半导体脉冲激光测距机的硬件电路设计.doc

1引言1.1国内外研究状况及发展趋势激光技术自六十年代以来，已经进入了许多军事技术领域，提供了大量的装备，显著的提高了侦测、识别、导航、指挥、控制、通讯、训练和光电对抗等军事技术，大大的加强了军事打击和防御能力，成为军事“力量倍增器”。它可准确的获得目标的有关特征信息，如目标位置（距离、方位和高度）、运动状态和形状等，从而实现对目标的探测、跟踪、定位和识别。由于激光的频率比微波高三四个数量级，并且波束窄、方向性好和相干性强，因此与微波雷达相比，激光雷达具有测量精度高、分辨率高、抗干扰能力强和隐蔽性好、体积小、重量轻等独特优点，其发展受到许多国家的重视，应用也日益广泛。七十年代，YAG激光器技术日益成熟并开始大量应用于激光测距，八十年代，远程、中程、近程的激光测距主要采用的是YAG激光器，如：坦克、炮队激光测距、大地测量。八十年代半导体激光二极管（LD）技术日趋成熟，随着半导体激光二极管在提高输出功率、改进光束方向性和提高探测器灵敏度等方面不断取得重大进展，LD或LDA（激光二极管阵列）开始应用于中、短程测距，它具有体积小、重量轻、结构简单、使用方便，对人眼安全、性价比高等一系列优点。八十年代，美国Sandia国家实验室研制成半导体激光主动成像雷达导引头试验系统及其信号处理装置；九十年代，该实验室又研制成功非扫描半导体激光主动成像雷达。此外美国科学应用国际公司与美国海军研究室还开展了双模式成像激光雷达的研究；美国Sandia国家实验室还提出了将合成孔径雷达和激光雷达融合为一体的末端制导概念。总之，激光雷达在国外己经进入实用化阶段。由于国外自九十年代就已经开始大力发展LD激光雷达，目前LD激光雷达在中、远程激光雷达应用方面有取代YAG激光雷达的趋势，近年又发展了一种便携式、对人眼安全、无合作目标、低价的适用家庭的LD激光测距仪，既能作为望远镜又具有测距功能，如：1996年下半年美国Bushnell公司推出了测距能力为400码的400型小型、轻便、省电、对人眼安全、低价的LD激光测距机Yardage400（800），已被评为1997年世界一百项重要科技成果之一；1997年Bushnell公司在网上又推出测距能力为800码的800型激光测距仪；1998年美国Tasco公司又推出测距能力为800码的摄像机型LasersiteLD激光测距仪[3]。显然，从测程、测频和小型化等方面来看。上述LD激光测距仪经过改进后，是可以满足末敏弹的测程和定位要求。值得注意的是，美国报道的采用脉冲测距原理的高重复率激光雷达演示系统已实现10KHz的测频，测程2公里，测距精度为±50mm，距离分辨率为±14mm，可以对建筑物等景物成清晰的距离象。国内在微型化LD激光测距仪方面的研究尚处于发展阶段，有些单位有该项研究的报道。其中中国计量大学光电子所与国内外合作开发了LD两种型号（一种光学三分离式的；一种接收与瞄准结合的光学望远镜式的）低价、省电、便携式的激光测距机，测距能力达1Km，测距精度为±1m。1.2本文的主要内容本文主要是关于超小型脉冲激光测距电路部分的设计和研制。其具体内容包括脉冲激光的发射和接收的硬件电路模块、高精度计数模块、控制模块及数据采集。其中高精度计数和控制模块是超小型脉冲激光测距机的核心部分，是关键之所在。1.脉冲激光的发射电路模块的设计及研制这一模块主要是设计一个驱动电路，用来驱动850nm波长的高性能半导体激光二极管SPLLL85发射脉冲激光（结合光学系统）。其中所要解决的问题是如何产生频率重复率高达10KHz的脉冲激光信号，该脉冲信号脉冲宽度必须小于25ns，由测距的范围（300m）决定，单次光脉冲信号的能量不能小于10W。2.光信号的接收和放大及整形模块这一部分是决定高精度技术模块是否能工作的前提。其中首要解决的问题是如何利用高性能的光电转换器件（Si-APD）接收到能量达到10-9W量级的微弱回波信号（结合光学系统）；然后是利用合适带宽放大器对接收到的脉冲宽度约为25ns脉冲电信号进行放大（放大器的带宽不能小于80MHz，否则会导致放大后的波形失真，脉冲被展宽），如何提取出利用告诉比较器对信号进行滤波，滤除背景光和电路引起的噪声，来获得获得“高纯度”的脉冲触发信号供后续电路使用。3.高精度计数模块它是决定测距精度的核心部分，也是超小型脉冲激光雷达的核心部分。由于特殊的使用场合，首先主要解决使用低频晶振来产生高频率（125MHz）、高稳定度（小于±10ppm）的时钟基准，然后是利用这个时钟基准作为计数器和控制电路的基准信号，设计高时间分辨率计数电路，使电路时间分辨率达到2ns，并且有稳定的重复测距率（10KHz）和抗干扰性能。4.计数结果输出模块这一部分主要解决的问题是如何对15Mb/s计数的结果进行高速采集。分