激光探测与定位技术
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5.光电接收器电路设计
本文所选用的雪崩二极管在正常工作时需要加上一个160v左右的直流反向偏压,这才能使得雪崩二极管有足够的增益,因此需要设计一个高压发生电路来给雪崩二极管提供反向偏压。如下图5.1所示。
图5.1APD高压偏置电路图
由于微安级的输出电流对于后续的电路设计还是很不方便协调,为了使得后面的锁相电路和检相电路设计的简便,故需要合理的设计一个前置放大电路,对电流进行相应放大处理。如下图5.2所示。
在这里我们使用的是德国ACAM公司出产的TDC-GP2高精度时间间隔测量芯片。此芯片在其他脉冲式激光测距仪中被广泛使用,但同时它也适用于相位式激光测距仪的相位信息测量,最大分辨率可以达到65ps,可以大大提高测量精度。其内部结构示意图图下图所示。
图8.2内部结构示意图
在实验中需要一单片机对整个系统进行控制,我们选择的单片机为德州仪器生产的MSP430。此单片机是超低耗16位处理器,具有基本时钟和锁频环两个不同的时钟系统。
近代科学和军事技术对于测量精度的要求不断提高。现在各种测距仪器不仅在精度方面大大提高,而且仪器的发展趋势是不断向自动化、小型化和数字化方面发展。通过技术的不断进步,相位式激光测距非常适合用于对测量精度要求很高的距离测量,其测量范围的跨度也比较大,从短程测量到远距离测量都Biblioteka Baidu以使用这种测量方式。
我国现有的激光测距仪产品的性能还与国外同类产品存在着很大的差距,性价比还是不突出,竞争力不强。因此，便携式相位半导体激光测距仪的设计是非常有必要的。
图7.1混频电路
8.相位检测
由于经过混频的信号都降低为中频10KHz,但是其还是正弦信号,先要将测距信号和参考信号经过比较器变成方波,再送入检相电路进行比较。检相电路的设计如下图8.1所示。
图8.1检相电路
其中R1=R2=1KΩ,C1=C2=1nF。开通门控采用集成单稳态触发器构成,这是为了实现多次测量,减小随机误差的产生。
在本设计中,测尺长度是15m,差频Δf=10KHz,TDC-GP2在测量范围1下测量分辨率是以125ps做4次采样,则有:
可以得到x=0.1875mm，理论精度是毫米级的,满足设计要求。
TDC-GP2和MSP430可以通过通讯接口SPI进行数据通讯,通过SPI口控制TDC-GP2的工作。另外,DTC-GP2的三个使能端EN-START、EN-STOP1和EN-STOP2分别与单片机的三个IO口连接,使能端为高电平时,TDC-GP2接收外来信号,TDC-GP2进行时间测量。单片机MSP430直接控制TDC-GP2的START信号。STOP1信号来自于激光器的驱动电路,STOP2信号来自于雪崩二极管的接收电路。
储存温度℃
-20~80
3.信号发生器的选择
MAX038是MAXIM公司生产的精密高频函数发生器芯片。MAX038有两个波形选择引脚,对其设置适当的代码再选配极少外围电路就能实现高频、高精度输出三角波、锯齿波、正弦波、方波和脉冲波,并且所有波形的输出信号相对于地是对称的,在电路参数要求苛刻的工作场合能够得到较好的应用。
经过混频的两个信号在通过比较器将正弦信号变成方波信号,再对相位进行检测。
具体测距流程可由下图1.1所示
图1.1相位式半导体激光测距的总体框
2.激光器的选择
与其他激光器相比半导体激光器的输出功率和效率都很高,并且可以实现直接调制,调制频率很高,结构简单、轻巧,所以在便携式的中、短程精密激光测距仪和红外测距仪中得到广泛应用。因此，本文选取半导体激光器产生光源，具体参数如下表2.1所示。
表2.1激光器参数
型号
DL-635-5
中心波长nm
635±10
连续输出功率W
0.30
发光区宽度um
100
光谱线宽μm
≤2
斜率效率W/A
≥1.0
偏振
TM
垂直发散角deg
42
水平发散角deg
10
波长温度系数nm/℃
0.3
阈值电流A
0.5
工作电流A
0.8
工作电压V
2.2
串联电阻Ω
0.35
工作温度℃
-20~30
4.光电检测器件的选择
在光电检测中应用最广泛的光电子检测器件有：光敏电阻、光电池、PIN型硅光电二极管、光电三极管和雪崩二极管APD等等，通过对这几种光电检测器件的分析，我们了解到雪崩二极管对微弱信号有很高的灵敏度。由于本设计采用非合作目标形式,入射光功率会很低,而对于雪崩二极管在此条件下,其倍增电流与入射光具有较好的线性关系,不会因为入射光功率过大,使光电流产生畸变。雪崩增益引起的噪声贡献也不大,可以保证测量的准确性,进而可以很好的保证激光测距仪的测距精度,所以雪崩二极管是最佳的选择。这里我们选择德国SiliconSensor公司的硅材料雪崩光电二极管AD500-8型作为激光接收器件。
接收部分是由接收光学系统、光电探测器、滤波器和放大器组成。设计目的是接收从待测物体漫反射回来的光波信号并对其转换成电信号,滤波放大处理;
数字测相及信号处理部分由混频电路、锁相电路、计数电路和计数显示器组成。设计目的是计算和显示待测物体距离信息。
系统具体参数指标如下:
采用半导体激光器作为光源;
利用雪崩二极管作为光信号接收器件;
利用分散的直接测尺频率方式,主振频率为10MHz,理论测量范围是15m,精度为1mm;
采用差频测相方式,利用锁相环产生本振信号9.99MHz;
测距信号与参考信号分别与本振信号混频得到10KHZ的信号;
混频后可以得到两个中低频信号,这样做是因为10MHz的信号频率过高,经过混频可以降低对后续电子器件的设计要求,同时混频后的测距中低频信号还保留着测距相位信息;
南京理工大学
研究生研究型课程考试
课程名称：激光探测与定位技术
考试形式：□专题研究报告√论文□大作业□综合考试
学生姓名：****学号：*******
评阅人：王春勇
时间：2013年6月
便携式相位半导体激光测距仪的设计
随着激光技术的出现,使得测距方法不断更新,测量的精度也显著提高,随之而来的就是激光器作为光源的光学测距机取代了普通光源的光学测距机,解决了普通光源在侧距时对于大气能见度高,白天作业困难的缺点。
图5.2前置放大器电路
6.锁相环电路设计
用74VHC4046锁相环集成电路进行锁频产生本振信号电路框图如6.1所示，本振信号产生电路如6.2所示。
图6.1本振信号框图
6.2本振信号产生电路
7.数字混频电路设计
我们知道在测距过程中要使得检相电路简便易行,降低设计难度,必须把高频信号降低到中低频,方便检相。本文使用主振频率为10MHZ,本振信号为9.99MHz,对这两个信号进行混频时我们使用的是飞兆的LS221单稳态多谐振荡器。电路图如图7.1所示。
1.相位半导体激光测距仪系统的组成
将该激光测距系统分成三大部分:发射部分、接收部分和数字测相及信号处理部分。
相位式激光测距系统基本设计如下:
发射部分的激光器由半导体激光器、光源驱动电路、发射准直光学系统组成。设计目的是通过光源驱动电路的半导体激光经过发射准直光学系统向待测物体发射出准直调制正弦光波信号。
本文所选用的雪崩二极管在正常工作时需要加上一个160v左右的直流反向偏压,这才能使得雪崩二极管有足够的增益,因此需要设计一个高压发生电路来给雪崩二极管提供反向偏压。如下图5.1所示。
图5.1APD高压偏置电路图
由于微安级的输出电流对于后续的电路设计还是很不方便协调,为了使得后面的锁相电路和检相电路设计的简便,故需要合理的设计一个前置放大电路,对电流进行相应放大处理。如下图5.2所示。
在这里我们使用的是德国ACAM公司出产的TDC-GP2高精度时间间隔测量芯片。此芯片在其他脉冲式激光测距仪中被广泛使用,但同时它也适用于相位式激光测距仪的相位信息测量,最大分辨率可以达到65ps,可以大大提高测量精度。其内部结构示意图图下图所示。
图8.2内部结构示意图
在实验中需要一单片机对整个系统进行控制,我们选择的单片机为德州仪器生产的MSP430。此单片机是超低耗16位处理器,具有基本时钟和锁频环两个不同的时钟系统。
近代科学和军事技术对于测量精度的要求不断提高。现在各种测距仪器不仅在精度方面大大提高,而且仪器的发展趋势是不断向自动化、小型化和数字化方面发展。通过技术的不断进步,相位式激光测距非常适合用于对测量精度要求很高的距离测量,其测量范围的跨度也比较大,从短程测量到远距离测量都Biblioteka Baidu以使用这种测量方式。
我国现有的激光测距仪产品的性能还与国外同类产品存在着很大的差距,性价比还是不突出,竞争力不强。因此，便携式相位半导体激光测距仪的设计是非常有必要的。
图7.1混频电路
8.相位检测
由于经过混频的信号都降低为中频10KHz,但是其还是正弦信号,先要将测距信号和参考信号经过比较器变成方波,再送入检相电路进行比较。检相电路的设计如下图8.1所示。
图8.1检相电路
其中R1=R2=1KΩ,C1=C2=1nF。开通门控采用集成单稳态触发器构成,这是为了实现多次测量,减小随机误差的产生。
在本设计中,测尺长度是15m,差频Δf=10KHz,TDC-GP2在测量范围1下测量分辨率是以125ps做4次采样,则有:
可以得到x=0.1875mm，理论精度是毫米级的,满足设计要求。
TDC-GP2和MSP430可以通过通讯接口SPI进行数据通讯,通过SPI口控制TDC-GP2的工作。另外,DTC-GP2的三个使能端EN-START、EN-STOP1和EN-STOP2分别与单片机的三个IO口连接,使能端为高电平时,TDC-GP2接收外来信号,TDC-GP2进行时间测量。单片机MSP430直接控制TDC-GP2的START信号。STOP1信号来自于激光器的驱动电路,STOP2信号来自于雪崩二极管的接收电路。
储存温度℃
-20~80
3.信号发生器的选择
MAX038是MAXIM公司生产的精密高频函数发生器芯片。MAX038有两个波形选择引脚,对其设置适当的代码再选配极少外围电路就能实现高频、高精度输出三角波、锯齿波、正弦波、方波和脉冲波,并且所有波形的输出信号相对于地是对称的,在电路参数要求苛刻的工作场合能够得到较好的应用。
经过混频的两个信号在通过比较器将正弦信号变成方波信号,再对相位进行检测。
具体测距流程可由下图1.1所示
图1.1相位式半导体激光测距的总体框
2.激光器的选择
与其他激光器相比半导体激光器的输出功率和效率都很高,并且可以实现直接调制,调制频率很高,结构简单、轻巧,所以在便携式的中、短程精密激光测距仪和红外测距仪中得到广泛应用。因此，本文选取半导体激光器产生光源，具体参数如下表2.1所示。
表2.1激光器参数
型号
DL-635-5
中心波长nm
635±10
连续输出功率W
0.30
发光区宽度um
100
光谱线宽μm
≤2
斜率效率W/A
≥1.0
偏振
TM
垂直发散角deg
42
水平发散角deg
10
波长温度系数nm/℃
0.3
阈值电流A
0.5
工作电流A
0.8
工作电压V
2.2
串联电阻Ω
0.35
工作温度℃
-20~30
4.光电检测器件的选择
在光电检测中应用最广泛的光电子检测器件有：光敏电阻、光电池、PIN型硅光电二极管、光电三极管和雪崩二极管APD等等，通过对这几种光电检测器件的分析，我们了解到雪崩二极管对微弱信号有很高的灵敏度。由于本设计采用非合作目标形式,入射光功率会很低,而对于雪崩二极管在此条件下,其倍增电流与入射光具有较好的线性关系,不会因为入射光功率过大,使光电流产生畸变。雪崩增益引起的噪声贡献也不大,可以保证测量的准确性,进而可以很好的保证激光测距仪的测距精度,所以雪崩二极管是最佳的选择。这里我们选择德国SiliconSensor公司的硅材料雪崩光电二极管AD500-8型作为激光接收器件。
接收部分是由接收光学系统、光电探测器、滤波器和放大器组成。设计目的是接收从待测物体漫反射回来的光波信号并对其转换成电信号,滤波放大处理;
数字测相及信号处理部分由混频电路、锁相电路、计数电路和计数显示器组成。设计目的是计算和显示待测物体距离信息。
系统具体参数指标如下:
采用半导体激光器作为光源;
利用雪崩二极管作为光信号接收器件;
利用分散的直接测尺频率方式,主振频率为10MHz,理论测量范围是15m,精度为1mm;
采用差频测相方式,利用锁相环产生本振信号9.99MHz;
测距信号与参考信号分别与本振信号混频得到10KHZ的信号;
混频后可以得到两个中低频信号,这样做是因为10MHz的信号频率过高,经过混频可以降低对后续电子器件的设计要求,同时混频后的测距中低频信号还保留着测距相位信息;
南京理工大学
研究生研究型课程考试
课程名称：激光探测与定位技术
考试形式：□专题研究报告√论文□大作业□综合考试
学生姓名：****学号：*******
评阅人：王春勇
时间：2013年6月
便携式相位半导体激光测距仪的设计
随着激光技术的出现,使得测距方法不断更新,测量的精度也显著提高,随之而来的就是激光器作为光源的光学测距机取代了普通光源的光学测距机,解决了普通光源在侧距时对于大气能见度高,白天作业困难的缺点。
图5.2前置放大器电路
6.锁相环电路设计
用74VHC4046锁相环集成电路进行锁频产生本振信号电路框图如6.1所示，本振信号产生电路如6.2所示。
图6.1本振信号框图
6.2本振信号产生电路
7.数字混频电路设计
我们知道在测距过程中要使得检相电路简便易行,降低设计难度,必须把高频信号降低到中低频,方便检相。本文使用主振频率为10MHZ,本振信号为9.99MHz,对这两个信号进行混频时我们使用的是飞兆的LS221单稳态多谐振荡器。电路图如图7.1所示。
1.相位半导体激光测距仪系统的组成
将该激光测距系统分成三大部分:发射部分、接收部分和数字测相及信号处理部分。
相位式激光测距系统基本设计如下:
发射部分的激光器由半导体激光器、光源驱动电路、发射准直光学系统组成。设计目的是通过光源驱动电路的半导体激光经过发射准直光学系统向待测物体发射出准直调制正弦光波信号。