CN108011293B - 一种窄脉冲红外半导体激光发射电路 - Google Patents

一种窄脉冲红外半导体激光发射电路 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种窄脉冲红外半导体激光发射电路，包括电源模块、Boost升压电路、脉冲发生电路和激光二极管驱动电路、激光二极管，Boost升压电路为驱动电路提供高压源，脉冲发生电路通过触发信号控制驱动电路开闭，进而通过充放电电路控制激光二极管发射激光的频率和脉宽，实现窄脉冲激光发射。为使激光二极管能高效工作，脉冲选取10ns窄脉冲信号。同时使用人眼安全阈值较高的红外二极管SPL PL90_3进行激光发射，以实现近距离或地面激光测距。本发明实现脉冲激光的发射，有效提高激光测距的作用距离和精度。

Description

一种窄脉冲红外半导体激光发射电路
技术领域
本发明属于激光测量领域，具体涉及一种窄脉冲红外半导体激光发射电路，应用于激光雷达汽车智能防撞、城市建筑和规划、激光近炸引信、激光主动制导等领域。
背景技术
随着激光的逐渐发展，激光测量在激光雷达汽车智能防撞、城市建筑和规划、等领域日益受到重视。在脉冲式激光测量采用激光器作为光源，以激光作为载波，根据飞行时间原理，通过检测激光发射脉冲与激光回波脉冲之间的时间差来测量距离，具备结构简单，价格低廉，可靠性高，抗干扰性能强，不需要合作目标等优点，在民用和军事上得到了广泛应用。
实现窄脉冲激光发射是提高脉冲激光测距的作用距离、动态探测精度和抗干扰能力的重要手段。一方面脉冲宽度越窄，重复频率就越高，而且由于光速极快，近距离测距的激光往返时间极短，脉冲宽度至少应远远小于往返时间才能正常测量，另一方面窄脉冲有助于提高测距***的信噪比。半导体激光器的峰值功率与脉冲宽度成正比，要想峰值功率达到最大，脉冲宽度必须要达到一定值。然而，脉冲过窄会对接收模块的带宽提出过高的要求，可能会引起回波脉冲的失真和畸变。因此，脉冲宽度的选择要综合考虑。
用于高速运动下高精度激光测距的脉冲激光器先后主要有红宝石激光器、YAG激光器和半导体激光器。其中红宝石激光器，极易暴露目标，又对人眼极不安全，目前基本已被淘汰。YAG激光器技术因为隐蔽性、电效率和脉冲重复频率大大优于红宝石激光器，目前仍在应用，但是体积大、成本高、封装繁琐，不适用于便携式激光测距仪。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种窄脉冲红外半导体激光发射电路，以解决现有激光发射器体积大、成本高、封装繁琐，不适用于便携式激光测距仪的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种窄脉冲红外半导体激光发射电路，包括电源模块、Boost升压电路、脉冲发生电路、激光二极管驱动电路以及激光二极管；
所述电源模块与Boost升压电路的输入端连接；
所述Boost升压电路的输出端与激光二极管驱动电路的输入端连接；
所述脉冲发生电路的输入端与电源模块连接；
所述脉冲发生电路输出端与激光二极管驱动电路的输入端连接；
所述激光二极管驱动电路的输出端与激光二极管连接。
与现有技术相比，本发明的优点是：1)利用窄脉冲驱动激光二极管，其中窄脉冲可以很好的控制在10ns以内，既满足激光二极管以峰值功率发射的要求，同时提高测距效率，降低信噪比，提升激光测距精度。同时，窄脉冲信号发生电路简单、有效、稳定、成本很低，易于实现。2)选取中心波长905nm的脉冲半导体激光器SPL PL90_3，对人眼安全阈值较高，同时905nm处于大气窗口内，大气衰减作用较低。3)N沟道增强型场效应管IRF644，开关时间短，瞬间产生电流大，以此实现激光二极管的快速开关和稳定驱动。
附图说明
图1为本发明窄脉冲红外激光发射电路的原理框图。
图2为本发明实施例1脉冲发生电路的电路图。
图3为本发明实施例1激光二极管驱动电路的电路图。
图4为本发明实施例1产生的15ns窄脉冲示意图。
图5为本发明实施例1的Boost升压电路中升压回路的电路图。
图6为本发明实施例1的Boost升压电路中高频方波发生回路的电路图。
具体实施方式
结合图1所示，本发明公开了一种窄脉冲红外半导体激光发射电路，包括电源模块、Boost升压电路、脉冲发生电路、激光二极管驱动电路以及激光二极管；
所述电源模块与Boost升压电路的输入端连接；
所述Boost升压电路的输出端与激光二极管驱动电路的输入端连接；
所述脉冲发生电路的输入端与电源模块连接；
所述脉冲发生电路输出端与激光二极管驱动电路的输入端连接；
所述激光二极管驱动电路的输出端与激光二极管连接。
Boost升压电路为激光二极管驱动电路提供高压源，脉冲发生电路通过触发信号控制激光二极管驱动电路开闭，进而通过充放电电路控制激光二极管发射激光的频率和脉宽，实现窄脉冲激光发射。为使激光二极管能高效工作，脉冲选取10ns以内窄脉冲信号。同时使用人眼安全阈值较高的红外二极管进行激光发射，以实现近距离或地面激光测距。
进一步的实施例中，所述Boost升压电路包括电连接的高频方波发生回路和升压回路；
所述升压回路包括开关三极管、电感L1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一二极管D1、第二二极管D2，所述第一电容C1的一端与电源模块连接，另一端接地；所述第一电阻R1的一端与电源模块连接，另一端分别与第二电容C2的一端、电感L1的一端连接；所述第二电阻R2的一端与电源模块连接，另一端分别与第二电容C2的一端、电感L1的一端连接；所述第三电阻R3的一端与电源模块连接，另一端分别与第二电容C2的一端、电感L1的一端连接；所述第二电容C2的另一端接地，所述电感L1的另一端分别与开关三极管的集电极、第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极相连，所述开关三极管的发射极接地，三极管基极与第四电阻R4的一端相连；所述第二二极管D2的正极接地，第一二极管D1的负极与第五电阻R5的一端、第三电容C3的一端连接；所述第三电容C3的另一端接地，所述第五电阻R5的另一端与第四电容C4的一端连接，第四电容C4另一端接地；
所述高频方波发生回路包括第一NE555芯片U3、第六电阻R5、第七电阻R4、第八电阻R3、第九电阻R2、第十电阻R1、第五电容C1、第六电容C2、第一稳压管D1、第二稳压管D2，所述第一NE555芯片U3的第一引脚接地，第二引脚与第六引脚相连，第四引脚与电源模块相连，第五引脚与第五电容C1的一端连接，所述第五电容C1的另一端接地，所述第一NE555芯片U3的第六引脚分别与第一稳压管D1的负极、第二稳压管D2的正极、第六电容C2的一端相连，所述第六电容C2的另一端接地，第一稳压管D1的正极与第七引脚相连，第二稳压管D2的负极分别与第六电阻R5、第七电阻R4的一端连接，第七电阻R4的另一端、第六电阻R5的另一端均与第一NE555芯片U3的第七引脚连接；所述第一NE555芯片U3的第七引脚与第八电阻R3、第九电阻R2、第十电阻R1的一端连接，所述第八电阻R3、第九电阻R2、第十电阻R1的另一端均与电源模块连接；
所述第四电阻R4的另一端与第一NE555芯片的第三引脚连接。
当方波信号为高电平时，三极管导通，输入直流电压流过电感，电感电流增加，电感储能；方波信号为低电平时，三极管截止，电感给第四电容充电，第四电容两端电压升高，当其电容量足够大，就可以在其两端得到高于输入电压的电压，实现升压过程。
进一步的实施例中，所述脉冲发生电路包括第二NE555芯片U4、74HC04反向芯片U5、74HC86异或芯片U6、第十一电阻R1、第十二电阻R2、第七电容C1和第八电容C2，其中，第二NE555芯片U4的第一引脚接地，第二引脚和第六引脚均分别与第八电容C2以及第十二电阻R2的一端连接，第四引脚与电源模块连接，第五引脚与第七电容C1的一端连接，第七引脚与第十一电阻R1的一端连接，第七引脚同时与第十二电阻R2的另一端连接，第八引脚与电源模块连接，第七电容C1和第八电容C2的另一端接地，第十一电阻R1的另一端与电源模块连接，第二NE555芯片U4的第三引脚与74HC04反向芯片U5的第十三引脚以及74HC86异或芯片U6的第十三引脚连接；74HC04反向芯片U5的第十四引脚与电源模块连接，十二引脚与第十一引脚连接，第十引脚与第九引脚连接，第八引脚与第一引脚连接，第二引脚与第三引脚连接，第四引脚与第五引脚连接，第七引脚接地，74HC04反向芯片U5的第六引脚与74HC86异或芯片U6的第十二引脚连接，所述74HC86异或芯片U6的第十四引脚与电源模块连接，第七引脚接地，第十一引脚与激光二极管驱动电路输入端连接。
进一步的实施例中，所述激光二极管驱动电路包括MIC4452驱动芯片、MOS管、激光二极管、第十三电阻R1、第十四电阻R2、第九电容C1、第十电容C2、第十一电容C3、第十二电容C4和第三稳压管D1，其中，所述MIC4452驱动芯片的第一引脚与电源模块相连；第二引脚与脉冲发生电路的输出端连接，第四、五引脚接地；第六引脚与第七引脚相连，第七引脚与第十三电阻R1的一端连接；所述MIC4452驱动芯片的第八引脚与电源模块相连，第一引脚与第九电容C1的正极连接，第九电容C1的负极与MIC4452驱动芯片的第四引脚相连，所述MIC4452驱动芯片的第一引脚与第十电容C2的正极连接，第十电容C2的负极与MIC4452驱动芯片的第五引脚相连，第十三电阻R1的另一端与MOS管栅极相连；MOS管源极接地，MOS管漏极与第十一电容C3、第十二电容C4、第十四电阻R2的一端连接，所述第十四电阻R2的另一端与Boost升压电路输出端连接；所述第十二电容C4的另一端分别与激光二极管的负极和第三稳压管D1的负极连接；所述第十一电容C3的另一端与激光二极管的负极和第三稳压管D1的负极连接；所述激光二极管的正极与第三稳压管D1的正极连接，另一端接地。
进一步的实施例中，所述激光二极管为SPL PL90_3型脉冲半导体激光器。。它产生905nm波长的红外光，对人眼安全阈值较高，并且是常用脉冲半导体激光器中大气衰减作用较低的一种。
进一步的实施例中，所述MOS管选用N沟道增强型场效应管IRF644，开关时间短，瞬间产生电流大，以此实现激光二极管的快速开关和稳定驱动。
进一步的实施例中，所述脉冲发生电路产生10ns的脉冲驱动激光二极管，可以使激光二极管工作于峰值功率，增加发射的稳定性和发射距离。
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种窄脉冲红外半导体激光发射电路，包括Boost升压电路、脉冲发生电路和激光二极管驱动电路。
其中电源模块提供12V的电源电压，选取适当参数，使Boost升压电路输出电压为170V。
结合图2所示，本实施例中，脉冲发生电路中，电源模块提供12V的电源电压，第七电容C1取0.01uF、第八电容C2取0.1uF、第十一电阻R1取1千欧、第十二电阻R2取28千欧。由此可以产生250Hz占空比50％的方波，将方波信号输入到反向芯片和异或芯片，可以产生频率500Hz脉宽如图4所示15ns的窄脉冲。
结合图5所示，本实施例中，第六电阻R5取1.5千欧、第七电阻R4取2千欧、第八电阻R3取1.5千欧、第九电阻R2取1.5千欧、第十电阻R1取680欧、第五电容C1取0.01uF、第六电容C2取0.1uF、第一、二稳压管D1D2用1N4148稳压管，可以输出频率10KHz，占空比30％的方波。
结合图5所示，本实施例中，电感L1取33mH、第一电阻R1取33欧、第二电阻R2取51欧、第三电阻R3取51欧、第四电阻R4使用可调电位器、第五电阻R5取10千欧、第一电容C1取10uF电解电容、第二电容C2取0.1uF、第三电容C3取0.01uF、第四电容C4取0.01uF、第一二极管D1和第二二极管D2选用1N4007，接入频率10KHz，占空比30％的方波后，当电位器取51欧时，可以输出170V高压。
如图3所示，本实施例中，激光二极管驱动电路中输入12V驱动电压、170V输入高压、15ns窄脉冲信号、MOS管选用N沟道增强型、OSRAM公司的SPL PL90_3型脉冲半导体激光器。同时，第十三电阻R1取1.5欧、第十四电阻R2取10千欧、第九、十电容C1C2取0.1uF、第十一、十二电容C3C4取4.7nF。可以稳定的驱动激光二极管，满足激光二极管以峰值功率75W发射的要求，同时提高测距效率，测距距离可达到200米，降低信噪比，提升激光测距精度，结合激光接收电路，测距精度可达0.05米。

Claims (7)

1.一种窄脉冲红外半导体激光发射电路，其特征在于：包括电源模块、Boost升压电路、脉冲发生电路、激光二极管驱动电路以及激光二极管；
所述电源模块与Boost升压电路的输入端连接；
所述Boost升压电路的输出端与激光二极管驱动电路的输入端连接；
所述脉冲发生电路的输入端与电源模块连接；
所述脉冲发生电路输出端与激光二极管驱动电路的输入端连接；
所述激光二极管驱动电路的输出端与激光二极管连接；
所述Boost升压电路包括电连接的高频方波发生回路和升压回路；
所述升压回路包括开关三极管、电感(L1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)，所述第一电容(C1)的一端与电源模块连接，另一端接地；所述第一电阻(R1)的一端与电源模块连接，另一端分别与第二电容(C2)的一端、电感(L1)的一端连接；所述第二电阻(R2)的一端与电源模块连接，另一端分别与第二电容(C2)的一端、电感(L1)的一端连接；所述第三电阻(R3)的一端与电源模块连接，另一端分别与第二电容(C2)的一端、电感(L1)的一端连接；所述第二电容(C2)的另一端接地，所述电感(L1)的另一端分别与开关三极管的集电极、第一二极管(D1)的负极、第二二极管(D2)的正极相连，所述开关三极管的发射极接地，三极管基极与第四电阻(R4)的一端相连；所述第二二极管(D2)的正极接地，第一二极管(D1)的负极与第五电阻(R5)的一端、第三电容(C3)的一端连接；所述第三电容(C3)的另一端接地，所述第五电阻(R5)的另一端与第四电容(C4)的一端连接，第四电容(C4)另一端接地；
所述高频方波发生回路包括第一NE555芯片(U3)、第六电阻(R5)、第七电阻(R4)、第八电阻(R3)、第九电阻(R2)、第十电阻(R1)、第五电容(C1)、第六电容(C2)、第一稳压管(D1)、第二稳压管(D2)，所述第一NE555芯片(U3)的第一引脚接地，第二引脚与第六引脚相连，第四引脚与电源模块相连，第五引脚与第五电容(C1)的一端连接，所述第五电容(C1)的另一端接地，所述第一NE555芯片(U3)的第六引脚分别与第一稳压管(D1)的负极、第二稳压管(D2)的正极、第六电容(C2)的一端相连，所述第六电容(C2)的另一端接地，第一稳压管(D1)的正极与第七引脚相连，第二稳压管(D2)的负极分别与第六电阻(R5)、第七电阻(R4)的一端连接，第七电阻(R4)的另一端、第六电阻(R5)的另一端均与第一NE555芯片(U3)的第七引脚连接；所述第一NE555芯片(U3)的第七引脚与第八电阻(R3)、第九电阻(R2)、第十电阻(R1)的一端连接，所述第八电阻(R3)、第九电阻(R2)、第十电阻(R1)的另一端均与电源模块连接；
所述第四电阻(R4)的另一端与第一NE555芯片的第三引脚连接。
2.根据权利要求1所述的窄脉冲红外半导体激光发射电路，其特征在于，所述第一电容(C1)为极性电容。
3.根据权利要求1所述的窄脉冲红外半导体激光发射电路，其特征在于，所述脉冲发生电路包括第二NE555芯片(U4)、74HC04反向芯片(U5)、74HC86异或芯片(U6)、第十一电阻(R1)、第十二电阻(R2)、第七电容(C1)和第八电容(C2)，其中，第二NE555芯片(U4)的第一引脚接地，第二引脚和第六引脚均分别与第八电容(C2)以及第十二电阻(R2)的一端连接，第四引脚与电源模块连接，第五引脚与第七电容(C1)的一端连接，第七引脚与第十一电阻(R1)的一端连接，第七引脚同时与第十二电阻(R2)的另一端连接，第八引脚与电源模块连接，第七电容(C1)和第八电容(C2)的另一端接地，第十一电阻(R1)的另一端与电源模块连接，第二NE555芯片(U4)的第三引脚与74HC04反向芯片(U5)的第十三引脚以及74HC86异或芯片(U6)的第十三引脚连接；74HC04反向芯片(U5)的第十四引脚与电源模块连接，十二引脚与第十一引脚连接，第十引脚与第九引脚连接，第八引脚与第一引脚连接，第二引脚与第三引脚连接，第四引脚与第五引脚连接，第七引脚接地，74HC04反向芯片(U5)的第六引脚与74HC86异或芯片(U6)的第十二引脚连接，所述74HC86异或芯片(U6)的第十四引脚与电源模块连接，第七引脚接地，第十一引脚与激光二极管驱动电路输入端连接。
4.根据权利要求1所述的窄脉冲红外半导体激光发射电路，其特征在于，所述激光二极管驱动电路包括MIC4452驱动芯片、MOS管、激光二极管、第十三电阻(R1)、第十四电阻(R2)、第九电容(C1)、第十电容(C2)、第十一电容(C3)、第十二电容(C4)和第三稳压管(D1)，其中，所述MIC4452驱动芯片的第一引脚与电源模块相连；第二引脚与脉冲发生电路的输出端连接，第四、五引脚接地；第六引脚与第七引脚相连，第七引脚与第十三电阻(R1)的一端连接；所述MIC4452驱动芯片的第八引脚与电源模块相连，第一引脚与第九电容(C1)的正极连接，第九电容(C1)的负极与MIC4452驱动芯片的第四引脚相连，所述MIC4452驱动芯片的第一引脚与第十电容(C2)的正极连接，第十电容(C2)的负极与MIC4452驱动芯片的第五引脚相连，第十三电阻(R1)的另一端与MOS管栅极相连；MOS管源极接地，MOS管漏极与第十一电容(C3)、第十二电容(C4)、第十四电阻(R2)的一端连接，所述第十四电阻(R2)的另一端与Boost升压电路输出端连接；所述第十二电容(C4)的另一端分别与激光二极管的负极和第三稳压管(D1)的负极连接；所述第十一电容(C3)的另一端与激光二极管的负极和第三稳压管(D1)的负极连接；所述激光二极管的正极与第三稳压管(D1)的正极连接，另一端接地。
5.根据权利要求4所述的一种窄脉冲红外半导体激光发射电路，其特征在于，所述激光二极管为SPL PL90_3型脉冲半导体激光器。
6.根据权利要求4所述的一种窄脉冲红外半导体激光发射电路，其特征在于，所述MOS管选用N沟道增强型场效应管IRF644。
7.根据权利要求1所述的一种窄脉冲红外半导体激光发射电路，其特征在于，所述脉冲发生电路输出的脉冲为10ns。
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