基于回波波形累加和波形采样的激光测距系统的制作方法

本实用新型涉及激光雷达，特别是一种基于回波波形累加和波形采样的激光测距系统。

背景技术：

激光测距是最常用的激光传感技术之一，应用领域广泛，如军事、航天领域的远距离目标探测、工业领域的近距离高可靠性目标探测、民用领域的高速高精度目标探测等，尤其是在民用领域，随着自动驾驶、无人机、智能移动机器人、智能仓储、安防预警等行业的发展，对激光测距提出了更高的要求，如自动驾驶对激光测距的作用距离和测距精度要求较高、无人机避障或者观测对系统的体积和重量要求较高、智能机器人对系统的探测动态范围和成本要求较高等等，总而言之，是对激光测距机的成本、体积、重量和测距性能都提出了更高的要求。

目前，常用的激光测距主要是基于飞行时间测量原理实现，根据实现方式不同，又分为直接飞行时间测量原理和间接飞行时间测量原理。其中直接飞行时间测量法主要是脉冲式激光测距，通过测量激光脉冲往返目标的飞行时间获取目标的距离信息；间接飞行时间测量法根据实现方法不同又包括：线性调频式激光测距、相位式激光测距、光源调幅式激光测距。通常基于直接飞行时间测量法的激光测距技术通常采用时间差测量芯片实现，测距精度通常为几毫米；基于间接飞行时间测量法的激光测距技术通常可以实现更高的测距精度，但测距精度与测距范围成反比，为了实现高精度测距，测距范围一般也较小，不能满足实际应用需求。但无论采用何种测距方法，在进行大范围激光测距时，都离不开探测动态范围的问题，为了实现大动态范围的探测，通常需要采用多通道探测的方式，造成系统结构复杂、体积大、成本高，不利于激光测距技术的应用推广。还有其他的激光测距技术，如飞秒激光测距技术、干涉式激光测距技术等，由于受成本限制，并不适合民用领域的应用。

技术实现要素：

为克服现有激光测距技术在实现大动态范围探测和新型应用中所面临的高成本、大体积、低精度等问题，提出一种基于回波波形累加和波形采样的激光测距系统，该激光测距系统单通道探测的动态范围大于80dB，该激光测距系统具有成本低、体积小、重量轻、探测动态范围大、测距精度高、可实现多回波探测等优点。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种基于回波波形累加和波形采样的激光测距系统，其特点是：该激光测距系统由主控电路、激光光源组件、发射接收光学组件、激光探测电路和高速信号采集电路组成，所述的主控电路包括FPGA主控芯片及外围电路组成，所述的激光光源组件包括半导体激光器驱动电路和低成本的半导体激光器两部分，所述的半导体激光器的峰值功率范围通常在几百mW至几百W之间，脉冲宽度在1ns～20ns之间，所述的发射接收光学组件由发射光学镜组和接收光学镜组构成，所述的激光探测电路由光子数分辨探测器、放大电路和整形电路组成，所述的光子数分辨探测器的探测动态范围达到80dB以上，所述的高速信号采集电路由高速信号采集电路或专用高速AD芯片组成，激光回波电信号的采集速率不小于1Gbps；

所述的主控电路产生的光触发信号被所述的半导体激光器驱动电路接收后产生脉冲驱动电流，驱动所述的半导体激光器产生脉冲激光，该脉冲激光经所述的发射光学镜组准直后发射，发射的脉冲激光经目标反射后被所述的接收光学镜组接收，会聚至所述的光子数分辨探测器完成光电信号转换，输出的电信号经所述的放大电路和整形电路后，被所述的高速信号采集电路采集，所述的高速信号采集电路将采集的电信号输入所述的主控电路，所述的主控电路完成激光回波信号的时间位置的解析，结合出光触发信号的时间位置，得到激光脉冲的飞行时间，实现激光测距，测距精度可达0.3mm。

所述的激光光源组件由低成本的半导体激光器和相应的驱动电路组成，在进一步拓展测量距离时，采用更高激光功率的固体激光器或光纤激光器作为激光光源。

所述的光子数分辨探测器为硅基光电倍增管阵列光子数分辨型探测器或盖格模式光电雪崩二极管阵列光子数分辨型探测器。

所述的高速信号采集电路选用高速AD采样芯片和FPGA内置的高速采样电路。

本实用新型的优点在于：

①本实用新型在于将光子数分辨探测与高速数据采集相结合，实现了高灵敏度、高精度度、大动态范围的激光测距，本实用新型采用光子数分辨探测器，单通道探测动态范围大于80dB，相对于传统的基于APD探测的动态范围60dB，能够适用于对探测动态范围要求较高的应用。

②本实用新型的探测灵敏度高，相对于APD探测器，探测灵敏度提升了两个数量级，在相同作用距离要求下，本实用新型对系统的光源功率和接收口径要求较低，便于实现小型化、轻量化。

③本实用新型的探测精度高，可以实现0.3mm的测距精度，而传统的基于飞行时间测量原理的激光测距技术无法实现亚毫米级的测距精度，本实用新型同时可以实现多目标回波的探测，拓展了该技术的应用范围。

附图说明

图1为本实用新型基于回波波形累加和波形采样的激光测距系统的整体机构示意图；

图中：100—主控电路，200—激光光源组件，201—半导体激光器驱动电路，202—半导体激光器，300—发射接收光学组件，301—发射光学镜组，302—接收光学镜组，400—激光探测电路，401—光子数分辨探测器，402—放大电路，403—整形电路，500—高速信号采集电路。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应依次限制本实用新型的保护范围。

先请参阅图1，图1为本实用新型基于回波波形累加和波形采样的激光测距系统的结构示意图，由图可见，本实用新型基于回波波形累加和波形采样的激光测距系统，由主控电路100、激光光源组件200、发射接收光学组件300、激光探测电路400和高速信号采集电路500组成，所述的主控电路100包括FPGA主控芯片及外围电路组成，所述的激光光源组件200包括半导体激光器驱动电路201和低成本的半导体激光器202，所述的发射接收光学组件300由发射光学镜组301和接收光学镜组302构成，所述的激光探测电路400由光子数分辨探测器401、放大电路402和整形电路403组成，所述的高速信号采集电路500由高速信号采集电路或专用高速AD芯片组成；

所述的主控电路100产生光触发信号，被所述的半导体激光器驱动电路201接收后产生脉冲驱动电流驱动所述的半导体激光器202后产生脉冲激光，该激光经所述的发射光学镜组301准直后出射，激光经目标反射后被所述的接收光学镜组302接收，会聚至所述的光子数分辨探测器401完成光电信号转换，输出的电信号经所述的放大电路402和整形电路403后，被所述的高速信号采集电路500采集，所述的高速信号采集电路500将采集的电信号输入所述的主控电路100，所述的主控电路100完成数据的处理，实现激光测距。

以某场合下的对目标的测距为实施例，采用大功率的半导体激光器202作为光源，激光器的发射功率为12W，激光波长为905nm；主控电路100产生光触发信号，触发频率在1kHz～2MHz之间，脉冲宽度在2ns～10ns之间，半导体激光器驱动电路201接收到触发信号后产生脉冲驱动电流，驱动电流在0.5A～18A之间，经过半导体激光器202后产生脉冲激光，激光经发射光学镜组301准直后出射，激光经目标反射后被接收光学镜组302接收，会聚至光子数分辨探测器401，完成光电信号转换，信号又经放大电路402和整形电路403后，被高速信号采集电路500采集，高速信号采集电路的采样速率大于1Gbps，最后由主控电路100完成数据的处理，实现激光测距。本实用新型的创新性在于将光子数分辨探测技术与高速数据采集技术相结合，实现了高灵敏度、高精度度、大动态范围的激光测距。

本实施例采用的主要器件有：可用于产生固定时序和进行数据处理的FPGA主控芯片100，采用时钟频率为40MHz的CycloneⅡ系列的EP2C8Q208I8芯片；可用于产生脉冲驱动电流的半导体激光器驱动电路201EL7104芯片；中心波长905nm，峰值功率可达50W的905D1S3J06UA半导体激光器202；发射接收光学组件300可选用通用的光学透镜，以实现激光出射的准直和接收激光回波的会聚；光子数分辨探测器401可选用SENSL公司的MicroFC-SMA-30035探测器；放大电路402和整形电路403均可以选用通用模块；高速信号采集电路500选用高速AD转换芯片AT84AD001B实现，采样速率1Gbps。

更详细地说，本实施例的工作过程如下：

①参数设置和器件准备：主控电路100生成频率为100kHz、脉冲宽度为5ns的差分触发信号，该触发信号加载到半导体激光器驱动电路201，用以驱动激光光源输出相应频率和脉冲宽度光脉冲信号；

②半导体激光器驱动电路201的在接收到触发信号后，产生相应频率和脉冲宽度的驱动电流，电流大小可调，调节范围为0.5A～18A之间，可设置电流为6A，驱动电流加载到半导体激光器上，产生相应频率和脉冲宽度的激光输出，激光峰值功率为12W，激光经过发射光学镜组301准直后出射。

③接收光学镜组302接收目标反射回来的激光回波信号，并滤除背景光，接收口径为25mm，其将激光回波信号收集到光子数分辨探测器401上，完成信号的光电转换，电信号经放大电路402放大，又经整形电路403整形后，由高速信号采集电路500采集，采样速率为1Gbps，得到激光回波的波形。

④主控电路100对高速信号采集电路500采集的信号进行处理，基于内部时钟时序关系，得到激光脉冲往返目标的飞行时间，获取目标的距离值。

理论上高速信号采集电路的采样速率越高，测距精度越高，但由于实际使用过程中，受成本限制，采样率一般不会太高，为实现更高的测距精度，可以通过算法插值的方式获得更高的测距精度，另外，可以通过多次测距值平均的方式，获取更高的测距精度。基于1Gbps的激光回波信号采样率，通过算法插值可以将测距精度提升至10mm左右，通过多次测量平均，可以进一步提升测距精度至0.3mm，由于本系统的测距速率较高，即便是进行多次测量平均，依然可以保持较高的测距速率输出，实现高速测距。