄脉冲宽度来调节输出功率，根据环境所需，可自动调节发射窄脉冲宽度，从而很好的解决了长距离和短距离测距的分辨率。
本发明具有信号信噪比高的特点，接收电路采用单独电流输入，差分电压输出，增强了信号的抗干扰能力，使雪崩二极管(apd)拥有良好电流增益，经过增益放大后的lvds信号直接进入fpga的lvds单元，这使得回波信号更强，拍频信号信噪比更高，容易识别和采集。
所述激光发射模组16包括位于脉冲激光二极管9激光发射端的激光扩束镜片18和位于该激光扩束镜片18后端的激光聚集镜片19，所述脉冲激光二极管9发射的激光经过激光扩束镜片18扩束后形成一定发散角度后再经激光聚集镜片19聚焦成一个6mm大小的圆点光斑后打到被测目标。
所述激光接收模组17包括位于雪崩二极管(apd)11p极前端的窄带滤光片21和位于该窄带滤光片21前端的接收聚集镜片20，所述脉冲激光二极管9所发射激光经过被测目标反射后的反射信号经过接收聚集镜片20聚焦后再经过所述窄带滤光片21滤光后透射至雪崩二极管(apd)11。
所述时差测量单元22产生160khz、30ns窄脉冲信号并以差分模式将该窄脉冲信号输入至高速驱动电路8；所述32位arm处理器6的运算频率为100mhz，并且读取和控制来自fpga内部时差数据并运算处理。
本发明具有高速驱动特点。在发射输入端采用高速fpga产生一对差分信号作为窄脉冲产生信号，有效的消除了高速电路的自激振荡干扰，其调制产生频率可达160khz，窄脉冲信号可达30ns，超低相位频率抖动；32位arm处理器内部数据运算频率高达100mhz，读取和控制来自fpga内部的时差信号的处理速度高达100mbps，并且内部的spi/i2c接口向外快速输出时差测量信号，利用其内部集成的adc/dac精确控制高压输出。
所述高速驱动电路8输出vpp为10v、上升沿时间低于8ns、相位抖动低于10ps、脉冲宽度为30ns的窄脉冲至脉冲激光二极管9用于驱动该脉冲激光二极管9发射激光。
本发明具有测距精度高速度快的特点，高速fpga输出窄脉冲，其相位抖动低于10ps，差分方式输出使得信号更加稳定，速度更快，使用高速fpga内部独特的delay-line，做时差延迟线，并且利用多周期测量技术，400m的时钟频率就可以得到厘米级的测量精度，同时还可以兼顾速度快的特点。
所述高速放大整形电路10将脉冲激光二极管9上的电流信号进行高速放大整形成ttl电平再输入高精度延迟线单元24，所述ttl电平与输入脉冲激光二极管9的窄脉冲信号同步。
所述前置i/v电路12的传输带宽为622mbps，并且能将na级别的电流信号转换成mv级别的电压信号；所述高效增益放大电路13的增益带宽为200m；所述高压产生电路14输出低纹波，其可编程输出电压范围为100v-200v，其驱动电流为1ma。
所述脉冲激光二极管9所发射激光为905nm近红外光，且平均光学功率低于8mw；所述窄带滤光片21为905nm窄带滤光片。
本发明输出激光具有人眼安全的特点，发射光源采用905nm近红外光，平均光学功率低于8mw，满足等级classⅰ。
本发明通过对脉冲激光在测距仪和目标间往返多个周期累计时间求平均来提高测距精度的方法。设计数时钟脉冲的频率为f，测距仪距目标的距离为s，光脉冲经过n个周期后所走的总路程和为l，
则
式中，m：计数器在n个周期中所计的总晶振脉冲个数；取m＝1得δ多＝c/2nft，即测距精度提高了n倍；设n＝20，ft＝400mhz，c＝3×108m/s，则当m＝1时，得δ多＝0.01875米，因此极大的提高了测距精度。
本发明中fpga以以下过程完成一次测量：发射-接收-固定延时-再发射-再接收-再延时，首先fpga产生第一个脉冲输入到高速驱动电路，并且内部计算器开始计数，当收到回波后，回波到达fpga让其通过fpga内部的固定延迟线，延迟时间为t，再由此回波产生第二个脉冲并输入到到高速驱动电路，并且用fpga可以很方便地调节脉冲的宽度；重复以上过程，当产生n个脉冲并收到回波后停止计数，此时计算器的值就是n次测量的计数，根据公式就可算出测量的距离；
则
式中m0为延时t内计数器的计数值，且m0＝t*ft。
本发明中将32位arm处理器6嵌设于高速fpga芯片5内为现有成熟技术。本发明具有驱动高速、发射激光峰值功率可调、信号信噪比高、成本低、电路简化、保密性高、测距精度高速度快、以及输出激光人眼安全的特点，具备突出的实质性特点和显著的进步，适于广泛推广应用。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。