一种多频调制激光动态目标测距测速系统及方法技术方案

本发明专利技术属于激光测距领域，并具体公开了一种多频调制激光动态目标测距测速系统及方法，包括控制模块、多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块，多频调制模块包括时钟信号子模块、主振合成器、本振合成器、直流驱动电路和半导体激光发射器，时钟信号子模块与主振合成器、本振合成器相连，直流驱动电路、主振合成器、半导体激光发射器依次相连；自适应偏压驱动模块包括接收镜片、雪崩光电二级管和高压驱动子模块，雪崩光电二级管与高压驱动子模块和本振合成器相连；信号调理采集模块用于接收和处理雪崩光电二级管输出的光电流信号。本发明专利技术可实现对动态目标的快速、高精度测距测速，且结构简单、稳定度高。

A ranging and velocity measurement system and method of multi frequency modulation laser dynamic target

【技术实现步骤摘要】
一种多频调制激光动态目标测距测速系统及方法
本专利技术属于激光测距领域，更具体地，涉及一种多频调制激光动态目标测距测速系统及方法。
技术介绍
激光测距作为激光技术应用的一个重要组成部分，在民用和军用等重要领域都得到了广泛应用，例如交通方面大大提高了车辆定位的准确度，地形勘探方面提高了野外测量的精度等等。和微波测距等其它方法相比，激光测距具有更好的方向性和更高的测距精度，测程远，抗干扰能力强，隐蔽性好，因而得到广泛的应用。目前，传统的激光测距仪多为静态测量系统，无法实现动态测量，也不能获得运动目标的速度信息。在动态测量领域，多数采用的方案是基于激光脉冲法测距，虽然具有测程远，电路相对简单和测量速度快的优点，但是精度不高，通常只能达到分米级甚至米级。基于相位法的动态测量方案中，虽然可实现毫米级的测量精度，但由于需先后发射多种频率不同的测尺对同一距离进行测量，由于被测目标的移动，会导致不同频率测尺的测距结果对应于不同距离，导致测量误差。基于相位法的激光动态目标测距方案中，文献《基于全相位快速傅里叶变换谱分析的激光动态目标实时测距系统》尝试利用激光多频调制发射技术，将三个不同频率的调制信号合成后驱动激光器同时发射包含三种调制频率的调制光，以解决相位法激光测距中由于动态目标的移动导致先后发射的多种频率不同的测尺的测距结果对应于不同距离而导致测量误差的问题，在一定程度上能实现激光动态测距，但仍存在一些问题：(1)采用先经带通滤波器实现三种调制频率分量的分离，再经混频器进行降频处理的方式，该方式适用于调制频率较低的场合，导致测距精度不高，当调制频率大于100MHz时，前述带通滤波器在设计上将具有很大的难度，对于后续电路也将有着很高的带宽要求；(2)采用两组DDS芯片用于分别产生主振信号和本振信号，难以保证主振信号和本振信号的初相位一致，易产生测相误差；(3)采用两个雪崩光电二极管、两个带通滤波器及六个混频器同步对测距信号和参考信号的处理，采用六个A/D转换器同步采集测距信号和参考信号，导致电路结构较为复杂，且由于各个元器件在性质上无法做到完全一致，导致测距信号和参考信号在信号处理过程中由于电路噪声等原因而引入的附加相移不完全一致，则无法完全消除该附加相移，进而影响到最终的测距精度。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种多频调制激光动态目标测距测速系统及方法，其目的在于，通过同一时钟信号子模块发出主振信号和本振信号，并先后得到经外光路和内光路分别产生的主振合成信号，在雪崩光电二极管内部实现主振合成信号和本振合成信号的下混频，从而得到待测目标的距离信息和速度信息，是实现动态目标快速、高精度测距测速的简易有效的方法。为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，本专利技术提出了一种多频调制激光动态目标测距测速系统，包括控制模块、多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块，其中：所述控制模块与所述多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块均相连；所述多频调制模块包括时钟信号子模块、主振合成器、本振合成器、直流驱动电路和半导体激光发射器，其中，所述时钟信号子模块与所述主振合成器、本振合成器相连，用于给主振合成器、本振合成器提供调制信号；所述直流驱动电路、主振合成器、半导体激光发射器依次相连，所述半导体激光发射器包括测距激光管和参考激光管；所述自适应偏压驱动模块包括接收镜片、雪崩光电二级管和高压驱动子模块，其中，所述接收镜片用于接收所述半导体激光发射器发出的激光信号并传递给所述雪崩光电二级管，所述雪崩光电二级管与所述高压驱动子模块和本振合成器相连，其在高压驱动子模块、本振合成器以及半导体激光发射器信号的共同作用下输出光电流信号；所述信号调理采集模块用于接收和处理所述雪崩光电二级管输出的光电流信号，并传递给控制模块。作为进一步优选的，所述信号调理采集模块包括依次相连的跨阻放大器、带通滤波器和模数转换器，所述跨阻放大器用于接收所述雪崩光电二级管输出的光电流信号并转换为电压信号，所述带通滤波器将该电压信号按频率进行分离，所述模数转换器对分离后的信号进行采集并传递给控制模块。作为进一步优选的，所述信号调理采集模块还包括自动增益电路，其位于所述跨阻放大器和带通滤波器之间，用于对电压信号进行自适应增益。作为进一步优选的，所述自适应偏压驱动模块还包括依次相连的温度传感器、转换器和运算放大器，所述温度传感器用于采集雪崩光电二极管的温度信息并产生电流信号，该电流信号经所述转换器转换为电压信号后传递给运算放大器；所述运算放大器与所述高压驱动子模块相连，用于根据转换器传递的电压信号对高压驱动子模块的输出电压进行调整。作为进一步优选的，所述自适应偏压驱动模块还包括滤光片，该滤光片位于所述接收镜片和雪崩光电二级管之间，用于滤除背景光和杂散光的干扰。作为进一步优选的，所述多频调制模块还包括模拟开关，其位于主振合成器和半导体激光发射器之间，用于控制主振合成器只为测距激光管和参考激光管中的一个提供信号。按照本专利技术的另一方面，提供了一种多频调制激光动态目标测距测速方法，采用上述系统实现，包括如下步骤：S1时钟信号子模块发出数路调制信号，其中一半作为主振信号提供给主振合成器，另一半作为本振信号提供给本振合成器；该主振信号与直流驱动电路产生的偏置直流经主振合成器合成和放大后形成主振合成信号，并传递给半导体激光发射器；同时本振信号经本振合成器合成和放大后与高压驱动子模块产生的高压信号一起输入雪崩光电二极管；S2打开测距激光管，使其在主振合成信号的驱动下发出调制激光，该调制激光经待测目标反射后被雪崩光电二极管接收，得到测量激光信号，雪崩光电二极管在高压信号的驱动下，对测量激光信号和本振信号进行下混频输出得到测量光电流信号，该测量光电流信号由信号调理采集模块接收和处理后得到测量信号，并传递给控制模块；S3关闭测距激光管，打开参考激光管，使其在主振合成信号的驱动下发出调制激光，该调制激光通过内部反射镜反射后被雪崩光电二极管接收，得到参考激光信号，雪崩光电二极管在高压信号的驱动下，对参考激光信号和本振信号进行下混频输出得到参考光电流信号，该参考光电流信号由信号调理采集模块接收和处理后得到参考信号，并传递给控制模块；S4根据测量信号和参考信号即可得到待测目标的距离信息和速度信息。作为进一步优选的，所述S2和S3中，雪崩光电二级管输出的光电流信号由跨阻放大器接收并转换为电压信号，该电压信号经自动增益电路进行自适应增益后，再由带通滤波器按频率进行分离，该分离后的信号由模数转换器采集并传递给控制模块。作为进一步优选的，整个测距测速过程中，温度传感器实时采集雪崩光电二极管的温度信息并产生电流信号，该电流信号经转换器转换为电压信号后传递给运算放大器，运算放大器根据该电压信号对高压驱动子模块的输出电压进行实时调整。作为进一步优选的，所述S4中，根据测量信号和参考信号，采用基于快速傅里叶变换或基于全相位频谱分析的数字测相算法，得到待测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多频调制激光动态目标测距测速系统，其特征在于，包括控制模块、多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块，其中：/n所述控制模块与所述多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块均相连；/n所述多频调制模块包括时钟信号子模块、主振合成器、本振合成器、直流驱动电路和半导体激光发射器，其中，所述时钟信号子模块与所述主振合成器、本振合成器相连，用于给主振合成器、本振合成器提供调制信号；所述直流驱动电路、主振合成器、半导体激光发射器依次相连，所述半导体激光发射器包括测距激光管和参考激光管；/n所述自适应偏压驱动模块包括接收镜片、雪崩光电二级管和高压驱动子模块，其中，所述接收镜片用于接收所述半导体激光发射器发出的激光信号并传递给所述雪崩光电二级管，所述雪崩光电二级管与所述高压驱动子模块和本振合成器相连，其在高压驱动子模块、本振合成器以及半导体激光发射器信号的共同作用下输出光电流信号；/n所述信号调理采集模块用于接收和处理所述雪崩光电二级管输出的光电流信号，并传递给控制模块。/n

【技术特征摘要】
1.一种多频调制激光动态目标测距测速系统，其特征在于，包括控制模块、多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块，其中：
所述控制模块与所述多频调制模块、自适应偏压驱动模块和信号调理采集模块均相连；
所述多频调制模块包括时钟信号子模块、主振合成器、本振合成器、直流驱动电路和半导体激光发射器，其中，所述时钟信号子模块与所述主振合成器、本振合成器相连，用于给主振合成器、本振合成器提供调制信号；所述直流驱动电路、主振合成器、半导体激光发射器依次相连，所述半导体激光发射器包括测距激光管和参考激光管；
所述自适应偏压驱动模块包括接收镜片、雪崩光电二级管和高压驱动子模块，其中，所述接收镜片用于接收所述半导体激光发射器发出的激光信号并传递给所述雪崩光电二级管，所述雪崩光电二级管与所述高压驱动子模块和本振合成器相连，其在高压驱动子模块、本振合成器以及半导体激光发射器信号的共同作用下输出光电流信号；
所述信号调理采集模块用于接收和处理所述雪崩光电二级管输出的光电流信号，并传递给控制模块。


2.如权利要求1所述的多频调制激光动态目标测距测速系统，其特征在于，所述信号调理采集模块包括依次相连的跨阻放大器、带通滤波器和模数转换器，所述跨阻放大器用于接收所述雪崩光电二级管输出的光电流信号并转换为电压信号，所述带通滤波器将该电压信号按频率进行分离，所述模数转换器对分离后的信号进行采集并传递给控制模块。


3.如权利要求2所述的多频调制激光动态目标测距测速系统，其特征在于，所述信号调理采集模块还包括自动增益电路，其位于所述跨阻放大器和带通滤波器之间，用于对电压信号进行自适应增益。


4.如权利要求1所述的多频调制激光动态目标测距测速系统，其特征在于，所述自适应偏压驱动模块还包括依次相连的温度传感器、转换器和运算放大器，所述温度传感器用于采集雪崩光电二极管的温度信息并产生电流信号，该电流信号经所述转换器转换为电压信号后传递给运算放大器；所述运算放大器与所述高压驱动子模块相连，用于根据转换器传递的电压信号对高压驱动子模块的输出电压进行调整。


5.如权利要求1所述的多频调制激光动态目标测距测速系统，其特征在于，所述自适应偏压驱动模块还包括滤光片，该滤光片位于所述接收镜片和雪崩光电二级管之间，用于滤除背景光和杂散光的干扰。


6.如权利要求1-5任一项所述的多频调制激光动态目标...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈良洲，陈有林，鲁猛，杨余锋，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42