半导体脉冲激光测距系统的研究

论文摘要

测量精度和量程是衡量脉冲激光测距系统性能的两个重要指标。为提高测距系统的测量精度，拓展其测量范围，文中分别从发射单元、接收单元和测时单元三个方面进行理论分析研究。进而设计了激光发射电路和回波接收电路并进行测试，而后对时间测量系统进行了模拟论证。在脉冲激光发射方面，采用高速非线性MOSFET开关技术和能量压缩技术，结合推挽式MOSFET栅极驱动方式，设计了激光二极管的激励电路。实验表明，该电路驱动的LD输出的光脉冲峰值功率可达30W，半峰值脉宽约为20ns。在回波接收方面，为了能够有效地探测弱光信号，采用灵敏度高且与发射激光光谱匹配好的PIN型光电二极管作为探测器，选用高性能的运算放大器作为前置放大器，以互阻抗式的光电转换电路对回波光信号进行光电变换。实验表明，探测电路至少可以探测峰值为微瓦量级的回波光脉冲信号。进而对光电转换信号进行后续放大和滤波处理，而后经过高速比较器转换成TTL高电平，以此作为计时计数器触发的起止信号。在时间测量方面，为了克服高频计时时钟不易获得，计时时钟频率稳定度不高这一瓶颈问题，文中提出了多周期自触发测时法与数字相移插入法相结合的测时方法，理论分析和模拟论证表明新测时方法的测时精度可达数十皮秒。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• §1.1 激光测距背景
• §1.2 脉冲激光测距国内外现状
• §1.3 激光测距原理
• §1.4 测距方程
• §1.5 激光发散角
• §1.5.1 相关参量
• §1.5.2 激光发散角的设计
• §1.6 脉冲式半导体激光测距机的量程与精度分析
• §1.7 本文的主要研究内容及结构安排
• 第二章 测距激光发射系统的设计
• §2.1 激光二极管的伏安特性和电光特性
• §2.1.1 半导体激光二极管的I—V特性
• §2.1.2 半导体激光二极管的P—I特性
• §2.2 脉冲激光测距系统中半导体激光器驱动电源的设计
• §2.2.1 窄的大电流脉冲产生电路的设计
• §2.2.2 MOSFET开关的工作机理及其栅极驱动分析
• §2.2.3 窄的高速触发脉冲电路的设计
• §2.2.4 实验与分析
• §2.3 本章小结
• 第三章 测距激光接收系统的设计
• §3.1 接收系统的设计思路
• §3.2 光电探测器及光电转换
• §3.2.1 光电探测器的性能参数
• §3.2.2 光电探测器的选择
• §3.2.3 光电二极管的三种光电转换电路
• §3.2.4 前置放大器的选择
• §3.2.5 互阻抗光电转换实验结果
• §3.3 主放大器及电信号的进一步放大
• §3.4 二阶有源低通滤波电路的设计
• §3.5 高速定时电路的设计
• §3.6 本章小结
• 第四章 测距系统中高精度时间间隔测量的研究
• §4.1 测时方法的提出
• §4.2 多周期自触发测时
• §4.2.1 多周期自触发测时原理
• §4.2.2 多周期自触发测时法误差分析
• §4.3 数字相移插入法
• §4.3.1 数字相移插入法原理
• §4.3.2 数字相移插入法误差分析
• §4.4 总测时误差分析
• §4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• §5.1 本文的主要研究成果
• §5.2 存在的问题及进一步的工作
• 参考文献
• 附录
• 致谢