一種相位式激光測距系統(tǒng)的光能量穩(wěn)定控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及對激光測距儀光電轉(zhuǎn)換后的電信號功率的控 制裝置，具體地涉及一種相位式激光測距系統(tǒng)的光能量穩(wěn)定控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光測距儀通過測量激光往返時(shí)間來測定目標(biāo)相對距離，在近程（幾十米）測量 中，其單次測量精度已經(jīng)達(dá)到毫米級。作為一種可以快速獲取目標(biāo)精確距離信息的有效手 段，高精度激光測距在諸如工業(yè)現(xiàn)場非接觸測量、激光三維掃描、航天器交會對接等領(lǐng)域都 獲得了廣泛應(yīng)用。激光測距儀一般用于測量非合作目標(biāo)。在近程測距應(yīng)用中，由于目標(biāo)距 離、反射特性等在大動態(tài)范圍內(nèi)變動，激光回波功率會發(fā)生劇烈變化。而為了保證高精度的 距離測量，回波探測放大系統(tǒng)必須嚴(yán)格工作在線性區(qū)避免探測到的回波飽和失真，同時(shí)，其 輸出的信號幅度需要穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)以減小時(shí)刻鑒別帶來的距離行走誤差。
[0003] 現(xiàn)有激光測距技術(shù)按調(diào)制信號不同，分為脈沖式激光測距和相位式激光測距。脈 沖式激光測距儀采用脈沖波調(diào)制，測量距離可達(dá)上千米，但精度只有毫米級；相位式激光測 距儀采用連續(xù)波調(diào)制，測量距離在百米以內(nèi)，精度在亞毫米級甚至更高。
[0004] 在上述回波功率大幅度變化的情況下，實(shí)現(xiàn)高精度測距需要在回波接收系統(tǒng)中引 入增益控制技術(shù)。激光測距儀回波接收系統(tǒng)的增益由光增益和電增益兩部分組成。相對于 光增益，電增益的調(diào)整一般通過改變電路放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)，具有調(diào)整速度快、易集成等優(yōu)點(diǎn)， 便于進(jìn)行自動增益控制。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)方案測距儀是將探測器接收到的信號，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的電信號直接反 饋激光器控制端，或者將該電信號通過一個(gè)二極管取其幅度，再反饋到激光器控制端。采用 這些方案的測距儀幅相誤差較大，而且需要較長的開機(jī)穩(wěn)定時(shí)間，使得開機(jī)速度慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] (一）要解決的技術(shù)問題
[0007] 為解決現(xiàn)有測距儀存在幅相誤差大，而且需要較長的開機(jī)穩(wěn)定時(shí)間太長，使得開 機(jī)速度慢的技術(shù)問題，為此，本發(fā)明目的是降低激光測距系統(tǒng)幅相誤差和縮短開機(jī)穩(wěn)定時(shí) 間，為此提供一種相位式激光測距系統(tǒng)的光能量穩(wěn)定控制裝置。
[0008] (二）技術(shù)方案
[0009] 為達(dá)成所述目的，本發(fā)明提供一種相位式激光測距系統(tǒng)的光能量穩(wěn)定控制裝置， 所述裝置包括：探測器、可變增益放大器、混頻解調(diào)單元、第一濾波器、第二濾波器、驅(qū)動控 制單元、增益控制單元、激光驅(qū)動電路和激光器，其中 ：
[0010] 探測器，用于接收經(jīng)目標(biāo)物反射激光回波信號，將光功率變化的激光回波信號轉(zhuǎn) 換并輸出光功率幅度變化的電信號；
[0011] 可變增益放大器的輸入端與探測器的輸出端連接，對光功率幅度變化的電信號進(jìn) 行放大，控制可變增益放大器輸出光功率幅度增益變化的高頻電信號；
[0012] 混頻解調(diào)單元的輸入端與可變增益放大器的輸出端連接，用于將可變增益放大器 輸出的高頻電信號與混頻解調(diào)單元的本地振蕩電路產(chǎn)生的信號混頻濾波，并輸出中頻信 號；
[0013] 第一濾波器的輸入端與混頻解調(diào)單元的輸出端連接，用于提取中頻信號中含有的 激光光功率漂移的低頻信號；
[0014] 第二濾波器的輸入端與混頻解調(diào)單元的輸出端連接，用于提取中頻信號中含有的 瞬時(shí)光功率變化信息；
[0015] 驅(qū)動控制單元的輸入端與第一濾波器輸出端連接，將低頻信號中的激光光功率漂 移量生成并輸出激光光功率漂移電壓量；
[0016] 增益控制單元的輸入端與第二濾波器輸出端連接，對瞬時(shí)光功率變化量進(jìn)行量 化，將量化的光功率變化量反饋給可變增益放大器，實(shí)現(xiàn)接收光功率的自動增益控制；
[0017] 激光驅(qū)動電路的電流控制端與驅(qū)動控制單元的輸出端連接，將激光光功率漂移電 壓量反饋給激光器驅(qū)動電路并生成調(diào)制電流，控制并輸出激光驅(qū)動電路增加或減少的調(diào)制 激光發(fā)射功率反饋信號；
[0018] 激光器的輸入端與激光驅(qū)動電路輸出端連接，利用調(diào)制激光發(fā)射功率反饋信號， 對激光器功率漂移的自動補(bǔ)償，驅(qū)動激光器發(fā)射具有穩(wěn)定激光發(fā)射功率和接收信號幅值的 自動增益控制的調(diào)制激光信號。
[0019] (三）有益效果
[0020] 為快速穩(wěn)定激光發(fā)射信號的功率,減小接收光功率變化對測距精度的影響,本發(fā) 明通過從電學(xué)角度設(shè)計(jì)，對相位式激光測距儀出射激光功率和光電轉(zhuǎn)換后的電信號幅度進(jìn) 行自動增益控制，提出在相位式激光測距系統(tǒng)中，接收光經(jīng)光電轉(zhuǎn)后對光電轉(zhuǎn)換信號的雙 閉環(huán)雙負(fù)反饋?zhàn)詣釉鲆婵刂蒲b置，即通過激光器驅(qū)動電路控制出射激光的平均功率和接收 電路增益的檢測，通過可變增益放大器控制光電轉(zhuǎn)換后信號的瞬時(shí)功率，降低了激光測距 系統(tǒng)幅相誤差和縮短開機(jī)穩(wěn)定時(shí)間，提高了開機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)高精度激光測距儀的自動增益 控制。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明相位式測距系統(tǒng)的光能量穩(wěn)定控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明激光器T0LD9442M輸出功率與調(diào)制電流的關(guān)系。
[0023] 圖3是本發(fā)明的具體實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025] 相位式激光測量通過鑒別激光傳播引起的相位差測量目標(biāo)距離，精度可達(dá)毫米級 甚至更高。影響相位式激光測量的主要誤差主要包括偶然誤差和幅相誤差。其中偶然誤差 主要由信號噪聲產(chǎn)生，通過提高待測信號信噪比可以有效抑制偶然誤差。幅相誤差是由于 信號強(qiáng)弱不同而引起的測距偏差。在100米內(nèi)測量時(shí)，可將目標(biāo)視為擴(kuò)展目標(biāo)，此時(shí)相位式 激光測距系統(tǒng)的作用距離d與接收功率P d的關(guān)系為：
[0027] 式中Pd為接收功率，m為半導(dǎo)體激光器的調(diào)制深度，Ta大氣傳輸系數(shù)，P目標(biāo)半 球反射率，D接收孔徑，H ,接收光學(xué)效率，H ,發(fā)射光學(xué)效率，Ps為激光發(fā)射功率。其中激 光發(fā)射功率Ps、半導(dǎo)體激光器的調(diào)制深度m、發(fā)射光學(xué)效率η t、接收光學(xué)效率η d、接收孔徑 D視為定值，大氣傳輸系數(shù)Ta對接收功率Pd的影響較小，而當(dāng)目標(biāo)半球反射率P和相位式 激光測距系統(tǒng)的作用距離d變化時(shí)，接收功率P d具有較大的動態(tài)范圍。比如目標(biāo)半球反射 率P不變而距離從1米增加到100米時(shí)，接收功率Pd衰減40dB。所以激光測量接收到的 信號動態(tài)范圍較大，由此引起的誤差可達(dá)厘米級甚至更大，高精度測量時(shí)相位式激光測距 系統(tǒng)常?？刂平邮展β蔖 d的動態(tài)范圍，以降低幅相誤差。
[0028] 激光測距回波接收系統(tǒng)的增益包括光增益和電增益，傳統(tǒng)降低幅相誤差的方案是 從光增益入手，通過調(diào)節(jié)光增益來控制信號功率。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，通過控制放大 器的放大倍數(shù)調(diào)整電增益的方案成為可能。而且電學(xué)角度的自動增益控制相對于光學(xué)控 制，具有反應(yīng)速度快，精度高的特點(diǎn)，非常適合高速測量。電子學(xué)自動增益控制模塊逐漸集 成化、智能化，使對電增益的控制更加簡單可行。
[0029] 半導(dǎo)體激光器的輸出功率易受溫度等影響，圖2顯示了溫度對一半導(dǎo)體激光器的 影響，圖中所示為輸出功率與調(diào)制電流的關(guān)系，表明溫度對調(diào)制電流有較大影響，當(dāng)溫度升 高時(shí)，達(dá)到相同的輸出光功率需要更大的調(diào)制電流。溫度變化會引起激光器發(fā)射光功率的 漂移，增加系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間的同時(shí)導(dǎo)致探測器輸出的相位延遲量變化，在探測器處產(chǎn)生幅相 誤差；除半導(dǎo)體激光器外，其它器件如晶振等的幅度特性也會隨著時(shí)間和溫度變化，導(dǎo)致激 光器輸出功率發(fā)生漂移變化。此外，由于相位式激光測距系統(tǒng)接收目標(biāo)物反射的激光回波， 接收光功率的大小與目標(biāo)物反射系數(shù)成正比，而接收光功率的變化經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換后也反映 為電信號相位延遲量的變化，在信號處理電路處產(chǎn)生幅相誤差。
[0030] 如圖1示出本發(fā)明設(shè)計(jì)一套位式激光測距系統(tǒng)的光能量穩(wěn)定控制裝置，是可同時(shí) 穩(wěn)定激光發(fā)射功率和接收信號幅度的自動增益控制裝置，包括：探測器1、可變增益放大器 2、混頻解調(diào)單元3、第一濾波器4、第二濾波器5、驅(qū)動控制單元6、增益控制單元7、激光驅(qū) 動電路8和激光器9 ;該裝置通過提取相位式激光測距系統(tǒng)接收信號中不同的頻率成分，反 映激光器9發(fā)射功率的漂移變化和接收光功率瞬時(shí)變化，搭建兩個(gè)負(fù)反饋控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)激 光發(fā)射功率和接收信號幅值的自動穩(wěn)定控制，在減少相位式激光測距系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間的同時(shí) 降低由幅相誤差引入的測距誤差。激光器9發(fā)射激光，到達(dá)目標(biāo)物后反射激光回波，由探測 器1接收回波信號并完成光電轉(zhuǎn)換形成電信號。接收電信號經(jīng)過處理后反饋到激光驅(qū)動電 路8和可變增益放大器2的輸入端，實(shí)現(xiàn)對激光器9的輸出光功率和接收信號幅度實(shí)施精 確fe制。
[0031] 本發(fā)明中由可變增益放大器2、混頻解調(diào)單元3、第一濾波器4、驅(qū)動控制單元6、激 光驅(qū)動電路8構(gòu)成激光發(fā)射功率控制環(huán)路。當(dāng)探測器1輸出信號經(jīng)混頻解調(diào)單元3調(diào)制后， 第一濾波器4提取的頻率分量增大時(shí)，驅(qū)動控制單元6的輸出電流減小，控制激光驅(qū)動電路 8降低激光發(fā)射功率；第一濾波器4提取的頻率分量減小時(shí)，驅(qū)動控制單元6的輸出電流增 大，控制激光驅(qū)動電路8增加激光發(fā)射功率。
[0032] 本發(fā)明中由可變增益放大器2、混頻解調(diào)單元3、第二濾波器5、增益控制單元7構(gòu) 成接收信號增益控制環(huán)路。探測器1的輸出信號控制可變增益放大器2的放大倍數(shù)，當(dāng)?shù)?二濾波器5提取的頻率分量減小時(shí)，增益控制單元7的輸出電壓降低，控制可變增益放大器 2提高增益；第二濾波器5提取的頻率分量增大時(shí)，增益控制單元7的輸出電壓上升，控制 可變增益放大器2降低增益。
[0033] 激光器9,用于發(fā)射經(jīng)調(diào)制的激光信號，激光信號照射在目標(biāo)物上，目標(biāo)物反射激 光回波信號；
[0034] 探測器1，用于接收經(jīng)目標(biāo)物反射激光回波信號，將光功率變化的激光回波信號轉(zhuǎn) 換并輸出光功率幅度變化的電信號，所述光功率幅度變化的電信號含有一相位延遲量，所 述光功率幅度變化的電信號相位延遲量包含目標(biāo)物的距離信息；
[0035] 可變增益放大器2的輸入端與探