唐海天

（平?jīng)雎殬I(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅 平?jīng)?744000）

0 引言

激光測(cè)距儀是一種基于時(shí)域反射原理設(shè)計(jì)的測(cè)量距離儀表，其原理基本與雷達(dá)測(cè)距相同，即測(cè)距點(diǎn)激光發(fā)射機(jī)向待測(cè)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，激光脈沖穿過(guò)大氣后達(dá)到目標(biāo)，部分激光經(jīng)目標(biāo)反射后返回測(cè)距點(diǎn)，并被測(cè)距機(jī)探測(cè)設(shè)備接收，根據(jù)激光測(cè)距機(jī)至接收時(shí)刻之間的時(shí)間差和已知光速測(cè)算距離[1]。由于激光具有良好的單色性、準(zhǔn)直性、發(fā)散角度小等特性，相較于其他測(cè)距技術(shù)和設(shè)備，激光測(cè)距儀具有質(zhì)量輕、測(cè)速效率高、測(cè)距大、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、自動(dòng)控制、工業(yè)、大地測(cè)量、建筑測(cè)量等領(lǐng)域。當(dāng)前，激光測(cè)距儀技術(shù)不斷增多，如脈沖法、相位法、調(diào)頻連續(xù)波法等，不同技術(shù)均具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。其中，脈沖法激光測(cè)距儀具有測(cè)距長(zhǎng)、測(cè)速快、無(wú)需合作目標(biāo)等特點(diǎn)，尤其適用于建筑工程、水利工程、地籍測(cè)繪工程等工程領(lǐng)域應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景，本文在分析脈沖式激光測(cè)距儀技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)距儀進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，以期為相關(guān)研究提供有益參考。

1 相位式激光測(cè)距儀技術(shù)原理

相位式激光測(cè)距儀是由半導(dǎo)體激光發(fā)射二極管發(fā)射特定波段激光脈沖，經(jīng)空氣介質(zhì)或其他介質(zhì)傳播至被測(cè)物質(zhì)表面，激光脈沖經(jīng)漫射后原理返回至半導(dǎo)體激光接收二極管，通過(guò)計(jì)算激光脈沖發(fā)射、接收時(shí)間差，簡(jiǎn)單計(jì)算后獲得測(cè)距。

式中，S為測(cè)距，c為光在介質(zhì)中傳播速度，T為激光脈沖發(fā)射、接收時(shí)間差。

脈沖式激光測(cè)距儀硬件由5 個(gè)部分組成，即激光脈沖發(fā)射單元、接收模塊、激光脈沖信號(hào)采集模塊、信號(hào)調(diào)解模塊和數(shù)據(jù)處理單元組成，激光脈沖經(jīng)發(fā)射模塊發(fā)射后，返回的激光脈沖由接收模塊接收、放大后，經(jīng)信號(hào)采集模塊信號(hào)采集和信號(hào)調(diào)制模塊采樣處理后可對(duì)信號(hào)時(shí)域展寬進(jìn)行比較處理，最終輸出至在數(shù)據(jù)控制處理單元，可自動(dòng)計(jì)算得出測(cè)距[2]。

在脈沖式激光測(cè)距設(shè)計(jì)中，由于光速高，其時(shí)差測(cè)量精度直接影響測(cè)距精度，常用的時(shí)間精度測(cè)量方法包括傳輸延遲線法、時(shí)間電壓轉(zhuǎn)換法、時(shí)間線性展寬法和游標(biāo)法等，但上述方法均存在不同程度的時(shí)差精度測(cè)量問(wèn)題，如時(shí)差測(cè)量穩(wěn)定性、測(cè)量結(jié)果非線性誤差大、易受各種噪聲影響等問(wèn)題，影響激光測(cè)距儀測(cè)量精度。針對(duì)該問(wèn)題，可采用等效采樣技術(shù)原理，通過(guò)將接收到激光脈沖連續(xù)波形變換為離散的波形，可將毫秒級(jí)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行一定擴(kuò)展，展寬為ms 級(jí)別的時(shí)域信號(hào)，以此提高脈沖式激光測(cè)距儀測(cè)量精度，并顯著降低硬件設(shè)計(jì)難度和生產(chǎn)成本。

2 脈沖式激光測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于脈沖式激光測(cè)距儀技術(shù)原理和等效采樣技術(shù)原理，本研究設(shè)計(jì)了一種脈沖式激光測(cè)距儀，可以較低采樣頻率實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度，改善了普通脈沖激光測(cè)距儀受脈沖寬度和采樣頻率影響的問(wèn)題，激光測(cè)距儀測(cè)量精度由厘米級(jí)別提升至毫米級(jí)別，測(cè)量誤差≤3 mm，重復(fù)性誤差≤3 mm，精確度1.0 級(jí)，測(cè)量量距10 m，可擴(kuò)展至60 m，顯著優(yōu)于普通脈沖式激光測(cè)距儀測(cè)量精度。

該設(shè)計(jì)中，在普通脈沖式激光測(cè)距儀接受調(diào)制電路部分增加了在脈沖時(shí)域展寬電路實(shí)現(xiàn)，通過(guò)該設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)回波激光脈沖信號(hào)時(shí)間展寬擴(kuò)展，將回波信號(hào)按需由ns級(jí)別展寬為ms 級(jí)別信號(hào)，并通過(guò)比較器比較和模數(shù)轉(zhuǎn)換后基于單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)捕獲和距離測(cè)算。由于該設(shè)備所需的芯片數(shù)量較少，且無(wú)需復(fù)雜操作，可實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距的集中控制、計(jì)算和顯示，有效提高了脈沖式激光測(cè)距儀的系統(tǒng)集成性。基于該設(shè)計(jì)思路，脈沖式激光測(cè)距儀硬件包括3 個(gè)模塊，即激光發(fā)射電路模塊、激光接收電路和單片機(jī)模塊，激光發(fā)射電路模塊功能為調(diào)制單片機(jī)信號(hào)，并產(chǎn)生激光脈沖信號(hào)和采樣脈沖，硬件設(shè)備采樣SPLLL90-3 高功率激光二極管。激光接收電路模塊接收經(jīng)高壓偏置，對(duì)激光脈沖信號(hào)進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換、放大處理，并通過(guò)等效采樣處理實(shí)現(xiàn)時(shí)域擴(kuò)展功能，最后將處理后的脈沖信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)模塊。單片機(jī)模塊功能為處理各種操作指令，并對(duì)接收到脈沖信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算得出脈沖激光測(cè)距儀實(shí)時(shí)測(cè)距值。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖見圖1。

2.2 激光接收電路模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，激光發(fā)射電路模塊主要采用SPLLL90-3 高功率激光發(fā)射二極管發(fā)射激光脈沖，其技術(shù)原理是激光發(fā)光二極管受激發(fā)射激光脈沖，其理論測(cè)距為300 m，發(fā)射功率為40 W。但在空氣介質(zhì)中，受空氣漫射、脈沖信號(hào)衰減等影響，激光發(fā)光二極管脈沖功率下降嚴(yán)重，需要通過(guò)提供發(fā)射功率達(dá)到測(cè)距要求，因此，本次設(shè)計(jì)波長(zhǎng)905 nm、輸出峰值功率為70 W 的激光發(fā)光二極管。發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，電容和開關(guān)集成在二極管內(nèi)部，僅需外加MOSFET 開關(guān)即可驅(qū)動(dòng)二極管發(fā)射激光脈沖。

脈沖驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，選用RLC 振蕩電路作為驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)MOSTET 開關(guān)控制儲(chǔ)能裝置釋放電能并驅(qū)動(dòng)二極管發(fā)射激光脈沖，見圖2。

2.3 激光接收電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，激光接收功能主要通過(guò)二級(jí)AD500-9 接收并返回脈沖信號(hào)，經(jīng)獲取電路獲取脈沖信號(hào)后并經(jīng)采樣信號(hào)采樣重建，由接收信號(hào)調(diào)制電路放大、濾波、比較處理后形成數(shù)字信號(hào)，形成可供單片機(jī)處理的采樣數(shù)據(jù)[3]。

激光接收電路設(shè)計(jì)時(shí)，借助光電探測(cè)器（APD）信號(hào)增益原理和增益參數(shù)，選用AD500-9 型雪崩光電二極管，其具有響應(yīng)速度快、倍增因子適中、噪聲低和成本低等特點(diǎn)，工作溫度范圍為-40 ℃～100 ℃，帶寬500 MHz，噪聲等級(jí)功率為2×10-14W/Hz。由于APD 輸出為電流信號(hào)，為將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大，需采用兩級(jí)放大電路設(shè)計(jì)，第一級(jí)為跨阻放大，第二級(jí)為比例放大電路。采用二級(jí)放大電路設(shè)計(jì)，可將5 V 直流電壓升壓至230 V 直流電壓，電壓經(jīng)去耦處理后可作為APD 偏置電壓。APD 偏置電路設(shè)計(jì)原理是電荷泵原理，由6 個(gè)電容級(jí)聯(lián)后輸出電壓，雖然電容存在一定損耗，但經(jīng)實(shí)際測(cè)量電壓值為226 V，與設(shè)計(jì)電路電壓接近，滿足雪崩型光電二極管高壓驅(qū)動(dòng)要求。

2.4 激光信號(hào)調(diào)整電路設(shè)計(jì)

激光信號(hào)調(diào)制電路設(shè)計(jì)包括脈沖整形電路、可變?cè)鲆娣糯笃麟娐?、信?hào)比較電路和信號(hào)收發(fā)模塊匹配電路。

2.4.1 脈沖整形電路

脈沖整形電路接收濾波放大后的回波脈沖信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為TTL 輸出。脈沖整形電路選用MAX913CSA 芯片，該芯片抗噪聲能力強(qiáng)，可為測(cè)距儀提供輸出短路保護(hù)功能。由于實(shí)際電路設(shè)計(jì)中運(yùn)放在輸入偏置電流不為0，因此，脈沖整形電路可存在一定的系統(tǒng)誤差，誤差值約為80 mA，該誤差可通過(guò)軟件設(shè)計(jì)方式解決。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，經(jīng)脈沖整形處理后，可輸出峰值為3 V 左右的脈沖信號(hào)[4]。

2.4.2 可變?cè)鲆娣糯笃麟娐?/p>

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，脈沖信號(hào)通過(guò)激光二極管發(fā)射激光，并在空氣介質(zhì)中傳播激光脈沖，脈沖信號(hào)經(jīng)反射面反射后由接收信號(hào)模塊接收，但由于激光脈沖信號(hào)傳播、反射過(guò)程中存在一定的損耗，導(dǎo)致反射后的激光脈沖幅值存在較大的差異，因此，激光脈沖在測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)發(fā)射激光脈沖信號(hào)增幅處理，確保反射脈沖幅值基本相同。本系統(tǒng)采用AD8403 可變?cè)鲆娣糯笃麟娐穼?duì)脈沖信號(hào)放大增益，由單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，通過(guò)設(shè)置數(shù)字電位計(jì)大小調(diào)節(jié)接收脈沖信號(hào)增益大小。由于脈沖激光測(cè)距儀測(cè)距不一，當(dāng)距離越大時(shí)，電位計(jì)數(shù)字越大。根據(jù)測(cè)試效果，采用可變?cè)鲆娣糯笃麟娐泛?，可有效改善回波電路噪聲大、信?hào)失真問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，輸入信號(hào)經(jīng)可變?cè)鲆娣糯蠛筝敵鲂盘?hào)得到適當(dāng)放大，并對(duì)其他部分雜波信號(hào)起到了良好的濾除作用。

在可變?cè)鲆娣糯箅娐愤x擇中發(fā)現(xiàn)，部分可變?cè)鲆娣糯笮盘?hào)存在較大的噪聲問(wèn)題，并引起信號(hào)失真，經(jīng)對(duì)比多種型號(hào)可變?cè)鲆娣糯笃骱蟮贸鼋Y(jié)論，運(yùn)算放大器選型應(yīng)選擇高阻抗、低噪聲的pA 級(jí)電流運(yùn)放，其原因在于部分可變?cè)鲆娣糯笃鬏敵鯯DI 信號(hào)并非采用10 bit 數(shù)據(jù)，而是依次輸出2 bit 數(shù)據(jù)，高字節(jié)開始6 位均為0，但仍有相應(yīng)的時(shí)鐘，由于器件鎖存器只有10 位，導(dǎo)致最初的6 位0 自動(dòng)從SDO 端移除，未能起到增益放大作用。

2.4.3 信號(hào)比較電路

信號(hào)比較電路設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)時(shí)域反射原理，自反射板得到的信號(hào)為激光反射信號(hào)。信號(hào)比較電路通過(guò)對(duì)比電路信號(hào)可將模擬的時(shí)域信號(hào)展寬后將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并由單片機(jī)進(jìn)行距離數(shù)據(jù)測(cè)算，見圖3。

信號(hào)比較電路工作流程為：激光接收二極管接收到激光信號(hào)后，經(jīng)APD 偏置電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、發(fā)射接收器匹配信號(hào)和等效采樣處理后，獲得周期為10 MHz 的回波脈沖信號(hào)。信號(hào)比較電路對(duì)接收到的脈沖信號(hào)進(jìn)行比較處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后交單片機(jī)測(cè)算距離。在信號(hào)處理中，輸入信號(hào)經(jīng)數(shù)字電位計(jì)放大處理后，高電平電壓為3 V，低電平為0 V，經(jīng)信號(hào)比較電路后，負(fù)端電平電阻分壓置為2 V。經(jīng)可變?cè)鲆娣糯蠛蟮竭_(dá)比較器正端時(shí)，高電平為3 V，負(fù)端鉗制電平為2 V，高電平大于負(fù)端電平，二極管斷開。當(dāng)激光脈沖到達(dá)時(shí)，激光輸入信號(hào)表現(xiàn)為低電平，由于比較器負(fù)端電壓大于正端電壓，即比較器輸出低電平，二極管導(dǎo)通。根據(jù)該工作流程，經(jīng)信號(hào)比較處理后，可在與非門輸出端得到頻率為10 Hz、占空比為35%的方波數(shù)字脈沖信號(hào)。選擇35%占空比方波信號(hào)可有效屏蔽激光發(fā)射信號(hào)引起的接收管周圍環(huán)境變化因素產(chǎn)生的干擾，如未經(jīng)障礙物反射即被接收管接收，能夠起到濾波作用。

本次設(shè)計(jì)中采用TLC3702 比較器芯片，其快速響應(yīng)時(shí)間僅為2.5，顯著優(yōu)于其他單片機(jī)較器，適于作為脈沖式激光測(cè)距儀硬件。同時(shí)，該芯片功耗極低，由于采用了低功耗的74 VHC00 芯片組成與非門電路，其高速轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為3.7 ns，可有效提高比較器處理效率，提高脈沖式激光測(cè)距儀響應(yīng)速度，其原因在于電路信號(hào)接收展寬后為毫秒級(jí)信號(hào)，其信號(hào)傳播速度受脈沖時(shí)域展寬電路影響，是實(shí)際信號(hào)傳播時(shí)間K 倍，因此，脈沖式激光測(cè)距儀比較信號(hào)響應(yīng)處理速度直接影響信號(hào)計(jì)算精度，如硬件響應(yīng)速度偏低，可能造成脈沖上升和下降時(shí)間較長(zhǎng)，未能及時(shí)響應(yīng)而造成錯(cuò)誤捕獲，影響脈沖式激光測(cè)距儀測(cè)量精度。

2.4.4 信號(hào)收發(fā)模塊匹配電路

該系統(tǒng)中，信號(hào)收發(fā)模塊匹配電路主要實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)發(fā)射、反射信號(hào)時(shí)間展寬、差分放大功能。通過(guò)將展寬后的反射信號(hào)送入比較電路并產(chǎn)生可被單片機(jī)識(shí)別的邊沿信號(hào)，能夠計(jì)算得出實(shí)際反射時(shí)間。系統(tǒng)中，二極管平衡混頻電路用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射與接收功能。當(dāng)二極管平衡混頻電路處于開關(guān)狀態(tài)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較好的混頻效果。為改善感器對(duì)平衡檢波電路對(duì)稱性的干擾，在發(fā)射電路未連接傳感器前，在發(fā)射電路一側(cè)增設(shè)50 Ω 電阻，見圖4，其阻抗與傳感器特征阻抗值相同，確保電路兩端電阻匹配，以獲得良好的混頻效果。針對(duì)二極管混頻輸出的兩路信號(hào)進(jìn)行低通濾波時(shí)，由差分放大電路實(shí)現(xiàn)在反射信號(hào)檢出，一路信號(hào)來(lái)自傳感器側(cè)的經(jīng)時(shí)間擴(kuò)展后的反射信號(hào)，另一路信號(hào)為匹配網(wǎng)絡(luò)未連接傳感器側(cè)的電路未加外部擾動(dòng)的穩(wěn)定信號(hào)，兩路信號(hào)經(jīng)差分放大電路后，信號(hào)差異被放大檢出，并在信號(hào)放大的同時(shí)濾池信號(hào)中的高頻分量信號(hào)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 硬件電路板制作

根據(jù)上述硬件設(shè)計(jì)要求制作脈沖激光測(cè)距儀電路板，并將各電路集成制作為主控板，各電路間采用屏蔽線連接。經(jīng)硬件設(shè)計(jì)后，發(fā)射尺寸為25 mm×25 mm 方形主控板，接收板為35 mm×35 mm 方形主控板，單片機(jī)主控板為45 mm×95 mm 方形主控板。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試

硬件設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)對(duì)芯片寄存器進(jìn)行配置和芯片初始化后，經(jīng)校準(zhǔn)后進(jìn)行模擬測(cè)量。為測(cè)量本硬件設(shè)備的測(cè)量精度，實(shí)際距離為1 m 的情況下，脈沖式測(cè)距儀測(cè)量間隔3.3 ns，測(cè)得電路時(shí)延為109 ns，以此作為測(cè)量系統(tǒng)誤差進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。經(jīng)系統(tǒng)校準(zhǔn)后，按0.5 m 距離間隔各組測(cè)試20 次計(jì)算測(cè)距儀誤差范圍≤0.4 ns，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，測(cè)量數(shù)據(jù)與時(shí)間間隔擬合度為0.998，表明脈沖式激光測(cè)距儀測(cè)量精度良好[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)脈沖式激光測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì)，基于脈沖激光測(cè)距和等效采樣技術(shù)原理，可有效提高激光測(cè)距儀測(cè)量精度，并實(shí)現(xiàn)測(cè)距儀測(cè)量自動(dòng)化、小型化，滿足不同領(lǐng)域測(cè)距技術(shù)要求。