一種基于開關電容陣列采樣的半導體激光測距機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及激光測距領域，具體涉及一種基于開關電容陣列采樣的半導體激光測距機。
【背景技術】
[0002]激光測距技術在國民生活、軍事應用等領域有著廣泛的應用，對小體積、低成本、遠距離、低功耗、高精度的激光測距系統有著強烈的需求。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，但受到半導體激光器發射功率的較低的影響，單脈沖探測作用距離通常僅數百米。
【發明內容】
[0003]為提高半導體激光測距機的測量距離范圍和測距精度，本發明提供了一種基于開關電容陣列采樣器件的半導體激光測距機。
[0004]為了解決上述技術問題，本發明的技術方案具體如下:
[0005]—種基于開關電容陣列采樣的半導體激光測距機，包括與主控模塊相連的發射端和接收端；
[0006]所述發射端依次包括:LD驅動模塊，LD模塊，以及LD整形發射模塊；
[0007]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豐吳塊；
[0008]所述SCA采樣積分模塊中包含確定數量N的采樣單元，每個采樣單元包括采樣開關，輸出開關和采樣電容；
[0009]數字脈沖按順序傳播，使得各采樣單元的采樣開關依次閉合，采樣開關閉合時，輸入電流信號將對對應位置的采樣電容充電。
[0010]在上述技術方案中，所述SCA采樣積分模塊中的采樣單元的數量大于2Rf/c，其中R為目標距離，f為采樣頻率，c為真空中光速。
[0011]在上述技術方案中，輸入信號米樣時，米樣開關的開、閉狀態由一個延遲鏈控制，按照時間先后順序，依次閉合、打開；所述延時鏈由2N個反向器構成，每個反向器可以將輸入的數字信號延遲Λ t/2，每兩個電容開關間經過2個反向器，使到達相鄰兩級采樣開關間的信號延時為At。
[0012]在上述技術方案中，當所述SCA采樣積分模塊接收到LD驅動模塊的信號后，產生一個極短的數字脈沖，輸入到所述延時鏈中。
[0013]在上述技術方案中，所述數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依次閉合，相鄰采樣單元采樣開關閉合時間間隔為At，采樣開關閉合時，輸入電流信號將對對應位置的采樣電容充電。
[0014]在上述技術方案中，采樣次數的確定方法為:設計算單次信噪比為(S/N)sl_ =a，距離處理處理所需的信噪比為(5作)_#=13，則所需的采樣次數可取為~彡(b/a) 2ο
[0015]本發明具有以下的有益效果:
[0016]本發明以具有高速采樣能力的開關電容陣列為核心器件，配合外圍電路，實現對激光回波信號的高速采樣、存儲、積分功能。通過多次發射激光脈沖，將每次發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，從而提高了半導體激光測距機的測量距離范圍。
[0017]基于開關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距離分辨率。通過后續對采樣信號的分析與處理，可以獲得更高的距離測量精度。
[0018]本發明對傳統半導體激光測距機進行了改進，利用開關電容陣列作為信號的采樣、存儲、積分器件，與傳統基于采樣積分方式的激光測距技術相比，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。
[0019]除激光測距領域外，基于SCA采樣積分的信號處理技術還可以應用于其它可重復性微弱信號的測量、檢測等領域，提高系統探測信噪比，具有較大應用前景。
[0020]本發明利用開關電容陣列采樣技術，實現微弱信號的采樣積分，利用噪聲的非相干性，通過多脈沖發射接收后，提高系統的測量信噪比，從而大幅提高半導體激光測距機的測量范圍。同時開關電容陣列的高頻采樣能力，配合后續信號處理也具體進一步提高半導體激光測距機的目標距離測量精度的潛力。
【附圖說明】
[0021]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0022]圖1為基于SCA采樣積分的半導體測距機原理框圖。
[0023]圖2為開關電容陣列采樣積分原理示意圖。
[0024]圖3為典型回波信號與目標距離處理示意圖。
[0025]圖中的附圖標記表示為:
[0026]1,4-采樣開關；2、5_采樣電容；3、6_輸出開關。
【具體實施方式】
[0027]本發明的發明思想為:利用開關電容陣列SCA實現對微弱信號的采樣積分，有利于提高激光測距機的微弱信號探測能力，同時降低系統功耗、成本以及系統復雜度，實現系統的小型化、遠距離測距。
[0028]下面結合附圖對本發明做以詳細說明。
[0029]本實施例中以:主控，LD驅動，LD，LD整形發射，回波接收，APD放大，SCA采樣積分，以及ADC，分別代表:主控模塊，LD驅動模塊，LD模塊，LD整形發射模塊，回波接收模塊，APD放大模塊，SCA采樣積分模塊，以及ADC模塊。
[0030]本發明所涉及的半導體激光測距機原理框圖如圖1所示。
[0031]主控接收上位機的命令，開始測距。由主控產生觸發脈沖，由激光二極管LD驅動將脈沖進行進一步的整形處理，驅動LD產生短脈沖激光，通常為數納秒至數十納秒間。LD整形發射系統將LD的發射激光光束進行整形，壓縮發散角(通常壓縮至mrad量級)后，照明目標。回波接收系統將由目標返回的激光信號收集后，投射到雪崩光電二極管APD探測器光敏面，由APD將光信號轉變為電流信號，并將電流信號進行高通濾波和放大后輸入SCA米樣積分。
[0032]SCA采樣積分中包含確定數量N的采樣單元，采樣單元的數量與目標的距離、采樣頻率相關。通常需要大于2Rf/c，其中R為目標距離，f為采樣頻率，c為真空中光速。每個采樣單元主要包括兩個高速開關和一個采樣電容。輸入位置開關的開、閉狀態，決定了采樣電容是否接收輸入信號電流。而輸出開關的開、閉狀態決定了輸出信號由哪個采樣電容產生。輸入信號采樣時，開關的開、閉狀態由一個延遲鏈控制，按照時間先后順序，依次閉合、打開。延時鏈由2N個反向器構成，每個反向器可以將輸入的數字信號延遲Λ t/2，每兩個電容開關間經過2個反向器，使到達相鄰兩級采樣開關間的信號延時Λ t。當SCA采樣積分模塊接收到LD驅動模塊的信號后，產生一個極短的數字脈沖，輸入到延時鏈中。該數字脈沖在延時鏈中按順序傳播，使得各采樣單元的采樣開關依次閉合，相鄰采樣單元開關閉合時間間隔為Λ t，開關閉合時，輸入電流信號將對對應位置的采樣電容充電。
[0033]包含9個采樣單元的SCA陣列如圖2所示。