[發(fā)明專利]一種基于開關(guān)電容陣列采樣的半導(dǎo)體激光測距機

在審

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• 申請日: 2015-12-23
• 公開（公告）號: CN105403892A
• 公開（公告）日: 2016-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王飛;王銳;王挺峰;郭勁
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01S17/08
• 分類號: G01S17/08
• 代理公司: 長春菁華專利商標(biāo)代理事務(wù)所 22210
• 代理人: 張偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光測距領(lǐng)域，具體涉及一種基于開關(guān)電容陣列采樣的半導(dǎo)體激光測距機。

背景技術(shù)

激光測距技術(shù)在國民生活、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，對小體積、低成本、遠距離、低功耗、高精度的激光測距系統(tǒng)有著強烈的需求。然而受激光光源、探測器靈敏度等因素限制，以上多種需求通常難以同時獲得。基于半導(dǎo)體激光器的激光測距機具有較小的體積、功耗，是一種常見的小型測距儀器，但受到半導(dǎo)體激光器發(fā)射功率的較低的影響，單脈沖探測作用距離通常僅數(shù)百米。

發(fā)明內(nèi)容

為提高半導(dǎo)體激光測距機的測量距離范圍和測距精度，本發(fā)明提供了一種基于開關(guān)電容陣列采樣器件的半導(dǎo)體激光測距機。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下：

一種基于開關(guān)電容陣列采樣的半導(dǎo)體激光測距機，包括與主控模塊相連的發(fā)射端和接收端；

所述發(fā)射端依次包括：LD驅(qū)動模塊，LD模塊，以及LD整形發(fā)射模塊；

所述接收端依次包括：回波接收模塊，APD放大模塊，SCA采樣積分模塊，以及ADC模塊；

所述SCA采樣積分模塊中包含確定數(shù)量N的采樣單元，每個采樣單元包括采樣開關(guān)，輸出開關(guān)和采樣電容；

數(shù)字脈沖按順序傳播，使得各采樣單元的采樣開關(guān)依次閉合，采樣開關(guān)閉合時，輸入電流信號將對對應(yīng)位置的采樣電容充電。

在上述技術(shù)方案中，所述SCA采樣積分模塊中的采樣單元的數(shù)量大于2Rf/c，其中R為目標(biāo)距離，f為采樣頻率，c為真空中光速。

在上述技術(shù)方案中，輸入信號采樣時，采樣開關(guān)的開、閉狀態(tài)由一個延遲鏈控制，按照時間先后順序，依次閉合、打開；所述延時鏈由2N個反向器構(gòu)成，每個反向器可以將輸入的數(shù)字信號延遲△t/2，每兩個電容開關(guān)間經(jīng)過2個反向器，使到達相鄰兩級采樣開關(guān)間的信號延時為△t。

在上述技術(shù)方案中，當(dāng)所述SCA采樣積分模塊接收到LD驅(qū)動模塊的信號后，產(chǎn)生一個極短的數(shù)字脈沖，輸入到所述延時鏈中。

在上述技術(shù)方案中，所述數(shù)字脈沖在所述延時鏈中按順序傳播，使得各采樣單元的采樣開關(guān)依次閉合，相鄰采樣單元采樣開關(guān)閉合時間間隔為△t，采樣開關(guān)閉合時，輸入電流信號將對對應(yīng)位置的采樣電容充電。

在上述技術(shù)方案中，采樣次數(shù)的確定方法為：設(shè)計算單次信噪比為(S/N)_single＝a，距離處理處理所需的信噪比為(S/N)_object＝b，則所需的采樣次數(shù)可取為N≥(b/a)²。

本發(fā)明具有以下的有益效果：

本發(fā)明以具有高速采樣能力的開關(guān)電容陣列為核心器件，配合外圍電路，實現(xiàn)對激光回波信號的高速采樣、存儲、積分功能。通過多次發(fā)射激光脈沖，將每次發(fā)射后所接收到的信號進行采樣、存儲、積分后，利用各次測量間噪聲的非相干性，提高最終測量信號的信噪比，從而提高了半導(dǎo)體激光測距機的測量距離范圍。

基于開關(guān)電容陣列的采樣電路具有極高的采樣速度，可達到5GSPs/s以上。因此也獲得了極高的時間分辨率和目標(biāo)距離分辨率。通過后續(xù)對采樣信號的分析與處理，可以獲得更高的距離測量精度。

本發(fā)明對傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光測距機進行了改進，利用開關(guān)電容陣列作為信號的采樣、存儲、積分器件，與傳統(tǒng)基于采樣積分方式的激光測距技術(shù)相比，具有更低的功耗、更快的處理速度、更高的時間分辨率，對降低半導(dǎo)體激光測距機的功耗，提高測距精度和分辨率具有積極意義。

除激光測距領(lǐng)域外，基于SCA采樣積分的信號處理技術(shù)還可以應(yīng)用于其它可重復(fù)性微弱信號的測量、檢測等領(lǐng)域，提高系統(tǒng)探測信噪比，具有較大應(yīng)用前景。

本發(fā)明利用開關(guān)電容陣列采樣技術(shù)，實現(xiàn)微弱信號的采樣積分，利用噪聲的非相干性，通過多脈沖發(fā)射接收后，提高系統(tǒng)的測量信噪比，從而大幅提高半導(dǎo)體激光測距機的測量范圍。同時開關(guān)電容陣列的高頻采樣能力，配合后續(xù)信號處理也具體進一步提高半導(dǎo)體激光測距機的目標(biāo)距離測量精度的潛力。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。

圖1為基于SCA采樣積分的半導(dǎo)體測距機原理框圖。

圖2為開關(guān)電容陣列采樣積分原理示意圖。

圖3為典型回波信號與目標(biāo)距離處理示意圖。

圖中的附圖標(biāo)記表示為：

1、4-采樣開關(guān)；2、5-采樣電容；3、6-輸出開關(guān)。

具體實施方式