半導(dǎo)體激光測(cè)距儀用雙脈沖電路設(shè)計(jì)

周俊生，徐 曉，鄧華秋，鄧云龍

(華南理工大學(xué)物理系，廣東廣州510641)

1 引言

激光測(cè)距技術(shù)開(kāi)始多用于軍事，現(xiàn)已在工業(yè)、航空航天、大地測(cè)量、建筑測(cè)量和機(jī)器人等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。激光測(cè)距機(jī)是指利用射向目標(biāo)的激光脈沖或連續(xù)波激光束測(cè)量目標(biāo)距離的一種距離測(cè)量?jī)x，脈沖半導(dǎo)體激光測(cè)距具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、可靠性高、價(jià)格低等特點(diǎn)［1－3］。針對(duì)于對(duì)距離測(cè)量的精度要求不高的消費(fèi)人群，本文設(shè)計(jì)了適用于便攜的測(cè)距機(jī)使用的大電流雙脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路，利用一種二值化高速數(shù)據(jù)采集方法實(shí)現(xiàn)了測(cè)距功能［4］。

2 單脈沖測(cè)距與雙脈沖測(cè)距比較

光能的傳播按指數(shù)衰減，大氣對(duì)激光測(cè)距的影響使激光傳輸?shù)哪芰克p，接收信號(hào)減弱。遠(yuǎn)距離的光信號(hào)進(jìn)入光探測(cè)器后所轉(zhuǎn)化的電信號(hào)非常微弱，通常被掩蓋在噪聲中。信號(hào)與噪聲在隨時(shí)間變化的規(guī)律上是區(qū)別的，信號(hào)具有周期性，噪聲具有隨機(jī)性［5］。下面通過(guò)分析矩形脈沖信號(hào)頻譜，用以說(shuō)明采用雙脈沖測(cè)距的合理性。

矩形單脈沖如圖1(a)所示，其表示式為:

其中，E為脈沖幅度;τ為脈沖寬度。其連續(xù)時(shí)間Fourier變換為:即:

由圖可見(jiàn)矩形脈沖信號(hào)在時(shí)域集中于有限范圍內(nèi)，然而它的頻譜卻以抽樣函數(shù)的規(guī)律變化，分布在無(wú)限寬的頻率范圍上，但主要能量處于f=0范圍。因而，通常認(rèn)為這種信號(hào)頻帶B近似為1/τ。

圖1 矩形脈沖信號(hào)的波形與頻譜Fig.1 wave and spectrum of rectangular pulse

由于單脈沖頻帶過(guò)寬，用數(shù)字濾波器不易過(guò)濾大部分噪聲，濾波效果不好。圖2是通過(guò)Matlab對(duì)三種脈沖模擬計(jì)算結(jié)果。由于Fourier變換具有時(shí)移特性和顯示尺度變換特性，因而，對(duì)圖2(2－1)的雙矩形脈沖，同樣假設(shè)脈沖幅度為E，寬度為τ，兩個(gè)脈沖之間相距時(shí)間也為τ，不難得出其Fourier變換為:

圖2 幾種矩形脈沖信號(hào)波形和頻譜Fig.2 wave and spectrum of several rectangular pulse

可見(jiàn)幅度譜幅度更高，中心波長(zhǎng)部分帶寬更窄，濾波器濾波效果更好，如圖2(3－2)實(shí)線。如果脈沖再增加，中心波長(zhǎng)帶寬會(huì)更窄，最后收縮為單頻譜線。由于增加一個(gè)脈沖必然要增加一套高壓驅(qū)動(dòng)電路，考慮到電路的復(fù)雜度和成本，選用雙脈沖形式。

設(shè)雙脈沖間距為T(mén)，脈沖寬度為τ，把T定為τ、3 τ、5 τ，通過(guò)Matlab模擬得到幅度譜如圖3所示。由圖可見(jiàn)脈沖間距拉寬則中心波長(zhǎng)帶寬也變窄，這也有利于濾波。根據(jù)實(shí)際情況需要，選擇了τ=50 ns的脈沖寬度，10τ左右的脈沖間距，100 Hz的雙脈沖重復(fù)周期，脈沖中心頻率為10 MHz，以利于數(shù)據(jù)采樣和數(shù)字化處理。

可見(jiàn)其幅度譜為2倍單脈沖幅度譜和cosωτ的乘積，圖形見(jiàn)圖2(2－2)實(shí)線，其中心波長(zhǎng)部分帶寬比單脈沖窄，而幅度高一倍，這對(duì)數(shù)字濾波器濾波效果有明顯提升。

對(duì)圖2(3－1)三脈沖波形，同樣可以得出Fourier變換為:

圖3 不同時(shí)間間隔的雙矩形脈沖波形與頻譜Fig.3 wave and spectrum of different interval of dual－ pulse

3 電路實(shí)現(xiàn)方案

3.1 測(cè)距電路框圖

測(cè)試系統(tǒng)選擇半導(dǎo)體激光器和光電接收組件，采用 CMOS功率管［6］作為激光脈沖電流驅(qū)動(dòng)器，MCU使用ARM Cortex系列低功耗的嵌入式單片機(jī)STM32F051C8T6作為主控制電路，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、輸出顯示和發(fā)送各種控制指令。用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)發(fā)送和回波數(shù)據(jù)采集以及測(cè)量通道切換，并在軟硬件上采用文獻(xiàn)［4］提出的二值化高速數(shù)據(jù)采集和處理方法。電路原理框圖如圖4所示。

圖4 雙脈沖測(cè)距機(jī)電路框圖Fig.4 Schematic diagram of circuit of dual－ pulsed rangefinder

3.2 雙脈沖大電流激光二極管驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)要求而設(shè)計(jì)的激光器雙脈沖驅(qū)動(dòng)電路圖如圖5所示，圖中MAX773為升壓芯片，通過(guò)對(duì)電阻R17、R18的選擇可得到130 V高壓輸出。由于MAX 773調(diào)制脈沖頻率達(dá)300 kHz，濾波電容C 12選擇耐壓200 V、容量為1 μF即可。CD 4504屬于數(shù)字電平轉(zhuǎn)換芯片，用以提高觸發(fā)電平，開(kāi)關(guān)功率管采用大電流CMOS管。

圖5 雙脈沖大電流半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 High － peak dual－ pulsed driving circuit of LD

激光發(fā)射電路工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下:

電容C12的高壓通過(guò)磁珠(CZ2)接到激光器脈沖驅(qū)動(dòng)電路前級(jí)上并通過(guò)電阻R9、R10分別對(duì)電容C5、C6進(jìn)行充電，使電容兩端達(dá)130 V電壓。兩個(gè)觸發(fā)脈沖重復(fù)頻率都為100 Hz，它們起始時(shí)間相差500 ns。觸發(fā)脈沖1到來(lái)時(shí)，通過(guò)CD4504轉(zhuǎn)換為高電平，使Q1導(dǎo)通，Q2導(dǎo)通，電容C5上電能通過(guò)Q2、D1、R12、LD放電，LD得到瞬間大電流脈沖。觸發(fā)脈沖過(guò)后Q1、Q2馬上截止，LD截止，C5重新充電。當(dāng)觸發(fā)脈沖2到來(lái)時(shí)，原理如上述。這樣LD就獲得類(lèi)似于圖6所示的大電流雙脈沖。

圖6是串聯(lián)在LD上的取樣電阻R12取值為1 Ω時(shí)的電壓波形，可換算為L(zhǎng)D脈沖電流，脈沖寬度為50 ns左右，電流瞬間峰值接近33 A，兩個(gè)電流脈沖形狀、幅度、寬度基本上保持一致。通過(guò)改變激光高壓和取樣電阻阻值，可以獲得不同幅度和寬度的驅(qū)動(dòng)電流。

圖6 雙脈沖大電流波形圖Fig.6 Wave of high － peak dual－ pulsed current

3.3 激光回波信號(hào)分析

激光回波信號(hào)經(jīng)放大后采集得到數(shù)據(jù)序列。數(shù)據(jù)序列經(jīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處理后通過(guò)Matlab作圖，得到如圖7所示的波形。圖7中1為強(qiáng)干擾，它是由于激光脈沖電流的尾部振蕩引起的，屬周期性系統(tǒng)干擾，2為有效信號(hào)波形(雙脈沖)。采樣序列經(jīng)過(guò)帶通濾波后波形，得到的波形已經(jīng)比較清晰，但是有效信號(hào)前面的干擾尖峰依然存在。再把序列經(jīng)過(guò)差分后，強(qiáng)干擾峰已被削弱，信號(hào)明顯比其他干擾信號(hào)高很多。圖8是相關(guān)運(yùn)算后得到得序列波形，通過(guò)計(jì)算出尖峰點(diǎn)的數(shù)值位置，通過(guò)軟件直接換算就得到距離測(cè)量值。

圖7 采樣數(shù)據(jù)變換結(jié)果波形圖Fig.7 Wave of sampling sequence transform

圖8 采樣數(shù)據(jù)相關(guān)運(yùn)算結(jié)果波形圖Fig.8 Wave of sampling sequence processing

4 樣機(jī)與測(cè)試結(jié)果分析

4.1測(cè)距樣機(jī)介紹

應(yīng)用雙脈沖驅(qū)動(dòng)電路制作的機(jī)器整體為一臺(tái)測(cè)距功能原型機(jī)。該機(jī)前面有大小兩個(gè)鏡頭，小鏡頭是發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)鏡頭，半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)壓縮、準(zhǔn)直后經(jīng)此鏡頭照射到測(cè)量目標(biāo)。目標(biāo)反射光直接由大鏡頭進(jìn)入，在機(jī)器內(nèi)部利用光學(xué)系統(tǒng)把接收光分為兩路，一路到目鏡，另一路入射接收器。

機(jī)器側(cè)面是LCD屏和測(cè)量按鈕，為了測(cè)試方便，在顯示距離的同時(shí)還顯示了數(shù)據(jù)的相關(guān)度(即信號(hào)強(qiáng)度，大于設(shè)定統(tǒng)計(jì)閾值表示接收到目標(biāo)回波，距離數(shù)據(jù)有效;否則距離數(shù)據(jù)無(wú)效，以“NA”代替)，以此來(lái)判斷激光是否照射到被測(cè)目標(biāo)上。

4.2 測(cè)距數(shù)據(jù)及分析

4.2.1 近距離目標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)

近距離測(cè)量采用粗糙的白板為待測(cè)目標(biāo)，在天氣晴朗，能見(jiàn)度好的情況下進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)改變白板的位置，在每個(gè)位置連續(xù)測(cè)量10組數(shù)據(jù)，最后得到測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，對(duì)近距離目標(biāo)測(cè)量(400 m以內(nèi))，基本上能達(dá)到100%的命中率，且所測(cè)數(shù)據(jù)一致性好。

表1 近距離的目標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)(單位:m)Tab.1 Measuring data to close distance

4.2.2 中遠(yuǎn)距離目標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)

表2是對(duì)遠(yuǎn)處不同目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量的數(shù)據(jù)。目標(biāo)1測(cè)量值的平均值為669.5 m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.17 m?？梢?jiàn)信號(hào)強(qiáng)度非常好，前后測(cè)量值偏差不大，測(cè)量精度非常高。而800～1100 m距離的目標(biāo)(目標(biāo)2、3)范圍內(nèi)，雖然信號(hào)強(qiáng)度有所下降，但機(jī)器一直能夠在保持一致性的情況下測(cè)量出距離數(shù)值，而且精度還保持很高。

為了對(duì)該機(jī)器的測(cè)距能力做進(jìn)一步評(píng)價(jià)，對(duì)更遠(yuǎn)的距離進(jìn)行測(cè)量。在晴朗的天氣、能見(jiàn)度特別好的情況下對(duì)三個(gè)更遠(yuǎn)的目標(biāo)(目標(biāo)4－6)進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)如表2所示。可見(jiàn)，在天氣極好，能見(jiàn)度特高的情況下最大測(cè)距距離可到1750 m(命中率30%左右)。

表2 中遠(yuǎn)距離目標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)(單位:m)Tab.2 Measuring data to far distance

5 結(jié)論

測(cè)量結(jié)果顯示，在無(wú)合作目標(biāo)的情況下，整機(jī)系統(tǒng)達(dá)到測(cè)量范圍1.1 km，測(cè)量精度±3.75 m的要求。在天氣極好，能見(jiàn)度特高的情況下最大測(cè)距距離可到1750 m。這說(shuō)明采用雙脈沖大電流驅(qū)動(dòng)測(cè)距方案，具有功耗低、目標(biāo)測(cè)試穩(wěn)定、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、測(cè)量距離遠(yuǎn)、命中率高等特點(diǎn)，具有實(shí)際使用價(jià)值。

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