本科毕业设计(论文)激光测距的研究

毕业设计（论文）

题目激光测距的研究

摘要……………………………………………………………………………………………（1）关键词…………………………………………………………………………………………（3）

前言...........................................................................................................................................................2

一脉冲激光测距的研究状况.................................................................................................................3

1.1国外研究状况................................................................................................................................3

1.2国内研究状况................................................................................................................................3

二激光测距原理.....................................................................................................................................3

2.1相位法激光测距............................................................................................................................4

2.2相位法优缺点...............................................................................................................................6

2.3脉冲激光测距的基本原理.........................................................................................................7

2.4脉冲激光测距仪的测距性能指标..............................................................................................15

2.5激光脉冲飞行时间法的关键技术..............................................................................................17

2.6小结..............................................................................................................................................20

三激光发射电路设计...........................................................................................................................21

3.1MULTISIM简介...............................................................................................................................21

3.2MULTISIM的界面...........................................................................................................................21

3.3激光脉冲发射电路设计.............................................................................................................22

四脉冲激光接收电路设计...................................................................................................................24

4.1基本要求......................................................................................................................................24

4.2前放设计分析..............................................................................................................................24

4.3整形电路......................................................................................................................................27

4.4计数电路.....................................................................................................................................28

4.5接收电路.....................................................................................................................................29

4.6PCB板..........................................................................................................................................30

五结束语...............................................................................................................................................31

致谢.........................................................................................................................................................31

参考文献：.............................................................................................................................................31

激光测距的研究

摘要:论文中讨论了相位激光测距和脉冲激光测距的基本原理，并就两种方法的优缺点做了对比分析。本论文就脉冲激光测距的方法进行了深入分析和研究，分析了脉冲激光测距系统工作的基本特征，分析了相关的一些主要参数，并依据原理设计了相关的电路，设计过程中优化了电路参数，并做了仿真分析和实践验证，文中也提供了系统的PCB图，系统工作稳定可靠。

Abstract:Inthispaper,theprinciplesoflaserrangebasedonphaseandpulsewerediscussedinthispaper,andtheadvantagesanddisadvantageswerecomparedandanalyzed.Thetypicalcharacteristicsofpulselaserrangefinderwerestudiedwiththetheory,thecircuitgraphwasdeignedandoptimizedbyanalyzingthemainparameters,thelaserrangefindersystemwasstableandreliablebysimulationandverification,and,thePCBofthecircuitwasshowninit.

关键词:激光测距；脉冲；相位；PCB

keywords：LaserRangingFinder；Pulse；Phase；Printedcircuitboard前言

脉冲半导体激光测距技术研究的目标是增大作用距离,提高测距精度,并在解决二维光学扫描的基础上,实现对目标的三维测量。经过近30年发展,其中几项关键技术有了很大的进展。

激光测距是最早成熟应用的军用激光技术，基于半导体激光器的测距研究伴随着半导体激光器的功率不断提高、工艺不断完善而逐渐发展起来的。本文首先介绍了脉冲半导体激光测距的基本原理和发展。结合工程实际，详细地描述了激光测距系统设计的理论和步骤，给出了结合软件防真的设计方法，得到了系统设计中发射激光峰值功率、脉冲前沿要求、接收信噪比等关键参数。然后，对系统中的各部分电路进行分析设计，对可能的方案进行分析，完成了基于晶体管的激光脉冲发射电路、基于光电二极管的接收前置放大器、恒比定时鉴别器及时间一幅度转换器等电路的设计并应用软件进行模拟仿真。

一脉冲激光测距的研究状况1.1国外研究状况

80年代半导体激光二极管技术日趋成熟，开始应用于中、短程测距雷达，它具有体积小、重量轻、结构简单、使用方便、对人眼安全、便宜等一系列优点。年代国外开始发展半导体激光雷达，在中、短程激光雷达应用方面有取代YAG激光雷达的趋势。近年来又发展了一种便携式、对人眼安全、无合作目标、低价的适用于家庭的半导体激光测距仪，既能作为望远镜又具有测距功能。如1996年美国Bushnell公司推出了测距能力400码的400型小型、轻便、省电、对人眼安全、低价LD的激光测距仪Yardage400，己被评为1997年世界百项重要科技成果之一;1997年Bushnell公司在Internet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公司测距能力为800码的摄像机型LasersiteLD激光测距仪。随着技术的不断进步乒不少专门从事该设备研制的公司如雨后春笋般涌现，应用范围不断扩大，半导体测距仪向集成化、小型化方向发展。例如，leica公司的VICTOR系列，还配备电子罗盘及倾角仪，测程>1km，重量1.2kg。据报道，2004年美国海军陆战队向leica公司定购了500套微型测距机，测程1km，重量仅293克。另外一种就是将半导体测距仪和光学瞄准镜、夜视等设备组合，具有测距和瞄准双重功能，如果配有弹道计算机，可根据距离信息计算弹道高，修正风偏，给出准确距离分划。例如美国SACMFCSⅡ侧轻武器通用模块火控系统，就具有这样的功能，据报道其测距能力大于2km。

1.2国内研究状况

国内样机的研究始于20世纪80年代，是在原固体、气体激光测距机基础上发展起来的。目前，基础技术已具备，主要是解决工程应用问题，开发各种应用产品。航天科工集团八三五八所研制出测程200m，精度0.5m，数据率100Hz的激光测距机。中科院上海光机所研制出便携式激光测距机，对漫反射水泥墙的测距达100m，采用300MHz计数方式，测距精度0.5m，重复频率1kHz。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距机，作用测距1km，精度

二激光测距原理

激光测距的方法可以归为三类：干涉法、三角法、飞行时间法。其中飞行时间法是根据直接或者间接获得的激光飞行时间来得到目标物距离，根据所发射激光状态的不同，可分为脉冲法激光测距和连续波激光测距，后者根据起止时刻标识的不同又分为相位法激光测距和调频激光测距。而干涉法、三角法属于非飞行时间法，是通过光子计数或数学统计的方法来得到目标物距离。目前，采用较多的是脉冲法激光测距和相位法激光测距，以下将这两种测距方法做简单原理描述。

2.1相位法激光测距

相位法激光测距就是通过测量连续的调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位变化来间接地测定信号传播时间，从而求得被测的距离。利用光速来测量距离时，要求测量范围大、测距精度高，但是由于光的速度极快，因而要求精确测量极短的时间间隔。相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高，一般为毫米级，为了得到有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。

本文只是从相位法原理上分析激光测距系统，如图1所示，激光测距系统主要包括相差测量单元、发射单元、接收单元，论文涉及的内容主要时相差测量单元。

目前相差测量单元基本上是设计电路并通过元器件（包括IC），在PCB版上实现。

首先，我们对相位法做详细分析。

相位法测距原理图如图1所示，通过测定调制光信号在被测距离上往返所产生的相位差φ，间接测定激光的往返时间t2D，进一步计算出距离DD=ct2D=c(公式1)

式中：c为光波在空气中的传播速度；D为调制光信号经过被测距离；φ产生的相位移；f为信号的调制频率。因为φ是以2π为模数的，所以

=2N+2N(公式2)

式中：N表示相位移中包含的2π的整数倍；ΔN表示调制光波最后不足整数的尾数

部分。由公式2可见，当>2π时，被测距离大于测尺长度，N≠2π而现有测量相位差的方法都不能测出N的值，这就造成了测量结果的多值性问题。当

Ds=c

2(公式3)

式中，Ds又称测尺长度，f越高，Ds越小；在被测距离确定时，f越高，产生的相位差越大，测量越精确。由公式3可知，不同的调制频率对应不同的测尺长度，调整调制频率使被测距离小于测尺长度就能够解决多值性的问题。使用单一频率调制的时候，测尺越长测量精度越低，即单频调制在扩展量程的同时牺牲了精度，所以，这种方法通常只在短程测量中使用。一般在测距仪中设置几种不同的测尺频率，粗测尺保证测距仪的量程，精测尺保证测距的精度，用他们同时测某段距离，将所测的结果组合起来，就可以得到单一的、精确的距离值。例如，为了测量288.13m这段距离，我们选用了两把精度皆为1‰的尺子，一把尺长为L1=10m，精度为1cm，另一把尺长L2=1000m，精度为1m。用L2测量时得288m，用L1测量剩余的长度为0.13m，组合结果得到完整距离值D为288.13。

多频调制测尺的选择方式常用的有直接测尺频率方式和间接测尺频率方式。

直接测尺频率方式

如果我们选择7.5MHz和75KHz的测尺频率，则测尺频率相差悬殊，硬件电路中放大器和调制器难以实现对各种测尺频率具有相同的增益和相对稳定性。然而这种方式结构简单，短程的测距仪由于测尺频率的分散性不大，可以选择此种方式，长程测距仪为了避免测尺频率过于分散，则不宜采用此方式。

2.间接测尺频率方式

长程测距仪和部分中程测距仪采用这种方式。

当用f1和f2两个测尺频率的光波分别测量同一段距离D时,则得两波的相位移1、2分别是：

1=2f1t=2（N1+N1）

2=2f2t=2（N2+N2）

其相位移之差为：（公式4）（公式5）

=1-2=2[（N1-N2）+（N1-N2）]=2（N+N）（公式6）

式中N=N1-N2，N=N1-N2

若用差频(f1-f2)作为光波的调制频率，其相位移为：

（公式7）'=2(f1-f2)t=2[（N1-N2）+（N1-N2）]=2（N+N）

由公式6、公式7可见：

'=（公式8）

上式说明，对同一段距离作相位法测量时，两个测尺频率分别测距的相位差的尾数之差，等于以上这两个测尺频率的差频来测距而得到的相位差的尾数'。

另外，我们还可以推导出以差频（f1f2）作为新的测尺频率fs（也称相当测尺频率）的距离公式。由前述可知，当我们用f1和f2两个测尺频率的光波测量同一段距离时，可得到：

D=LS1（N1+N1）=C（N1+N1）4f1

C（N2+N2）4f2（公式9）D=LS2（N2+N2）=（公式10）

将公式9、公式10两式交换并相减，则得：

4f4f=N1-N2+N1-N2所以D=（公式11）CC[（N1-N2）+（N1-N2）]=（N+N）（公式12）4(f1f2)4fs

式中fs=f1f2称为相当测尺频率（其中f1及f2称为间接测尺频率）。

N=N1-N2，N=N1-N2

设f0为基准调制频率，通常选择0.9f0、0.99f0、0.999f0……作为一组调制频率，进行测距，各调制频率比较接近，电路对各调制信号具有相同的增益和相移稳定性，适用于远程激光测距。

2.2相位法优缺点

相位法激光测距机的距离分辨率是很高的，通常相位分辨率要达到一个周期的1/1000是很容易的，由相位法激光测距的原理可以知道，只要调制频率足够的高，相位分辨率是可以达到很高的，例如:测距范围15m(测尺长度D=15m),采用差频测相,测尺频率f=c/2D,约为10MHz。电路选择本振频率fL=10MHz作为光波调制频率。由于采用差频测相,故另设置主

振频率fM=9.9985MHz,主本振之差频1.5kHz作为测相频率。采用数字检相技术,用fCP=10.8MHz基准脉冲做检相填充脉冲,结合应用进行高精度相位差测量,测相精度0.05°,测量精度为5mm，测相精度为0.05°(满周期填充脉冲数为10.8MHz/1.5kHz)=7200个,每个脉冲当量为360°/7200=0.05°)。

但是相位法测距，当调制频率提高，一方面使得其测程变得很短，另一方面对调制频率源要求非常高，所以相位法激光测距机难以同时实现大量程和高精度的测距，因此要实现高精度和大量程两个技术指标，就必须应用多个不同频率的测尺频率，从而增加了电路的复杂程度，通常相位法激光测距需要有合作目标，以提高回波功率，这在一定程度上限制了其工程应用，然而随着新型的电子器件的出现，随着检测精度的提高，这些矛盾最终是可以得到解决的。在短程测距当中，波相位法激光测距方式的分辩率比脉冲型激光测距方式要高，因此一般都选用这种测距方式。

随着相位法激光测距应用场合的日益广泛，对测距机的测距精度和测距速率要求也越来越高，采用传统方案的测距机己难以满足要求。目前的相位法测距机基于都引入了数字化处理以加快测距速率，同时精度也有了相当的提高，提高测距精度和测距速率的关键之一是测相技术的改进。目前基于差频数字测相的方法得到了应用，国外现在出现了采用同步解调的方法实现的测距机，在测距精度和速率上具有优势，应用前景良好。

2.3脉冲激光测距的基本原理

根据激光测距的基本原理激光测距技术又可分为脉冲测距和连续波相位测距两种。连续波相位测距是用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟,再根据调制光的波长,换算此相位延迟所代表的距离,即用间接方法测定出光经往返所需要的时间。连续波相位测距的精度极高,一般可达毫米级,但相对脉冲测距测量速度慢,测量距离短，电路结构复杂,成本高；激光脉冲测距方法相对长距离目标的测量,能够达到足够的测量精度和测量速度，目前激光测距系统多采用脉冲激光测距方法。本系统选择用激光脉冲测距法来完成距离测量。

脉冲激光测距是利用激光器对目标发射一个或一列很窄的光脉冲（脉冲宽度一般小于50ns），通过测量光脉冲到达目标并由目标漫反射返回到接收系统的时间计算出目标的距离。设目标距离为R，光脉冲往返时间为t,光在真空中的传播速度为c（c≈2.99×10m/s，并且光速c在空气中传输受介质、气压、温度、湿度的影响可忽略）,则有下列公式成立：8

Rct

2（公式13）

在脉冲激光测距中，t通常是通过测距计数器对从发射脉冲到目标并从目标返回到接收系统期间进入计数器的时钟脉冲个数的累计来测量的，具体如计时波形图所示。

设在t时间内，有N个时钟脉冲进入计数器，时钟脉冲的振荡频率为f0，

R

式中，LccNTNLN0（公式14）f0，表示每一个时钟脉冲所代表的距离增量。如计数器计数N个时钟脉冲，

则由公式14可得到目标距离R。L的大小决定了脉冲测距的测量计数精度。

2.3.1脉冲激光测距工作原理

脉冲激光测距仪大多由激光发射系统、激光接收系统和计数系统三个基本

部件组成，图3是它的原理示意图。它是通过测量激光光束在待测距离上往返

传播的时间来换算出距离的。

激光脉冲测距仪的工作过程大致如下:首先用瞄准光学系统瞄准目标，接着启动复位开关，复位电路给出复位脉冲，使整机复位，准备进行测距，同时触发脉冲激光器产生一个前沿陡峭、峰值功率高的激光脉冲。绝大部分激光能量经过发射光学系统压缩光束发散角后射向目标，这样的光脉冲射到几十公里远的地方，才只有几米直径的一个光斑。在脉冲发射出

去的同时，该激光脉冲有极少量能量由光取样器直接送到激光接收系统（即极小一部分光立即由两块反射镜反射而进入接收光学系统），作为发射信号。而射向目标的光脉冲，由于目标的漫反射作用，总有一部分光从原路反射回来，而进入接收光学系统，这就是回波信号。发射信号和回波信号先后经过滤光片由光电探测器转变为电脉冲，并经放大电路放大后，输送给阈值电路。超过阈值电平的信号被送至脉冲整形电路整形。整形后的发射脉冲使T触发器翻转，控制计数器对晶体振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使T触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。通过计数器累计出从激光发射至接收到目标回波期间所进入的时钟脉冲个数，就可根据晶体振荡器的振荡频率得到激光往返的时间，计算出目标距离。为了使光束对准目标发射，接收光学系统对准目标接收，一般要求瞄准光学系统、发射光学系统和接收光学系统三条光轴严格平行。

为了扩大测量范围，提高测量精度，不难看出测距系统对光脉冲应有以下要求:

1.光脉冲应该具有足够的强度。无论怎样改善光束的方向性，它总不可避免要有一定的发散，再加上空气对光线的吸收和散射，所以目标越远，反射回来的光能量就越弱，甚至根本接收不到。为了测量较远的距离，就要使光源发射具有较高功率密度的光强。

2.光脉冲的方向性要好。这有两个作用。一方面可把光的能量集中在较小的立体角内，以射得更远一些，另一方面可以准确判断目标的方位。

3.光脉冲的单色性要好。无论是在百天还是黑夜，空气中总回存在着各种杂散光线，其往往会比反射回来的光信号强得多。光脉冲的单色性越好，滤光片的效果就越佳，就越能够有效提高接收系统的信噪比，保证测量准确性。

4.光脉冲的宽度要窄。由于光速极快，光往返时间极短，光脉冲至少应该远远小于往返时间才能正常测量。另一方面窄脉冲能够可以提高系统的信噪比。

2.3.2脉冲激光测距性能方程

2.3.2.1脉冲激光测距的测距方程

一束激光以一定的辐射功率和发散角在大气中传播，在激光束传播的过程中，由于大气的存在，激光束的一部分光能被吸收，一部分光能被散射，最终到达目标的辐射能通量已减少了许多。我们将目标看成二次光源，根据目标的漫反射性质，我们即可求出沿着探测器方向的激光辐射亮度，对目标的整个受照面积进行积分，同时考虑大气对回波信号的衰减作

用，就可以得到进入探测器的回波光功率。

脉冲激光测距原理图如图4所示,为了使激光发射系统发射的激光功率尽可能多的被激光接收系统所接收，同时又保证尽可能少的背景辐射进入接收系统，必须使激光接收系统的接收视场角r，同激光发散角t之间有良好的匹配关系。在理论上，最简单的方法是使接收视场角等于光束发散角，即r=t，在这种情况下发射光束直径总是等于接收视场直径。

假定激光测距仪的发射系统和接收系统是非同轴的，并假定激光光强是均匀分布的(实际是按高斯分布的)。设激光发射系统发射的激光峰值功率为TtPt，发射的激光束的立体角为t，则激光光源照射在被测目标上的辐射照度为:

EtTaTtPt

t（公式15）

式中，Ta是激光传输距离为R的大气透过率,

T(R)exp[(,R)dr]0R（公式16）

这里(,R)为大气消光系数。设目标为理想的漫反射体，则目标作为二次辐

射源沿各方向的辐射亮度Lm为一常数，且辐射亮度与出射辐射度之间的关系

为:

LmM（公式17）

若设目标的漫反射率为，则目标的辐射出射度为MmEt，于是可求出目标的辐射亮度:

LmM=TTPtR2（公式18）

设激光测距仪接收天线的面积为A,激光发射光束与距离R处的目标相交的截面积为S，任一面元ds与激光测距仪光轴的夹角为，则根据亮度的定义，可求出目标作为二次辐射面光源沿激光测距仪光轴方向辐射到典立体角内的辐射功率为:

Pm

设激光测距仪的接收视场rALmdscosRs（公式19）A，接收光学系统的透过率为Tr，考虑到大气透过率Ta可以计算出被探测器接收到的光功率Pr为:

cosdsATTLT2TPATprcosds22RRR2s

s（公式20）设目标的有效反射截面Am=cosds，则激光测距仪对小目标测距时的测距方程可改

写为:

T2TPATAPrRR（公式21）

为使上式适用于对大目标测距的情况，引入比例因子A。众所周知激光测距仪r的信噪比是一个很重要的指标，因此为了减小进入到光电探测器中的外部噪声，在对小目标测距时通常使激光测距仪的接收视场角r略小于激光束的发散角t这种条件下，目标后向反射的激光功率中，只有在接收视场内的才能被光电探测器所接收，该功率与目标后向反射光功率之比rt。令rt=，并将比例因子，代入上式，则脉冲激光测距的测距

方程可表述为:

2PTTTAPr（公式22）

其中：Pt——激光测距仪的发射峰值功率；

Pr——激光测距仪的接收峰值功率；

Tt——发射光学系统的透过率；

Tr——接收光学系统的透过率；

Ar——接收光学系统面积；

——目标漫反射系数；

Ta——大气或其他介质的单程透过率；

R——目标距离；

，——定义如下:

A{tR1,,AmtR2

AmtR2{srt,rtrt（公式23）式中,Am为目标有效反射面积。它由目标表面上任一面元ds与激光发射光束之间的夹角;以及目标被激光照射的表面积S确定，即Am=cosds，t为激光发射光束的发散

角,r为激光接收视场角。

由以上推导过程可知，测距方程成立的条件是:

(1)目标为理想的漫反射体；

(2)目标距离与激光测距仪横向尺寸相比足够大；

(3)接收视场rA；(4)忽略大气湍流对回波光功率的影响；

(5)忽略目标及大气对激光回波光束时域特性的影响；

(6)仅考虑了目标后向反射的回波激光功率。

激光测距方程描述了到达激光接收机光电探测器的回波功率与激光测距仪发射功率、光束发散角、光学系统透过率、接收视场等性能参数，传输介质(大气或水)的衰减，以及目标有效反射界面、反射率等目标特性之间的关系。该方程虽然是简化方程式，但实验结果表明，它可以用于估算激光测距仪的最大探测距离及其影响测距性能的相关因素，是激光测距仪设计的理论基础。然而大量研究结果表明，当激光测距仪的接收视场角较大时，由于大气对经目标反射的激光束有多次散射的作用，因此激光测距仪接收到的回波光功率有所增大。

2.3.2脉冲激光测距的信噪比方程

要探知一个客观事物的存在及其特性，一般都是通过测量它对探测者所引起的某种效应来完成的，对光辐射量的测量也是这样。在光电子技术的实际应用中，必然涉及到如何将光信号转变为可观测信号并进行探测的问题。从这个意义讲，凡是把光辐射量转换为电量(电流或电压)的光探测器，都称为光电探测器。所以光电探测器及其光电探测技术在激光测距技术中是非常重要的。

1.脉冲激光测距的光探测原理

光电探测器的基本功能就是把入射到探测器上的光功率P(t)转换为相应的光电流i(t)，即:

i(t)eq

hP(t)(公式24)

式中，e-电子电荷；它由探测器的物理性质所决定；h-普朗克常数;-q-探测器的量子效率，

入射光频率。

因此，只要待传递的信息表现为光功率的变化，利用光电探测器的这种直接光电转换就能实现信息的解调，这种探测方式通常称为直接探测。因为光电流实际上是相应于光功率的包络变化，所以直接探测方式也常常叫做包络探测。由于直接探测实现比较简单，可靠性又好，所以在脉冲激光测距仪等许多光电设备中都采用了直接探测技术。

现设输入光电探测器的信号光功率为sl,噪声光功率为nl,光电探测器的输出电功率为s0,输出噪声电功率为n0,则总的输入光功率为sl+nl,总的输出电功率为s0+n0。根据光电探测器的平方律特性，有

s0+n0K(slnl)2

考虑到信号和噪声的独立性，应有：（公式25）

s0Ksl2

所以输出信噪比为：（公式26）

sn0(12l(sl)2(SNR)0（公式27）

由上式可见,若sll1,则有(s0s(l),即输出信噪比近似等于输入信噪比平方。l0

sll)1,这说明，直接探测方式不适用于输入信噪比小于1或微弱光信号的探测。如果(

则(s0s)0.5(l),这时输出信噪比等于输入信噪比之半,光电信噪比损失不大，所以直接探l0

测方式适用于强光探测在激光测距仪的系统设计中，必须确保输入光信号远大于总的噪声信号。

2.信噪比方程

直接探测光电系统大多从信号频谱与噪声频谱上的差别来抑制各种噪声的，因此，主动光电探测系统的发射信号必须是经过模拟或脉冲调制以后的调制信号，它的重要特性是它的频谱。设脉冲激光测距仪发射的周期矩形脉冲的光功率如图5所示,可表示为:

PtPt0[1m(t)]（公式28

）

式中，Pt0为激光脉冲的平均功率，m(t)为功率调制系数，其定义如下

（公式29）

忽略大气及被测目标对激光脉冲调制特性的影响，则激光测距仪接收到的由其发射并经目标反射回来的脉冲回波光波功率为：

Ps(t)Ps0[1m(t)]

式中，Ps0为接收到的平均光功率，Ps0m(t)为接收到的信号光功率。（公式30）

经光电探测器转换以后，Ps0变成直流电流，被交流放大器过滤掉。Ps0m(t)变成电信号。对于脉冲激光测距仪有T，则对Ps0m(t)进行傅氏积分得：

p()p(t)ejtdt2Prsinr2（公式31）

p()是p(t)的频谱函数，或称频谱密度。由图6可以看出：(1)信号能量主要集中在一定的频带范围内；(2)当脉冲持续时间减小时，频谱中通过零点的频率也随之增高，频谱宽度也增大。对于其他形状的非周期性脉冲也有同样的性质。因此，在探测较窄的脉冲信号时，

应采用较宽的放大器。

若激光脉冲的主要能量集中于带宽f以内,则放大器带宽取为f，就能

使信号能量得到放大输出、噪声得到抑制。

若以雪崩光电二极管(APD)接收来考虑，则回波信号功率PrPs0m(t)转换成的电信号电流为：

IseqPrM

（公式32）

目标回波光功率Ps0和背景光功率Pb引入的散粒噪声电流分别为：

is

ib=eqPs0eqPb

（公式33）（公式34）

管子暗电流id也将引入散粒噪声，考虑到探测器负载电阻和放大器引入的折合到光电探测器输出端的热噪声，接收系统输出的噪声电流的有效值为：

eqeqIn[2eMFmfPs0Pbid24KTfF1eq（公式35）

探测器负载电阻和放大器热噪声之和可以等效于温度升高后用一项来表示。由上面两式可得，激光测距仪接收系统输出的信噪比为：

SNRIIneqPrMq4KTfF12[2eMFmfPs0Pbideqq（公式36）

式中，M-电流的倍增因子，Pr-探测器接收的信号功率，q-探测器的量子效率，h-普朗克常数，-光波频率，K-玻尔兹曼常数，T-绝对温度，f-接收系统带宽，Req-等效负载电阻，Fn-APD管后面视频放大器的噪声系数，Fm与倍增过程相关的噪声系数，Ps0-探测器接收到的目标回波平均光功率，Pb-探测器接收到的背景光功率，id-APD管的体漏电流。

对于APD管在白天工作时，典型的情况是背景噪声为主要项，则式可简化为：

SNRIneqPr(2efFmPbeq)（公式37）

由以上式可知，影响脉冲激光测距仪性能的主要因素有激光测距仪的本身性能、激光的大气传输特性、背景辐射特性、被测目标特性等。

2.4脉冲激光测距仪的测距性能指标

从使用角度来看，脉冲激光测距仪的性能指标可以归纳为满足一定的测距范围、测距精度及工作频率等。

2.4.1最大测程

由测距方程式可知，随着目标距离R的增大，激光测距仪接收到的目标回波功率迅速减小。当R=Rmax时，测距仪接收到的回波功率Pr达到其最小可探测功率Pmin。如果在测距方程中用最小可探测功率Pmin代替接收功率Pr，则由测距方程可得到最大探测距离:

Rmax1T2PTTA[rmin（公式38）

由上式可以看出，激光测距仪的最大测程不仅取决于测距仪自身性能，还取决于外部测距条件：

(1)获得大的最大测程，在激光测距仪的系统设计中，必须提高激光测距仪的发射功率

Pr，增大接收孔径面积Ar，增大发射光学系统和接收光学系统的透射率Tt和Tr,减小发射光束的发散角r,提高接收灵敏度即减小接收机的最小可探测功率Pmin的数值。同时，系统设计还应考虑接收视场和光束发散角的匹配。

(2)激光测距仪的最大测程还与外部测距条件密切相关，大气透过率Ta越高、被测目标的有效反射截面Am及漫反射率越大，激光测距仪的最大测程会大大增加。因此，对激光测距仪测程的拟定与测试，必须要在一定外部约束条件下进行。

2.4.2探测灵敏度

激光测距仪的探测灵敏度即最小可探测功率Pmin定义为，满足测距概率要求的最小信噪比SNRmin所对应的探测功率。将SNRmin代入激光测距仪接收系统输出的信噪比方程得探测灵敏度为:

Prmineqeq[2eMFmfPs0Pbid24KTfFn1SNRminqeq(公式39)

由上式可以看出，激光测距仪的探测灵敏度与一定的探测概率相对应，系统所要求的探测概率越高，获得高探测灵敏度的设计难度越大。要获得高的探测灵敏度，必须对接收机进行优化设计。

2.4.3距离误差

脉冲激光测距仪测得的目标距离与目标实际距离的偏差称为测距误差。它由n和t的测量误差所决定。在不考虑大气湍流的条件下，由于n受大气的气压、温度、湿度的影响较小，对于测程为几至几十公里的脉冲激光测距仪来说，由n的变化引入的测距误差可以忽略。因此，测距误差ΔR主要由t的测量误差造成，主要有以下三个误差源:(1)距离计数器中的量化误差RQ；(2)激光脉冲宽度引起的探测误差RD；(3)距离计数器时钟的频率误差RC。即:

RRQRDRC

(1)距离计数器中的量化误差(公式40)

量化误差RQ因激光发射脉冲、目标回波脉冲与时钟脉冲不同步，在数字电路中出现随机概率变化的时间误差。在理想情况下，计数器的计数误差Δm=±1，则可计算出相应的距离量化误差为:

RQ=c

c(公式41)

式中，fc为距离计数器的时钟振荡频率。(2)激光脉冲宽度引起的探测误差

简单阈值探测电路中的探测误差是由激光脉冲有限上升时间以及目标对脉冲的展宽所引起的。有限上升时间使低幅度脉冲比高幅度脉冲迟后越过阈值，由此显示的目标距离较长，如图7所示。因此，由此造成的距离误差是SNR(或回波信号幅度)、阈值及激光脉冲波形的函数。假定目标回波脉冲具有线性的时间特性并具有均匀越过阈值的概率，则由探测误差引起的距离误差为:

RD

式中，tR为激光回波脉冲的上升时间S

。ct(公式42)

(3)距离计数器时钟的频率误差

时钟频率误差由数字时钟振荡电路的频率漂移产生。因为时钟频率误差导致的计时误差随时间线性增加，因此距离误差是目标距离的线性函数，它由下式给出：

RCRbc

式中，R：测距仪最大测程，bc：时钟频率误差(几分之一个时钟频率)。（公式43）

2.5激光脉冲飞行时间法的关键技术

到目前为止，时间间隔的测量主要有三种方法：模拟法、数字法和数字插入法。模拟法:即在待测时间间隔tm内对一已知电容以大电流i1进行充电，然后对其以小电流i2放电(i12=k)，则放电时间为ktm，实际测得nT。此方法的优点是测量精度非常高，可达皮秒量级;但由于电容充放电过程中，充放电时间之间的关系不是绝对线性的，存在非线性现象，其大小大致为测量范围的万分之一，这就限制了测量范围，或者说随着测量范围的

增加，精度会降低；另外，电容的充放电性能受温度的影响非常大(达1030psc),对测量系统的温度特性要求就非常苛刻。

数字法:即用同步时钟脉冲对时间间隔进行计时。其优点是线性好，并与测量范围无关。由于其测量精度主要受时钟频率所限，即它的测量精度为正负一个时钟周期。通常使用几百兆赫兹的时钟，精度为十纳秒量级；即使频率高达10GHz的时钟，精度也只有百皮秒，与之对应的距离为分米量级，测距精度显然非常低。可以通过采用多次测量取平均的方法来提高测量精度，但对于高速测量就无能为力了。

数字插入法:是通过采用数字法结合各种不同的插入方法来实现精确测量的，可以同时得到高单脉冲测量精度和高线性，能够适应高速、大测量范围和高精度的应用领域。目前，已有的插入方法主要有三种:延迟线插入法、模拟插入法和差频测相插入法。

数字插入法是基于数字测量的方法，他继承了数字法的测量范围大和线性好的优点，同时通过插入法提高测量精度。数字法的时间间隔测量误差主要来源于时钟脉冲的上升沿与测量开始和终止脉冲的上升沿之间的时间差ta和tb所导致的误差大小为TnTtmtatb其中T为时钟脉冲周期，nT为测得时间间隔，tm为实际时间间隔。运用插入法的目的就是通过在信号开始处与信号结束处使用各种插入法高精度测量ta与tb，从而求出ΔT，对测量结果进行修正tmnTTnTtatb。

2.5.2起止时刻时间鉴别技术

由于激光脉冲在空中传输过程中的衰减和畸变，导致接收到的脉冲与发射脉冲在幅度和形状上有很大不同，给正确确定起止时刻带来困难，由此引起的测量误差称为漂移误差；另外，由输入噪声引起的时间抖动也给测量带来误差。如何设计时刻鉴别单元以达到消除或减小漂移误差和时间抖动，是激光脉冲测距的重要研究课题之一。

目前时刻鉴别的方法主要有三种：前沿鉴别、恒定比值鉴别和高通容阻鉴别。前沿鉴别是通过固定阈值方式来确定起止时刻，即以脉冲前沿当中强度等于所设阈值的点到达的时刻作为起止时刻。由脉冲幅度与形状变化引起的漂移误差为t，其大小还与阈值的大小有关，最大值可能接近脉冲上升时间tr。因此，前沿鉴别法的测量误差是很大的。恒定比值鉴别法的原理，是将起止时刻取在脉冲高度一定比值的地方，例如恒定比值取50%，即取脉冲上升沿中半高点到达的时刻为起止时刻，如不考虑波形畸变和噪声等其它因数的影响，由幅度变化引起的误差Δt=0，由此可见，恒定比值鉴别法能有效消除由脉冲幅度变化带来的误差。为了有效地克服波形畸变和噪声带来的误差，提出了高通容阻时刻鉴别方法。接收通道输出的起止信号脉冲通过一高通容阻滤波线路，原来的极值点转变为零点，以此作为起止时刻点，它的误差主要受信号脉冲在极大值附近斜率的影响。据报道采用此方法时，漂移误差能控制在±3.5ps(相当0.5mm的测距精度)。

时刻鉴别的误差除了跟所采用的鉴别类型有关外，还与激光回波脉冲波形和光电探测器的类型有关。激光回波脉冲是先经接收通道的光电探测器进行光电转换和前置放大后进入时刻鉴别单元的，光电探测器的光电转换机制以及接收通道引入的噪声和带宽限制都将影响回波脉冲波形的完整恢复。目前经常采用的光电探测器包括光电倍增管、PIN光电二极管和雪

57崩光电二极管等。光电倍增管是利用光电发射效应工作的，其增益M可达10-10；PIN是

利用p-n结的光生伏特效应制成的，但无内部增益；利用雪崩倍增效应制成的倍增管的增益可达10-10，响应时间非常短，是高精度微弱信号探测的首选探测器。正由于探测器的工作机理各不相同，其对光信号波形的还原能力也不同,因此,在考虑时刻鉴别误差时,必须结合使用的探测器和时刻鉴别类型，以及光信号波形类型分别对待。

除漂移误差外，在时刻鉴别过程中还存在时间抖动，它是由于输入信号噪声和来自接收通道的附加噪声产生的，抖动幅度还与信号脉冲上升沿宽度、信号强度、时刻鉴别单元的带宽以及鉴别类型有关。输入到时刻鉴别单元的噪声分为白噪声和相干噪声，它们对时间抖动的作用是不同的。

2.5.3回波信号探测技术

按照探测方法来分，激光接收机可分为两类:(1)非相干或直接探测接收机；(2)相干探测或光混频接收机。直接探测接收机广泛用在各类激光测距仪中；相干探测接收机主要应用于24CO2激光测距仪以及用于要求获得目标径向速度的激光测距仪中。

1．直接探测

这类探测方法由光电探测器接收从目标返回的激光能量，并把它转变为电信号。光电探测器输出的电信号正比于探测器接收到的光功率，不要求光信号具有相干性，因此这种探测方法又称为非相干探测。

激光测距仪的性能参数中，对测程起决定作用的是接收机的最小可探测信号功率Pmin，Pmin越小，接收机灵敏度越高，测程也就越远。对于直接探测来说，常见噪声源有光电探测器的噪声、背景噪声和量子噪声三种。若用光电倍增管接收，则探测器的噪声主要来自光电阴极自发发射引起的散粒噪声，即暗电流噪声和输出回路的热噪声，当光电倍增管的放大倍数足够大时，热噪声比暗电流噪声小，可忽略;冷却光电阴极可使暗电流降低1-2个数量级。若用硅光电二极管接收，则探测器的热噪声是主要的噪声源。当用雪崩光电二极管接收时，则背景噪声是主要噪声源，减小背景噪声的主要措施是采用窄带滤光片和尽量减小接收视场。即使在光电探测器噪声和背景噪声都不存在的理想情况下(例如己采取有关措施使它们降低到可以忽略不计的程度)，但由于信号辐射本身的量子性，仍然存在着量子噪声。

2．外差探测

由于激光的单色性很高，其谱线极窄，因而可以利用两个激光信号在光频段进行混频(和频或差频)实现光的相干探测。相应的相干探测接收有两种，即外差探测接收和零差接收。在激光测距和激光雷达应用中主要用外差探测接收机，相干探测接收机的原理框图如图所示。来自目标和本机振荡器的两束相干光入射到探测器上，并在探测器的表面混频(此时探测器又作为混频器)。产生差频信号，同时探测器接收光信号，输出光电流的电功率正比于入射在探测器上的光功率。从输出信噪比的角度看，由于本振信号强，该强信号与一弱信号混频后可以消除探测器的内部噪声。同时，因为中频放大器的带宽比光学滤光片窄很多，光混频则适宜减小背景噪声的影响。外差探测的信噪比公式为:

1qePRPt0SN[FePt0B（公式44）

式中的分子为二次检波后的信号PR与本振功率Pt0混频后获得的均方根电流；B为探测器后

面前置放大器的带宽。分母中包括本机振荡器的发射噪声和热噪声项；对光电二极管F=2，对光导探测器F=4；M为增益系数，对光电二极管M=1，对光导探测器为光导增益；为光

IN和B分别为中频放大器噪声温度和输入阻抗；混频器(探测器)的量子效率；e为电子电荷；

k为玻耳兹曼常数；h为普朗克常数；为辐射频率。

在满足本振功率的情况下，与本振发射噪声相比，热噪声可以忽略，故

表达式可简化为:

PRS这是量子噪声极限的情况。

对于光混频的系统有一下特殊要求:（公式45）

(1)为了有效的进行混频，在探测器表面上本振信号和信号波之间的夹角要小l，其中是光波长,l是发生光混频作用表面的长度，这个要求使接收视场角受到严格限制。在混频器表面直径为1cm、光波长为1μm时，视场角必须小于10rad。

(2)有高度稳定的、单色的激光发射器和本机振荡器。一些气体激光器短期率稳定性大多为几千赫。然而它们的输出功率太小，目前只有CO2激光器的输出功率和频率稳定性能同时满足本机振荡器和发射机的要求，使之成为相干探测雷达和激光测距仪的理想发射器件。

(3)光本地振荡频率的方法问题。由于激光信号的多普勒频移f02V的频带相当宽，特别是在跟踪空中目标时更是如此。例如，目标相对于lμm波长激光测距仪的径向速度为5km/s，将产生10GHz的多普勒频移。因此，为了获得多普勒频移信息，这一类运动目标要求激光本地振荡器能快速的调频，改变激光器的频率有几种方法，但目前还没有一种令人满意。4

2.6小结

本节着重阐述了激光测距技术的相关知识，为后续的设计提供可靠的依据，激光因其独有的优越特点而得到广泛应用，本节主要从激光测距的基本原理和工作原理以及测距性能方程、性能指标，激光脉冲飞行时间法的关键技术等各个方面进行了阐述，对激光测距有了全面了解，对系统设计的传感器选型单元奠定了理论基础。

三激光发射电路设计

3.1Multisim简介

Multisim是加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

3.2Multisim

的界面

图3.1Multisim的界面

3.3

激光脉冲发射电路设计图3.2激光发射电路图

图中L1，L2，L3，L4都是考虑分布参数而引入的引线电感，C1是储能电容，D1和R2是为了提供充电通道及保护半导体激光器的。

3.3.1电路工作的基本原理

基本工作原理如图3.10所示，当开关管Q1导通时，能量从电源流入，存储在电感中，由于开关管Q1导通期间正向饱和管压降很小，故二极管反偏，负载R3由电容C1供电，当开关管截至时，电感L中的电流不能突变，它所产生的感应电势极性为下正上负，阻止电流减小，二极管D1导通，电感中存储的能量经二极管D1流入电容C1

，并供给负载。

图3.3基本的Boost变换器

基本的并联开关变换器的设计主要是确定关键元件:输出滤波电容、电感、开关晶体管、及二极管。由于电感中流过直流电流，必须设计在最大负载电流下不致饱和，开关管承受的电压应在其额定耐压范围内。

3.3.2高压电路设计仿真

Boost变换器可工作在连续电流模式或不连续电流模式。连续与否是指在开关管关断期间，电感L中的电流是否下降到零。

连续模式的输出一输入电压比M(又称电压增益)计算公式如下：

MV1Vs1D1（3.1）

其中，V0-输出电压，Vs-输入电压，D1-占空比。

由于设计中输出一输入电压比M较大(M=170V/5V=34)，连续工作状态要达到这样高的M值很困难，要求占空比达到97，1%，而且当占空比大于0.8时，公式(3.1)并不准确。从直观上来说，输出电压的高低取决电感L上的反向电动势峰值，而同样的时间内，同样的电感峰值电流，显然不连续模式(电流减小到零)的电流变化率大，从而反向电动势峰值大。因此设计中采用的是不连续的工作模式。不连续模式的电压增益公式如下

M

其中，L：储能电感，R：负载电阻，TsLLs（3.2）：开关周期。

现在的设计条件是，己知M=34，Vo=170V，L根据现有的元件情况，取L=1mH。负载电阻由于电路中除了雪崩管以外，还要给发射电路的储能电容C3充电，电路并没有进入稳态，不好准确估计。这里假定电路已经进入稳态。以上的公式都是基于理想的电路模型，并进行了一系列的近似才得到的，没有考虑开关管的损耗，故实际的电压增益比是小于计算值的。举例来说，代入D1=0.5，L=1mH，R=2.5M，Ts=20us，计算得到的M=79.9，相应的输出电压接近400V。采用BF820晶体管，实际仿真得到的稳态输出电压为330V左右，可见两者之间的差别。因此以上的设计公式只能做参考，估计电路的最大可达到的增益。另外，实际的电路并不工作在稳态，电容都是从0V开始充电。设计通过电路方真完成。设计的限制条件是，电压从0V升到170V的时间应小于10ms(测距重复频率的限制)，电感不能太大（

DT1i150mL1m0.5ss205（3.3）

仿真所用的电路如图3.4所示，为了方便仿真，振荡信号直接使用理想的脉冲源，实际的电路中可能会采用555构成的多谐振荡器，或者使用控制器的PWM输出。图中R3，R9，R7，R8是为了对电压取样设置的取样电阻，R4将对供电电源和高压发生电路起一定的隔离作用，减小对接收放大电路的干扰。可与R1并联的电容是加速电容，是为了让晶体管更快的退出饱和状态，从而减小开关损耗。所用的晶体管开关是BF820，当然可选的小功率晶体管很多，重要的是BVceo要足够大。

取占空比D=0.4，仿真结果表明在10ms时，电容C4上的电压达到220V左右，而此时电路还没有进人稳态。

图3.4高压发生器电路图

四脉冲激光接收电路设计

4.1基本要求

放大器通道在输人功率的动态范围内应是线性的。通常，光电探测器不会限制动态范围，硅探测器的动态范围在10甚至10。动态范围下限是噪声，上限是二极管的最大输出电流和放大器最大可用的输出电压。下限中放大器的噪声是主要噪声。典型的硅探测器的最大峰值电流在几十毫安。放大器最大输出幅度受限于工作点，通常是1-2伏。

为了达到可能的单点精度，噪声应最小化，测量脉冲在放大器通道中不能变缓。实际上，这意味着放大器频率响应应该等于信号的频响(匹配滤波)。放大器冲击响应应该是匹配滤波冲击响应的导数，求导(无源元件)可在放大器后完成。

根据雷达原理，设计匹配滤波的输人信号应和发射信号一样。但在GHz频段，探测器会明显加宽信号，高频噪声由于探测器电容也会增加，这使得很难用严格的匹配滤波原理。目标变成最小化噪声和信号变化率的比。79

4.2前放设计分析

电流信号通过前置放大器转化为电压信号。前放性能决定整个放大器性能，因此优化前放是很重要的。同时，由于有着相互矛盾的性能要求，如低噪声和宽动态范围、宽带宽和较高的稳定性要求等，前放也是最难设计的电路模块。而且，前放设计受许多事先无法准确获知的外部寄生参数的影响。

4.2.1前放类型

几种可用的前放形式如图4.2所示，主要是互阻和高输入阻抗放大器。互阻放大器由一个任意类型的放大器和将电流转换为电压的反馈电阻。互阻放大采用的是电压并联反馈，从而减小了输入阻抗以达到扩展带宽的目的，同时，在无需均衡的情况下实现宽带、高速工作，因此它常常是宽带放大器的首选。互阻放大器必须仔细设计以避免反馈带来的稳定性问题。

高阻前放包括一个电压放大器和一将电流信号转化为电压信号的大阻值负载电阻。由于其带宽受输入节点上的极点所限，可能需要均衡器以恢复带宽。高阻抗放大器用于灵敏度要求高的场合。其主要困难在于针对工艺参数、温度、电源的变化，如何实现精确的均衡。而且，对应输入节点的极点频率和探测器结电容、各种寄生参数相关，而这些参数难以精确估

计。

图4.1前置放大器结构框图

理论上，互阻和高阻放大器灵敏度是一样的。主要噪声源是一样的，如果信号传输函数一样，那么，噪声传递函数也是一样的。但实际上，高阻放大器的输入负载电阻会远远大于互阻放大器的反馈电阻，这使得前者有较好的灵敏度。(互阻放大器的核心放大器的增益带宽积限制料反馈电阻的数值)灵敏度上升的代价是动态范围的减小。而后者的灵敏度和反馈电阻成正比。

低阻抗和电流放大器(如图4.2c，d所示)属于较少用到的拓扑结构。低阻抗放大器的结构类似于高阻放大器，只是负载电阻很小，如50欧姆。低阻抗带来较宽的带宽，因而无需均衡。

另一个好处是探测器可以通过传输线如50欧姆电缆连接至探测器。由于低数值负载电阻的热噪声较大，低阻放大器的灵敏度通常差于互阻放大器，所以这种结构不适合低噪声宽带放大。电流放大器由于噪声太大无法用于前放设计。文献[25]报道了在一个互阻前放设计中输出采用电流而不是电压。此结构综合了互阻放大器的低噪声和电流模输出(可用于增益控制)的特点。

因为无需均衡可提供低噪宽带操作，故此处只有互阻前放可用。另外，动态范围是和灵敏度同样重要的参数，故使用中等数值的反馈电阻。和高阻放大器相比灵敏度的降低，通过适当设计可补偿，而且在高频段二者差别可以忽略。

4.2.2互阻放大器结构

在高频应用中，互阻放大器的核心放大器应该有足够宽的带宽一保证环路的稳定性，这样可以使用相对简单的电路结构。在双极性技术中，放大器通常包括一个放大输入级和一个缓冲级。几种输入级形式如图4，3所示。最流行的是共射输入如图4.3a所示。为了减小输入电容(通过减小密勒效应)，可能会级联一个晶体管。或者，用达林顿对管取代输入晶体管以减小输入偏置电流，从而减小基极电流的散弹噪声。达林顿输入可获得更大的GBW，从

而可使用更大的反馈电阻，而热噪声相应被减小。

图4.2互阻放大器输入级结构框图

另一种广泛采用的输入结构是共集电极输入如图4.3b所示。其中，输入电容由于密勒效应的消除而减小，基-射电容被自举(bootstrapped)。而且，射级跟随器可以比共射结构有更低的偏置电流。另一方面，输入级无电压增益，由跟随级输入晶体管引起的等效输入电压噪声将增大。射级跟随器也可被用来自举探测器的电容，如图4·3c。

共基结构可被用作核心放大器的输入级如图4.3d所示，也可作为在互阻前放前的电流缓冲，如图4.3e所示。由于共基结构输入阻抗很低，前放受输入节点电容的影响将减小，从而可用较大的反馈电阻。共基输入结构的固有缺点在于，很难用单5v电源获得低噪声的偏置电流源，实际上，常常需要另一个负电源。共基结构也可用于开环工作如图4.3f所示，从而有很宽的带宽。很难将各种输入级性能作有意义的比较，因为不同的参数，如二极管电容，寄生电容，带宽，互阻抗，相位裕度等都是不同的。而且，所选元件的性能也不一样。

通常前放和探测器要求尽量靠近，限于实际系统的空间有限，因此前放的电路应尽量简单。如果可能，可采用厚膜集成的方式，减小体积，提高电路性能，更进一步的还可定制专用的ASIC电路。基于此，设计采用的电路结构形式如图4.4。

4.2.3互阻前放设计仿真

图4.3前置放大器电路

图4.3中的电流源和并联的电容电阻是APD的简化模型。高压偏置电源后接入型滤波器，减小电源纹波对APD的影响。Q1和Q2采用ft5GHz的微波晶体管BFR92，标称电流放大倍数90，两级电流放大串联得到8100倍，连接反馈电阻Rf，构成互阻抗放大器。Q3和Q4是电流放大为后继电路接口而设。

4.3

整形电路

图4.4整形电路

图4.3为整形电路。整形电路的作用是将探测器探测到的信号转换成脉冲信号，能使脉冲信号触发T触发器翻转，是计数器停止计数。仿真波形如下图：

图4.5整形电路仿真波形

4.4

计数电路

图4.6二十四进制计数电路

此图为二十四进制计数电路，进制可以通过增加芯片74LS290D和改变接线更该，芯片74LS290D是二——五——十进制芯片。计数电路用来计算测量的距离。仿真波形如下图：

图4.7计数电路仿真波形

4.5

接收电路

图4.8接收系统电路图

接收系统电路图用来接受反射回来的激光，并通过计数电路计算测量的距离。

4.6PCB板如下是发射电路和接收电路的PCB

板

图4.9接收电路的PCB

板

图4.10发射电路的PCB板

脉冲激光测距系统经过方案优选和详细的理论分析，通过电路仿真软件multisim仿真，能得到较为理想的结果，并通过面包板上连接器件进行实际的测试，基本上符合设计要求，由于实验室条件和时间的限制，PCB板没有做成样品对系统进行进一步的优化，但应该会得到比面包板上测试更优良的结果，该系统基本能满足要求不太高的场合使用。

五结束语本文在详细研究了激光测距的原理，系统设计参数后，用计算机模拟的方法确定了系统设计的相关参数，然后对激光发射电路、接收电路分别进行设计分析，并用仿真软件进行模拟计算，完成设计，相应光学系统及结构考虑则由别人完成。本文提出的设计方案符合理论和实际工作的要求。由于整个项目尚在进行之中，随着工作的进一步开展，一定还有很多地方会逐步修正，半导体激光测距机也将在此过程中完善。

虽然激光测距是最早成熟的军用激光技术，基于半导体激光器的测距研究伴随着半导体激光器的功率不断提高、工艺不断完善而逐渐发展起来的。

我们知道1.5um的激光不仅是人眼安全的，而且该波段是大气的传输窗口，随着半导体激光器件的不断发展，单管的波长1.55um的半导体激光器峰值功率己经可以达到100W，可以预料随着该类器件的普及，测程更远的人眼安全半导体测距机将会大量涌现。另外，可以看到，激光测距无论光源如何，其中都有很多有共性的技术和电路，如果有可能设计ASIC芯片，除了可以大大简化设计过程，缩小体积重量外，经过优化设计的芯片也将大大提高系统的整体性能。

致谢

在论文阶段，在论文工作方面得到导师王老师的细心指导和关怀。王老师严谨、务实、认真的工作作风给我留下了深刻的印象。在此我向老师表示深深的谢意。感谢理学院各位老师的辛勤劳动和无私付出。感谢王老师关于光学方面、电路设计方面的指导。感谢所有支持和帮助过我的人。

参考文献：

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