激光測距機的設(shè)計

劉鑫　鄭明杰

摘 要：該文主要介紹激光測距機的系統(tǒng)控制單元，系統(tǒng)發(fā)射單元設(shè)計，發(fā)射單元原理，系統(tǒng)接收單元原理等設(shè)計。

關(guān)鍵詞：激光測距機 原理 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TN249 文獻標識碼： A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0066-01

1 總體介紹

首先，系統(tǒng)初始化，當將焦距調(diào)節(jié)到待測目標后，由系統(tǒng)的處理器發(fā)出控制信號到觸發(fā)電路，發(fā)出激光脈沖，同時計數(shù)單元開始計數(shù)，同時開中斷，等待返回的激光脈沖信號。當接收到信號后，關(guān)中斷，同時將計數(shù)單元的數(shù)據(jù)傳送給處理器進行處理，并將結(jié)果顯示出來。

2 系統(tǒng)控制單元

為了提高系統(tǒng)的測量精度，就需要系統(tǒng)能夠進行高速測量和數(shù)據(jù)采集，在本系統(tǒng)中，我們選擇的是ARM7TDM1的ADUC7026ARM7控制板。其上集成有16/32位MCU和一個多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及Flash/EE。芯片上有自鎖相環(huán)和帶振蕩器，能夠產(chǎn)生 MHZ的時鐘。并且處理器還可以通過編程的方法得到想要的工作頻率。片上的MCU型號為ARM7TDMI，處理速度能夠達到 MIPS，片上自帶 KB的Flash存儲器和 KB的SRAM。

3 系統(tǒng)發(fā)射單元設(shè)計

3.1 發(fā)射單元原理

系統(tǒng)的發(fā)射單元主要是由驅(qū)動電路和激光發(fā)射機組成。當系統(tǒng)發(fā)出發(fā)射指令后，經(jīng)由驅(qū)動電路驅(qū)動激光發(fā)射器，向目標發(fā)射激光。其中，主要設(shè)計部分是驅(qū)動電路部分。在驅(qū)動電路部分，要求電源能夠在低負載上產(chǎn)生瞬時電流脈沖，以便于控制激光二極管的發(fā)射功率。同時，又要求其能夠產(chǎn)生幅度足夠大的脈沖電壓。在滿足以上兩點的基礎(chǔ)上要加設(shè)一個對激光二極管的過流與最大反沖電壓的保護部分。故發(fā)射單元的驅(qū)動部分主要包括電源、時基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。

3.2 系統(tǒng)的脈寬整形調(diào)節(jié)單元

由激光二極管的的特性可知，激光二極管的發(fā)射功率與電流的大小和工作溫度有關(guān)。若想使得激光器發(fā)射恒定功率的激光，就需要對溫度與電流的大小進行控制。這就需要在系統(tǒng)中設(shè)計溫度補償電路與電流反饋電路。這不僅增加了成本，而且使得電路復(fù)雜。我們選擇脈沖電流觸發(fā)的方法，成功的避免了上述的問題，同時能夠滿足系統(tǒng)精度的要求。

3.3 系統(tǒng)的驅(qū)動電路單元

系統(tǒng)的驅(qū)動電路包括電源單元、時基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。我所選擇的半導(dǎo)體激光器是PGEW1S09。

當窄脈沖產(chǎn)生后，由于其電流和功率較小，需要經(jīng)過功率放大電路來對其放大，從而能夠驅(qū)動激光器發(fā)射激光。為了提高系統(tǒng)可靠性，應(yīng)選用集成電路來作為驅(qū)動部分。我所選擇的驅(qū)動器是由MICREL公司生產(chǎn)的型號為MIC4452的一款高效率的驅(qū)動芯片。

4 系統(tǒng)接收單元設(shè)計

4.1 系統(tǒng)接收單元原理

接收單元模塊主要由光電轉(zhuǎn)換器、前置放大器電路、主放大器電路和電壓比較電路等組成。其中光電轉(zhuǎn)換器的作用就是將已經(jīng)接收到的脈沖信號轉(zhuǎn)換為電信號，并且對檢測信號進行處理的裝置。由于發(fā)射單元發(fā)射的激光脈沖信號在發(fā)射源與待測物間來回往返的進程中，由于空氣折射率的變化、其他噪聲信號的干擾，就會嚴重影響信號的強度，使其變得很微小，所以為了保證測距精度的要求，就需前置放大器對其進行放大。另外對于所測距離的遠近和反射回來的激光信號的強弱的關(guān)系，還需考慮將發(fā)射器的發(fā)射信號控制在一定幅度范圍內(nèi)，從而擴展了測量范圍的大小，進而減少了誤差，提高了精度。

4.2 光電探測器件選擇

準確及時的接收到反射回來的脈沖信號，是測距系統(tǒng)性能精確的重要保障，但是我們知道反射回來的脈沖信號比較微弱，而環(huán)境中又存在這各種噪聲，這些噪聲干擾對反射脈沖信號的接收能力提出了很高的要求，在我們器件選擇上就需要有所體現(xiàn)。而對于光電二極管的選擇，我們對其的要求就是其對發(fā)射單元發(fā)射出的光源波長范圍內(nèi)的具有較高的響應(yīng)度，而且具有充足的帶寬來處理所接收到的數(shù)據(jù)。

PIN型光電二極管和雪崩光電二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)光電二極管為基礎(chǔ)發(fā)展的。半導(dǎo)體PN結(jié)主要由P型和N型半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)構(gòu)成，其具有體積小、重量輕、靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點。

雪崩（APD）光電二極管和PIN型二極管都是光電轉(zhuǎn)換器件，二者都可以在特定的工作場合完成光電任務(wù)。然后二者又有很大的區(qū)別，PIN型光電二極管每吸收一個光子，它最多產(chǎn)生一個“電子-空穴”，所以它自身沒有增益。而崩光電二極管在入射光照射下一個光子產(chǎn)生的那一對電子-空穴在外加電場的作用下加速及碰撞過程中會產(chǎn)生多對電子-空穴，其自身帶有增益。APD轉(zhuǎn)換器與PIN轉(zhuǎn)換器相比較，具有載流子倍增效應(yīng)、探測靈敏度高的優(yōu)點，而且其更適合用于遠程測距，在本系統(tǒng)中即為遠距測距，所以我們在此選用APD光電二極管作為探測器。

4.3 前置放大器

前置放大器的選擇，我們主要考慮其噪聲影響和帶寬指標，而低噪聲與高帶寬的前置放大器選擇是我們所必須兼顧的。從前面的雪崩光電二極管轉(zhuǎn)換過來的電信號經(jīng)此放大器放大后，從而轉(zhuǎn)換為我們需要的信號，也就是下一級所需要的信號，容易精確測量的信號。

通常為了減小前置放大器發(fā)噪聲，往往會采用增加輸入電阻的方式。然而較大的輸入阻抗會限制帶寬，這樣就需要對高阻抗放大器的頻率進行補償。然而帶有時間游動補償和外殼恒溫控制點雪崩光電二極管，不會受到波信號的變化而引起的測距偏差的問題，使其具有了更大動態(tài)范圍的應(yīng)用效果。

參考文獻

[1] 彭孝祥，張興敢.一種改進的脈沖式激光測距儀的設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2008（6）.

[2] 曹海源.基于ARM7的激光測距機電路檢測儀的設(shè)計[J].微計算機信息，2007（26）.endprint

摘 要：該文主要介紹激光測距機的系統(tǒng)控制單元，系統(tǒng)發(fā)射單元設(shè)計，發(fā)射單元原理，系統(tǒng)接收單元原理等設(shè)計。

關(guān)鍵詞：激光測距機 原理 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TN249 文獻標識碼： A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0066-01

1 總體介紹

首先，系統(tǒng)初始化，當將焦距調(diào)節(jié)到待測目標后，由系統(tǒng)的處理器發(fā)出控制信號到觸發(fā)電路，發(fā)出激光脈沖，同時計數(shù)單元開始計數(shù)，同時開中斷，等待返回的激光脈沖信號。當接收到信號后，關(guān)中斷，同時將計數(shù)單元的數(shù)據(jù)傳送給處理器進行處理，并將結(jié)果顯示出來。

2 系統(tǒng)控制單元

為了提高系統(tǒng)的測量精度，就需要系統(tǒng)能夠進行高速測量和數(shù)據(jù)采集，在本系統(tǒng)中，我們選擇的是ARM7TDM1的ADUC7026ARM7控制板。其上集成有16/32位MCU和一個多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及Flash/EE。芯片上有自鎖相環(huán)和帶振蕩器，能夠產(chǎn)生 MHZ的時鐘。并且處理器還可以通過編程的方法得到想要的工作頻率。片上的MCU型號為ARM7TDMI，處理速度能夠達到 MIPS，片上自帶 KB的Flash存儲器和 KB的SRAM。

3 系統(tǒng)發(fā)射單元設(shè)計

3.1 發(fā)射單元原理

系統(tǒng)的發(fā)射單元主要是由驅(qū)動電路和激光發(fā)射機組成。當系統(tǒng)發(fā)出發(fā)射指令后，經(jīng)由驅(qū)動電路驅(qū)動激光發(fā)射器，向目標發(fā)射激光。其中，主要設(shè)計部分是驅(qū)動電路部分。在驅(qū)動電路部分，要求電源能夠在低負載上產(chǎn)生瞬時電流脈沖，以便于控制激光二極管的發(fā)射功率。同時，又要求其能夠產(chǎn)生幅度足夠大的脈沖電壓。在滿足以上兩點的基礎(chǔ)上要加設(shè)一個對激光二極管的過流與最大反沖電壓的保護部分。故發(fā)射單元的驅(qū)動部分主要包括電源、時基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。

3.2 系統(tǒng)的脈寬整形調(diào)節(jié)單元

由激光二極管的的特性可知，激光二極管的發(fā)射功率與電流的大小和工作溫度有關(guān)。若想使得激光器發(fā)射恒定功率的激光，就需要對溫度與電流的大小進行控制。這就需要在系統(tǒng)中設(shè)計溫度補償電路與電流反饋電路。這不僅增加了成本，而且使得電路復(fù)雜。我們選擇脈沖電流觸發(fā)的方法，成功的避免了上述的問題，同時能夠滿足系統(tǒng)精度的要求。

3.3 系統(tǒng)的驅(qū)動電路單元

系統(tǒng)的驅(qū)動電路包括電源單元、時基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。我所選擇的半導(dǎo)體激光器是PGEW1S09。

當窄脈沖產(chǎn)生后，由于其電流和功率較小，需要經(jīng)過功率放大電路來對其放大，從而能夠驅(qū)動激光器發(fā)射激光。為了提高系統(tǒng)可靠性，應(yīng)選用集成電路來作為驅(qū)動部分。我所選擇的驅(qū)動器是由MICREL公司生產(chǎn)的型號為MIC4452的一款高效率的驅(qū)動芯片。

4 系統(tǒng)接收單元設(shè)計

4.1 系統(tǒng)接收單元原理

接收單元模塊主要由光電轉(zhuǎn)換器、前置放大器電路、主放大器電路和電壓比較電路等組成。其中光電轉(zhuǎn)換器的作用就是將已經(jīng)接收到的脈沖信號轉(zhuǎn)換為電信號，并且對檢測信號進行處理的裝置。由于發(fā)射單元發(fā)射的激光脈沖信號在發(fā)射源與待測物間來回往返的進程中，由于空氣折射率的變化、其他噪聲信號的干擾，就會嚴重影響信號的強度，使其變得很微小，所以為了保證測距精度的要求，就需前置放大器對其進行放大。另外對于所測距離的遠近和反射回來的激光信號的強弱的關(guān)系，還需考慮將發(fā)射器的發(fā)射信號控制在一定幅度范圍內(nèi)，從而擴展了測量范圍的大小，進而減少了誤差，提高了精度。

4.2 光電探測器件選擇

準確及時的接收到反射回來的脈沖信號，是測距系統(tǒng)性能精確的重要保障，但是我們知道反射回來的脈沖信號比較微弱，而環(huán)境中又存在這各種噪聲，這些噪聲干擾對反射脈沖信號的接收能力提出了很高的要求，在我們器件選擇上就需要有所體現(xiàn)。而對于光電二極管的選擇，我們對其的要求就是其對發(fā)射單元發(fā)射出的光源波長范圍內(nèi)的具有較高的響應(yīng)度，而且具有充足的帶寬來處理所接收到的數(shù)據(jù)。

PIN型光電二極管和雪崩光電二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)光電二極管為基礎(chǔ)發(fā)展的。半導(dǎo)體PN結(jié)主要由P型和N型半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)構(gòu)成，其具有體積小、重量輕、靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點。

雪崩（APD）光電二極管和PIN型二極管都是光電轉(zhuǎn)換器件，二者都可以在特定的工作場合完成光電任務(wù)。然后二者又有很大的區(qū)別，PIN型光電二極管每吸收一個光子，它最多產(chǎn)生一個“電子-空穴”，所以它自身沒有增益。而崩光電二極管在入射光照射下一個光子產(chǎn)生的那一對電子-空穴在外加電場的作用下加速及碰撞過程中會產(chǎn)生多對電子-空穴，其自身帶有增益。APD轉(zhuǎn)換器與PIN轉(zhuǎn)換器相比較，具有載流子倍增效應(yīng)、探測靈敏度高的優(yōu)點，而且其更適合用于遠程測距，在本系統(tǒng)中即為遠距測距，所以我們在此選用APD光電二極管作為探測器。

4.3 前置放大器

前置放大器的選擇，我們主要考慮其噪聲影響和帶寬指標，而低噪聲與高帶寬的前置放大器選擇是我們所必須兼顧的。從前面的雪崩光電二極管轉(zhuǎn)換過來的電信號經(jīng)此放大器放大后，從而轉(zhuǎn)換為我們需要的信號，也就是下一級所需要的信號，容易精確測量的信號。

通常為了減小前置放大器發(fā)噪聲，往往會采用增加輸入電阻的方式。然而較大的輸入阻抗會限制帶寬，這樣就需要對高阻抗放大器的頻率進行補償。然而帶有時間游動補償和外殼恒溫控制點雪崩光電二極管，不會受到波信號的變化而引起的測距偏差的問題，使其具有了更大動態(tài)范圍的應(yīng)用效果。

參考文獻

[1] 彭孝祥，張興敢.一種改進的脈沖式激光測距儀的設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2008（6）.

[2] 曹海源.基于ARM7的激光測距機電路檢測儀的設(shè)計[J].微計算機信息，2007（26）.endprint

摘 要：該文主要介紹激光測距機的系統(tǒng)控制單元，系統(tǒng)發(fā)射單元設(shè)計，發(fā)射單元原理，系統(tǒng)接收單元原理等設(shè)計。

關(guān)鍵詞：激光測距機 原理 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TN249 文獻標識碼： A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0066-01

1 總體介紹

首先，系統(tǒng)初始化，當將焦距調(diào)節(jié)到待測目標后，由系統(tǒng)的處理器發(fā)出控制信號到觸發(fā)電路，發(fā)出激光脈沖，同時計數(shù)單元開始計數(shù)，同時開中斷，等待返回的激光脈沖信號。當接收到信號后，關(guān)中斷，同時將計數(shù)單元的數(shù)據(jù)傳送給處理器進行處理，并將結(jié)果顯示出來。

2 系統(tǒng)控制單元

為了提高系統(tǒng)的測量精度，就需要系統(tǒng)能夠進行高速測量和數(shù)據(jù)采集，在本系統(tǒng)中，我們選擇的是ARM7TDM1的ADUC7026ARM7控制板。其上集成有16/32位MCU和一個多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及Flash/EE。芯片上有自鎖相環(huán)和帶振蕩器，能夠產(chǎn)生 MHZ的時鐘。并且處理器還可以通過編程的方法得到想要的工作頻率。片上的MCU型號為ARM7TDMI，處理速度能夠達到 MIPS，片上自帶 KB的Flash存儲器和 KB的SRAM。

3 系統(tǒng)發(fā)射單元設(shè)計

3.1 發(fā)射單元原理

系統(tǒng)的發(fā)射單元主要是由驅(qū)動電路和激光發(fā)射機組成。當系統(tǒng)發(fā)出發(fā)射指令后，經(jīng)由驅(qū)動電路驅(qū)動激光發(fā)射器，向目標發(fā)射激光。其中，主要設(shè)計部分是驅(qū)動電路部分。在驅(qū)動電路部分，要求電源能夠在低負載上產(chǎn)生瞬時電流脈沖，以便于控制激光二極管的發(fā)射功率。同時，又要求其能夠產(chǎn)生幅度足夠大的脈沖電壓。在滿足以上兩點的基礎(chǔ)上要加設(shè)一個對激光二極管的過流與最大反沖電壓的保護部分。故發(fā)射單元的驅(qū)動部分主要包括電源、時基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。

3.2 系統(tǒng)的脈寬整形調(diào)節(jié)單元

由激光二極管的的特性可知，激光二極管的發(fā)射功率與電流的大小和工作溫度有關(guān)。若想使得激光器發(fā)射恒定功率的激光，就需要對溫度與電流的大小進行控制。這就需要在系統(tǒng)中設(shè)計溫度補償電路與電流反饋電路。這不僅增加了成本，而且使得電路復(fù)雜。我們選擇脈沖電流觸發(fā)的方法，成功的避免了上述的問題，同時能夠滿足系統(tǒng)精度的要求。

3.3 系統(tǒng)的驅(qū)動電路單元

系統(tǒng)的驅(qū)動電路包括電源單元、時基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。我所選擇的半導(dǎo)體激光器是PGEW1S09。

當窄脈沖產(chǎn)生后，由于其電流和功率較小，需要經(jīng)過功率放大電路來對其放大，從而能夠驅(qū)動激光器發(fā)射激光。為了提高系統(tǒng)可靠性，應(yīng)選用集成電路來作為驅(qū)動部分。我所選擇的驅(qū)動器是由MICREL公司生產(chǎn)的型號為MIC4452的一款高效率的驅(qū)動芯片。

4 系統(tǒng)接收單元設(shè)計

4.1 系統(tǒng)接收單元原理

接收單元模塊主要由光電轉(zhuǎn)換器、前置放大器電路、主放大器電路和電壓比較電路等組成。其中光電轉(zhuǎn)換器的作用就是將已經(jīng)接收到的脈沖信號轉(zhuǎn)換為電信號，并且對檢測信號進行處理的裝置。由于發(fā)射單元發(fā)射的激光脈沖信號在發(fā)射源與待測物間來回往返的進程中，由于空氣折射率的變化、其他噪聲信號的干擾，就會嚴重影響信號的強度，使其變得很微小，所以為了保證測距精度的要求，就需前置放大器對其進行放大。另外對于所測距離的遠近和反射回來的激光信號的強弱的關(guān)系，還需考慮將發(fā)射器的發(fā)射信號控制在一定幅度范圍內(nèi)，從而擴展了測量范圍的大小，進而減少了誤差，提高了精度。

4.2 光電探測器件選擇

準確及時的接收到反射回來的脈沖信號，是測距系統(tǒng)性能精確的重要保障，但是我們知道反射回來的脈沖信號比較微弱，而環(huán)境中又存在這各種噪聲，這些噪聲干擾對反射脈沖信號的接收能力提出了很高的要求，在我們器件選擇上就需要有所體現(xiàn)。而對于光電二極管的選擇，我們對其的要求就是其對發(fā)射單元發(fā)射出的光源波長范圍內(nèi)的具有較高的響應(yīng)度，而且具有充足的帶寬來處理所接收到的數(shù)據(jù)。

PIN型光電二極管和雪崩光電二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)光電二極管為基礎(chǔ)發(fā)展的。半導(dǎo)體PN結(jié)主要由P型和N型半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)構(gòu)成，其具有體積小、重量輕、靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點。

雪崩（APD）光電二極管和PIN型二極管都是光電轉(zhuǎn)換器件，二者都可以在特定的工作場合完成光電任務(wù)。然后二者又有很大的區(qū)別，PIN型光電二極管每吸收一個光子，它最多產(chǎn)生一個“電子-空穴”，所以它自身沒有增益。而崩光電二極管在入射光照射下一個光子產(chǎn)生的那一對電子-空穴在外加電場的作用下加速及碰撞過程中會產(chǎn)生多對電子-空穴，其自身帶有增益。APD轉(zhuǎn)換器與PIN轉(zhuǎn)換器相比較，具有載流子倍增效應(yīng)、探測靈敏度高的優(yōu)點，而且其更適合用于遠程測距，在本系統(tǒng)中即為遠距測距，所以我們在此選用APD光電二極管作為探測器。

4.3 前置放大器

前置放大器的選擇，我們主要考慮其噪聲影響和帶寬指標，而低噪聲與高帶寬的前置放大器選擇是我們所必須兼顧的。從前面的雪崩光電二極管轉(zhuǎn)換過來的電信號經(jīng)此放大器放大后，從而轉(zhuǎn)換為我們需要的信號，也就是下一級所需要的信號，容易精確測量的信號。

通常為了減小前置放大器發(fā)噪聲，往往會采用增加輸入電阻的方式。然而較大的輸入阻抗會限制帶寬，這樣就需要對高阻抗放大器的頻率進行補償。然而帶有時間游動補償和外殼恒溫控制點雪崩光電二極管，不會受到波信號的變化而引起的測距偏差的問題，使其具有了更大動態(tài)范圍的應(yīng)用效果。

參考文獻

[1] 彭孝祥，張興敢.一種改進的脈沖式激光測距儀的設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2008（6）.

[2] 曹海源.基于ARM7的激光測距機電路檢測儀的設(shè)計[J].微計算機信息，2007（26）.endprint