礦用脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)研究

邵 斌，郭利強(qiáng)，賀 杰，郎瑞峰，梁鵬昊

(1.中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X礦,山西 河津 043300; 2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司,山西 太原 030006; 3.煤礦采掘裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030006; 4.中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司,天津 300000)

0 引言

隨著煤礦井下開(kāi)采深度的不斷增加，特別是已有部分煤礦進(jìn)入超千米開(kāi)采階段，部分巷道圍巖呈現(xiàn)出明顯的軟巖變形特征，已經(jīng)成為實(shí)際意義上的深井高應(yīng)力軟巖。這使得煤礦井下開(kāi)采具有較高的危險(xiǎn)性[1-2]。礦井采掘深度的增加會(huì)導(dǎo)致頂?shù)装鍓毫χ饾u增加，使圍巖變形現(xiàn)象更加突出。受礦山自重效應(yīng)的影響，圍巖的形變以垂直變形為主[3]。當(dāng)前，煤礦井下大多采用錨固支護(hù)，主要為在兩幫及頂板進(jìn)行錨固。因此，垂直變形又以底鼓為主[4-5]。為了掌握巷道頂?shù)装宓淖冃吻闆r，大多煤礦采用人工測(cè)量的方式。人工方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力且測(cè)量誤差較大。

在煤礦自動(dòng)化、智能化穩(wěn)步推進(jìn)的大背景下，超聲波測(cè)距被應(yīng)用于煤礦井下頂?shù)装逡七M(jìn)量的測(cè)量[6]。雖然超聲波測(cè)距應(yīng)用在井下，擁有不受電磁、煙霧和粉塵等環(huán)境因素干擾的優(yōu)勢(shì)，但其測(cè)量的精度較低，在一定程度上不能夠滿(mǎn)足煤礦井下頂?shù)装逡七M(jìn)量的測(cè)量需求。

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光測(cè)距作為一種新型距離測(cè)量方式被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。與超聲波測(cè)距等其他測(cè)量方法相比，激光測(cè)距具備測(cè)量精度好、距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等多種優(yōu)點(diǎn)[7]。本文利用激光的優(yōu)點(diǎn)，基于飛行時(shí)間測(cè)距法，設(shè)計(jì)了煤礦井下脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備體積小、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足煤礦井下頂?shù)装逡七M(jìn)量的測(cè)量需求。

1 激光測(cè)距系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì)

1.1 激光測(cè)距系統(tǒng)工作原理

激光測(cè)距根據(jù)測(cè)距時(shí)的不同原理，主要分為干涉法、脈沖法、三角法、相位法四種不同方式[8-9]。脈沖法和相位法都通過(guò)測(cè)量激光的飛行時(shí)間實(shí)現(xiàn)測(cè)距。其中，脈沖法的原理是利用激光器對(duì)目標(biāo)發(fā)射一束很窄的光脈沖，通過(guò)計(jì)算這束脈沖到達(dá)目標(biāo)并由目標(biāo)反射回到接收系統(tǒng)的時(shí)間計(jì)算出測(cè)距系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離[10-11]。

(1)

式中：R為脈沖發(fā)射點(diǎn)與待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)之間的距離；c為光在真空中傳播的速度；t為光在脈沖發(fā)射點(diǎn)與目標(biāo)之間傳播一次所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。

脈沖法激光測(cè)距由三部分組成，分別為脈沖激光發(fā)射模塊、脈沖激光接收模塊和信息處理單元。脈沖激光測(cè)距對(duì)系統(tǒng)的要求主要有以下兩點(diǎn)。

①脈沖強(qiáng)度。光脈沖要有足夠的強(qiáng)度，以確保脈沖激光在經(jīng)過(guò)目標(biāo)物反射到達(dá)接收系統(tǒng)時(shí)仍有足夠的能量。

②脈沖寬度。光脈沖的脈沖寬度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于脈沖激光的往返時(shí)間，并且脈沖寬度越小則系統(tǒng)的信噪比越高，系統(tǒng)誤差也越小。

1.2 脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)主要包括三個(gè)單元，分別為控制與數(shù)據(jù)收集處理單元、激光發(fā)射單元和接收光路單元。系統(tǒng)的主要工作流程如下。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，由控制器控制驅(qū)動(dòng)電源，向時(shí)刻鑒別電路發(fā)送一個(gè)觸發(fā)電平作為啟動(dòng)時(shí)刻鑒別電路的開(kāi)始信號(hào)。時(shí)刻鑒別單元開(kāi)始工作計(jì)時(shí)。與此同時(shí)，激光發(fā)射器發(fā)射激光。這束光射向目標(biāo)，得到經(jīng)目標(biāo)反射回來(lái)的光線并將其作為回波信號(hào)。放大電路將接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。整形電路將放大的信號(hào)與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，并轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)，送至信號(hào)收集及處理單元進(jìn)行收集及處理。在時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片上，經(jīng)過(guò)其內(nèi)部運(yùn)算可得到返回信號(hào)和開(kāi)始信號(hào)間的時(shí)間差。在信息處理算法中，依據(jù)計(jì)算式將該時(shí)間差和別的誤差進(jìn)行計(jì)算，可得到目標(biāo)位置的距離信息，并輸出至單片機(jī)或者計(jì)算機(jī)端進(jìn)行顯示。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall system design block diagram

2 激光測(cè)距系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

激光測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路主要由激光發(fā)射電路、信號(hào)調(diào)理電路和時(shí)刻鑒別電路等組成。

2.1 激光發(fā)射電路

本文所設(shè)計(jì)的激光測(cè)距系統(tǒng)激光光源選用OSRAM公司設(shè)計(jì)的SPLLL90-3半導(dǎo)體激光器。根據(jù)SPLLL90-3半導(dǎo)體激光器的發(fā)光特性，需設(shè)計(jì)相應(yīng)的激光發(fā)射電路，從而在接收到控制器發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)后控制半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光光束。

系統(tǒng)基于EL7104驅(qū)動(dòng)芯片所設(shè)計(jì)的脈沖激光發(fā)射電路如圖2所示。

圖2 脈沖激光發(fā)射電路圖Fig.2 Pulse laser emission circuit diagram

系統(tǒng)要使半導(dǎo)體激光器正常工作，發(fā)出脈沖激光，就需要一個(gè)觸發(fā)信號(hào)送進(jìn)EL7104芯片的管腳2。EL7104的工作過(guò)程如下。觸發(fā)信號(hào)進(jìn)入芯片的管腳2，觸發(fā)EL7104輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制SPLLL90-3中的金屬一氧化物半導(dǎo)體效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)。MOSFET接收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)處于打開(kāi)狀態(tài)。此時(shí)，激光二極管內(nèi)部電容開(kāi)始放電，產(chǎn)生脈沖激光信號(hào)。而當(dāng)MOSFET接收到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，MOSFET處于截止?fàn)顟B(tài)、激光二極管內(nèi)部的電容處于充電狀態(tài)，以此完成半導(dǎo)體激光器的脈沖激光發(fā)射功能。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

本系統(tǒng)選擇雪崩光電二極管(avalanche photodiode,APD)傳感器接收激光回波信號(hào)。由于激光回波信號(hào)一般較為微弱，導(dǎo)致時(shí)刻鑒別電路不能正常識(shí)別計(jì)時(shí)停止時(shí)刻，因此需設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)調(diào)理電路對(duì)接收到的激光回波信號(hào)進(jìn)行放大，并將其送至?xí)r刻鑒別電路中，從而完成計(jì)時(shí)停止信號(hào)的鑒別。

綜上所述，系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路是對(duì)來(lái)自APD的微弱電路的放大。本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路圖Fig.3 Signal conditioning circuit diagram

由圖3可知，Q1和Q2是兩個(gè)三極管。APD輸出的電信號(hào)從Q1的基極b進(jìn)入。本文利用三極管小電流控制大電流的特性，首先將APD輸出的微弱電流進(jìn)行放大，隨后將得到的信號(hào)作為主放大電路的輸入信號(hào)進(jìn)一步放大。主放大電路采用低噪聲、非斬波穩(wěn)零的運(yùn)算放大器OP-07芯片。OP-07芯片中：4端口接地；7端口接正電壓；3端口為輸入端；6端口為輸出端。APD在執(zhí)行工作時(shí)把發(fā)射電路傳來(lái)的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)化成一個(gè)微弱電信號(hào)。該電信號(hào)可以被視為一個(gè)輸入電信號(hào)接入前置放大電路。該電信號(hào)流入前置放大的端口，即Q1的端口(基極b)。R3和R5是保護(hù)電阻，用于三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)電容。C2是旁路電容，用于消除集電極C電阻的影響，即消除輸入信號(hào)中的高頻噪聲。電阻R4用于實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)與電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。電阻R2和R5是反饋電阻。電阻R5形成電壓反饋電路，能夠輸出穩(wěn)定的電壓?；谝陨喜襟E，即可完成對(duì)APD接收到的微弱激光回波信號(hào)的放大。

2.3 時(shí)刻鑒別電路

本文基于MAX913比較器設(shè)計(jì)的時(shí)刻鑒別電路如圖4所示。

圖4 時(shí)刻鑒別電路圖Fig.4 Time identification circuit diagram

根據(jù)脈沖式激光測(cè)距原理及APD傳感器的特性，系統(tǒng)APD經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路放大后的激光回波信號(hào)為類(lèi)正弦信號(hào)，因而控制器不能直接識(shí)別。因此，需通過(guò)時(shí)刻鑒別電路將類(lèi)正弦信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為控制器能夠直接識(shí)別的脈沖信號(hào)。同時(shí)，時(shí)刻鑒別電路也能用于濾除系統(tǒng)噪聲及外界干擾光信號(hào)對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度造成的影響。

MAX913的1端口接5 V。5端口和6端口接地。2端口接放大之后的電信號(hào)。3端口與滑動(dòng)變阻器相連，通過(guò)對(duì)滑動(dòng)變阻器的控制可以設(shè)置MAX913的閾值電壓。當(dāng)2端口輸入電壓高于MAX913的閾值電壓時(shí)，MAX913的7端口Q就會(huì)輸出一個(gè)5 V左右的高電平；否則，輸出低電平。7端口與TDC-GP21的Stop端口相連，用作計(jì)時(shí)終止信號(hào)。

3 激光測(cè)距系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果分析

在脈沖激光發(fā)射單元中，用信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為25 kHz、幅值為10 V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，作為激光發(fā)射信號(hào)，并利用示波器進(jìn)行觀測(cè)。

同時(shí)，在信號(hào)調(diào)理電路兩端接示波器，在未接APD的情況下給一個(gè)1 V左右的電平信號(hào)即可得經(jīng)放大之后的信號(hào)，以此驗(yàn)證信號(hào)調(diào)理電路的實(shí)際放大效果。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可知，信號(hào)調(diào)理電路中經(jīng)電路放大之后的信號(hào)的峰值為2.03 V、幅值為1 V左右，和上文所設(shè)計(jì)的放大電路放大倍數(shù)相同，且波形圖無(wú)失真。因此，該設(shè)計(jì)同理論值一致，滿(mǎn)足需求。

APD接入所設(shè)計(jì)的激光測(cè)距系統(tǒng)后，本文利用示波器監(jiān)測(cè)APD接收到的脈沖激光回波信號(hào)，以及經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路和時(shí)刻鑒別電路處理后的電信號(hào)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)電路處理后的輸出波形是一個(gè)脈沖峰值約為5 V的脈沖信號(hào)。由此可見(jiàn)，該部分符合后續(xù)設(shè)計(jì)要求。

上述處理后的信號(hào)被送入計(jì)算端的上位機(jī)中進(jìn)行距離計(jì)算。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在距離不變的情況下，在上位機(jī)上顯示的波形圖呈現(xiàn)水平狀態(tài)，且距離穩(wěn)定在48 cm。這說(shuō)明這是一個(gè)不變的距離，也證明整個(gè)系統(tǒng)在這段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定工作，沒(méi)有脈沖丟失或者接收信號(hào)丟失。

經(jīng)過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)，可得距離信息對(duì)照如表1所示。由表1可知，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)距誤差在mm級(jí)，具備較高的測(cè)量精度，能夠滿(mǎn)足煤礦井下對(duì)頂?shù)装逡七M(jìn)量的測(cè)量需求。

表1 距離信息對(duì)照表

4 結(jié)論

本文對(duì)基于飛行時(shí)間測(cè)距法的脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對(duì)其系統(tǒng)總體方案、硬件電路等部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)擁有mm級(jí)的測(cè)量精度，能夠滿(mǎn)足煤礦井下對(duì)頂?shù)装逡七M(jìn)量的測(cè)量需求，可有力保障煤礦的安全生產(chǎn)，擁有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。