利用回波模擬對激光測距精度檢驗系統(tǒng)的設(shè)計

王家寧,衣文索,牛衛(wèi)叢,張葉浩

0 引 言

由于激光的高方向性、單色性和相干性等特性,激光技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域。國外對激光的研究可追溯到20世紀70年代,由于當(dāng)時人們對激光技術(shù)的狂熱,所以各種激光應(yīng)用技術(shù)接踵而來,例如全息照相、激光通信、激光治療和激光測距[1,2]等,美國的貝爾實驗室和西部電子公司在90年代初利用激光進行激光通信實驗,并鋪設(shè)18根總長10.9 km光纖,傳輸速率可達44.2 Mbit/s。國內(nèi)近年在激光領(lǐng)域的研究發(fā)展也較為迅猛,特別是軍事方面的應(yīng)用。由于現(xiàn)今世界各國的軍事力量都在向信息化和智能化方面發(fā)展,利用傳統(tǒng)手段想精確打擊或探測敵方目標非常困難,所以就要用到激光測距的方法。因激光傳播速率快,在空氣中損耗較小,所以與傳統(tǒng)測距方法相比,激光測距的測量距離更遠、精度更高。但激光在空氣中傳播還是會受外部條件的影響,例如空氣能見度、目標物的反射率和大氣氣壓等都會對測量的結(jié)果造成影響從而產(chǎn)生誤差,降低激光測距的精度。回波模擬技術(shù)[3-5]是通過對激光到目標物之間固定距離的回波信號進行模擬。由于回波模擬器利用FPGA(Field-Programmable Gate Array)的精確延時[6],相對激光測距機更加穩(wěn)定可靠,可用其對激光測距機測量精度進行檢驗校正。筆者設(shè)計了一種利用回波模擬對激光測距精度檢驗系統(tǒng)。

1 激光測距精度檢驗系統(tǒng)

激光測距技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的兩種方法是相位測距法和脈沖測距法。相位激光測距是通過測量發(fā)射端激光和回波信號之間的相位差,計算測量點與目標物的距離,但測量距離較短,相位測距法需發(fā)送連續(xù)信號對激光進行調(diào)制發(fā)射并進行測量。脈沖測距方法是發(fā)射一束窄脈寬脈沖信號的激光,通過激光到目標物回波的時間計算距離,脈沖激光測距法每發(fā)出一束脈沖激光就可完成一次測量。與相位測距法相比,脈沖測距更簡便,由于窄脈寬脈沖激光在空氣中損耗小,傳播距離更遠,所以可測量的范圍也更大。

由于激光在空氣中傳播會受外界因素的影響,空氣中各種微粒都會對光進行吸收、折射或反射,當(dāng)光通過微粒時會產(chǎn)生衰減,空氣中微粒越多激光傳播過程中衰減越大,所以空氣的能見度對測量結(jié)果會產(chǎn)生影響,同時溫度、大氣壓和目標物的反射率等都會對最后的測量結(jié)果造成影響。為對實際測量的結(jié)果進行檢驗和校正,設(shè)計了一款回波模擬系統(tǒng),利用FPGA精確延時模擬激光測距中的回波信號以檢驗實際測量的結(jié)果,測量原理如圖1所示。

由圖2可以看出,回波模擬系統(tǒng)主要由3部分組成:探測接收、FPGA處理及外部功能拓展部分和回波激光的發(fā)送。在進行激光測距的同時向回波模擬系統(tǒng)發(fā)出一束窄脈沖激光,激光通過PIN(Positive Input Negative)進行光電轉(zhuǎn)換后發(fā)送到FPGA,FPGA通過倍頻進行精確延時,當(dāng)延時結(jié)束后即向光驅(qū)動電路發(fā)送信號,光驅(qū)動電路驅(qū)動激光器向激光測距系統(tǒng)發(fā)送一束激光模擬回波信號,然后進行計算得出結(jié)果。

圖1 脈沖測距法原理圖Fig.1 Schematic diagram of pulse ranging method

圖2 回波模擬系統(tǒng)Fig.2 Echo simulation system

2 FPGA高精延時及外部拓展

脈沖激光測距通過激光到目標物往返的時間和激光的速度測量距離

其中c1為光在空氣中傳播的速率,t為發(fā)射點到目標物往返時間?；夭M系統(tǒng)是通過FPGA進行精確延時以模擬實際測量時激光到目標物往返時間,所以測量時間的精度是影響整個系統(tǒng)精度的關(guān)鍵因素。筆者使用的Cyclone系列芯片系統(tǒng)時鐘為50 MHz,不能滿足高精度延時的需求。FPGA內(nèi)置的PLL(Phase Locked Loop)鎖相環(huán)[7]具有相移、分頻、倍頻、消除時鐘延時和減小時鐘偏斜等特性,所以使用PLL鎖相環(huán)對時鐘進行倍頻處理。該系統(tǒng)對時鐘15倍頻操作,得到倍頻之后750 MHz的頻率作為回波模擬系統(tǒng)的延時時鐘,由f=1/T可得出最小延遲時間t約為1.33×10-9s,所以,系統(tǒng)精度距離d=c2t/2,其中c2為光在真空中傳播的速率,得出回波模擬系統(tǒng)的測量精度為0.199 5 m。倍頻750 Mbit仿真如圖3所示。

圖3 倍頻750 Mbit仿真圖Fig.3 750 Mbit simulation

由圖3可見,周期為1.33 ns,換算為頻率得750 MHz,符合倍頻要求。為可實時監(jiān)測外部實驗環(huán)境以及直觀的查看實驗數(shù)據(jù),在FPGA部分分別集成了DS18B20測溫模塊、ZLG7289顯示模塊和SP3232的串口通信模塊(見圖4)。

3 回波激光發(fā)射部分

激光驅(qū)動[8-10]主要由開關(guān)控制電路和電源驅(qū)動[11,12]電路構(gòu)成。開關(guān)控制電路控制器件的導(dǎo)通和關(guān)斷以產(chǎn)生脈沖信號對激光器調(diào)制產(chǎn)生脈沖激光,所以開關(guān)器件的開關(guān)速度是決定脈沖寬度的主要依據(jù)。而且隨激光產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,激光驅(qū)動電路也有巨大的發(fā)展,主要朝大功率輸出、更窄的脈沖寬度、更短的上升沿和下降沿發(fā)展。現(xiàn)今市面上使用比較廣泛的有雪崩三極管電路、快速恢復(fù)二極管電路和MOSFET晶體管電路。由于MOSFET管為電壓控制器件,具有開關(guān)速度快、工作電流大[13,14]、輸入阻抗高等優(yōu)點,所以選擇MOSFET管做為開關(guān)器件,驅(qū)動電路等效模型如圖5所示。

S等效為開關(guān)器件MOSFET管[15],C、L和D分別為儲能電容、寄生電感和激光器,當(dāng)開關(guān)S斷開時,輸入的高電壓通過R1對儲能電容進行充電,當(dāng)電容充電到一定時刻,S閉合,在回路中C進行放電產(chǎn)生窄脈沖大電流,半導(dǎo)體激光器發(fā)光。當(dāng)電容C在回路中放電時

圖4 FPGA集成模塊實物圖Fig.4 FPGA integrated module physical diagram

圖5 驅(qū)動電路等效模型SFig.5 Equivalent model of driving circuit S

對兩邊同時微分得

其中A為電流的峰值

δ為阻尼系數(shù)

ω為角頻率

阻尼系數(shù)δ越大,越容易產(chǎn)生窄脈沖。由式(6)可知,L越小阻尼系數(shù)越大,同時由式(5)可知,在高壓輸入的情況下,L越小,電流峰值越大,所以激光器的傳輸效果更好。

4 實驗結(jié)果及分析

系統(tǒng)進行了同一距離和不同距離的多次測量,通過高速示波器進行數(shù)據(jù)采集,分別模擬了150 m和152 m,如圖6和圖7所示。

圖6 150 m距離的多次測量結(jié)果Fig.6 150 meter measurement for the first time,second time and third time

圖7 152 m距離的多次測量結(jié)果Fig.7 152 m measurement for the first time,second time and third time

Δt1和Δt2分別為150 m和152 m模擬的延遲時間平均值,分別為277.17 ns和278.33 ns,所以精度為

代入數(shù)據(jù),得d1=0.174 m,系統(tǒng)理論最小精度d=0.2 m,誤差為ΔX=0.026 m。

實測結(jié)果相對理論值存在誤差可能由下列因素所致:

1)FPGA工作過程中各器件的響應(yīng)時間;

2)系統(tǒng)中各電路工作時的延遲時間;

3)回波模擬系統(tǒng)由于采用不可調(diào)電源,回波模擬的模擬距離變化但光強不變;

4)激光驅(qū)動電路中的高壓模塊會對周圍的原件產(chǎn)生干擾。

5 結(jié) 語

筆者通過回波模擬系統(tǒng)對測距機精度檢驗,主要應(yīng)用FPGA內(nèi)置鎖相環(huán)高倍頻進行的高精度延時和MOSFET管的開關(guān)性搭建的開關(guān)驅(qū)動電路產(chǎn)生窄脈沖以實現(xiàn)回波激光的模擬,進行多次實驗后可得到該系統(tǒng)的空間分辨率大約為0.2 m,誤差大約為0.03 m,測量標準滿足實際需求。

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