半導體激光測距儀用雙脈沖電路設計

周俊生，徐 曉，鄧華秋，鄧云龍

(華南理工大學物理系，廣東廣州510641)

1 引言

激光測距技術開始多用于軍事，現已在工業、航空航天、大地測量、建筑測量和機器人等領域獲得了廣泛應用。激光測距機是指利用射向目標的激光脈沖或連續波激光束測量目標距離的一種距離測量儀，脈沖半導體激光測距具有結構簡單、體積小、功耗低、可靠性高、價格低等特點［1－3］。針對于對距離測量的精度要求不高的消費人群，本文設計了適用于便攜的測距機使用的大電流雙脈沖半導體激光器驅動電路，利用一種二值化高速數據采集方法實現了測距功能［4］。

2 單脈沖測距與雙脈沖測距比較

光能的傳播按指數衰減，大氣對激光測距的影響使激光傳輸的能量衰減，接收信號減弱。遠距離的光信號進入光探測器后所轉化的電信號非常微弱，通常被掩蓋在噪聲中。信號與噪聲在隨時間變化的規律上是區別的，信號具有周期性，噪聲具有隨機性［5］。下面通過分析矩形脈沖信號頻譜，用以說明采用雙脈沖測距的合理性。

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。其連續時間Fourier變換為:即:

由圖可見矩形脈沖信號在時域集中于有限范圍內，然而它的頻譜卻以抽樣函數的規律變化，分布在無限寬的頻率范圍上，但主要能量處于f=0范圍。因而，通常認為這種信號頻帶B近似為1/τ。

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

由于單脈沖頻帶過寬，用數字濾波器不易過濾大部分噪聲，濾波效果不好。圖2是通過Matlab對三種脈沖模擬計算結果。由于Fourier變換具有時移特性和顯示尺度變換特性，因而，對圖2(2－1)的雙矩形脈沖，同樣假設脈沖幅度為E，寬度為τ，兩個脈沖之間相距時間也為τ，不難得出其Fourier變換為:

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

可見幅度譜幅度更高，中心波長部分帶寬更窄，濾波器濾波效果更好，如圖2(3－2)實線。如果脈沖再增加，中心波長帶寬會更窄，最后收縮為單頻譜線。由于增加一個脈沖必然要增加一套高壓驅動電路，考慮到電路的復雜度和成本，選用雙脈沖形式。

設雙脈沖間距為T，脈沖寬度為τ，把T定為τ、3 τ、5 τ，通過Matlab模擬得到幅度譜如圖3所示。由圖可見脈沖間距拉寬則中心波長帶寬也變窄，這也有利于濾波。根據實際情況需要，選擇了τ=50 ns的脈沖寬度，10τ左右的脈沖間距，100 Hz的雙脈沖重復周期，脈沖中心頻率為10 MHz，以利于數據采樣和數字化處理。

可見其幅度譜為2倍單脈沖幅度譜和cosωτ的乘積，圖形見圖2(2－2)實線，其中心波長部分帶寬比單脈沖窄，而幅度高一倍，這對數字濾波器濾波效果有明顯提升。

對圖2(3－1)三脈沖波形，同樣可以得出Fourier變換為:

圖3 不同時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 電路實現方案

3.1 測距電路框圖

測試系統選擇半導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動器，MCU使用ARM Cortex系列低功耗的嵌入式單片機STM32F051C8T6作為主控制電路，負責數據處理、輸出顯示和發送各種控制指令。用復雜可編程邏輯器件(CPLD)實現數字信號發送和回波數據采集以及測量通道切換，并在軟硬件上采用文獻［4］提出的二值化高速數據采集和處理方法。電路原理框圖如圖4所示。

圖4 雙脈沖測距機電路框圖Fig.4 Schematic diagram of circuit of dual－ pulsed rangefinder

3.2 雙脈沖大電流激光二極管驅動電路

根據要求而設計的激光器雙脈沖驅動電路圖如圖5所示，圖中MAX773為升壓芯片，通過對電阻R17、R18的選擇可得到130 V高壓輸出。由于MAX 773調制脈沖頻率達300 kHz，濾波電容C 12選擇耐壓200 V、容量為1 μF即可。CD 4504屬于數字電平轉換芯片，用以提高觸發電平，開關功率管采用大電流CMOS管。

圖5 雙脈沖大電流半導體激光器驅動電路Fig.5 High － peak dual－ pulsed driving circuit of LD

激光發射電路工作過程簡述如下:

電容C12的高壓通過磁珠(CZ2)接到激光器脈沖驅動電路前級上并通過電阻R9、R10分別對電容C5、C6進行充電，使電容兩端達130 V電壓。兩個觸發脈沖重復頻率都為100 Hz，它們起始時間相差500 ns。觸發脈沖1到來時，通過CD4504轉換為高電平，使Q1導通，Q2導通，電容C5上電能通過Q2、D1、R12、LD放電，LD得到瞬間大電流脈沖。觸發脈沖過后Q1、Q2馬上截止，LD截止，C5重新充電。當觸發脈沖2到來時，原理如上述。這樣LD就獲得類似于圖6所示的大電流雙脈沖。

圖6是串聯在LD上的取樣電阻R12取值為1 Ω時的電壓波形，可換算為LD脈沖電流，脈沖寬度為50 ns左右，電流瞬間峰值接近33 A，兩個電流脈沖形狀、幅度、寬度基本上保持一致。通過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動電流。

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

3.3 激光回波信號分析

激光回波信號經放大后采集得到數據序列。數據序列經實驗系統處理后通過Matlab作圖，得到如圖7所示的波形。圖7中1為強干擾，它是由于激光脈沖電流的尾部振蕩引起的，屬周期性系統干擾，2為有效信號波形(雙脈沖)。采樣序列經過帶通濾波后波形，得到的波形已經比較清晰，但是有效信號前面的干擾尖峰依然存在。再把序列經過差分后，強干擾峰已被削弱，信號明顯比其他干擾信號高很多。圖8是相關運算后得到得序列波形，通過計算出尖峰點的數值位置，通過軟件直接換算就得到距離測量值。

圖7 采樣數據變換結果波形圖Fig.7 Wave of sampling sequence transform

圖8 采樣數據相關運算結果波形圖Fig.8 Wave of sampling sequence processing

4 樣機與測試結果分析

4.1測距樣機介紹

應用雙脈沖驅動電路制作的機器整體為一臺測距功能原型機。該機前面有大小兩個鏡頭，小鏡頭是發射光學系統鏡頭，半導體激光器發射的激光經過壓縮、準直后經此鏡頭照射到測量目標。目標反射光直接由大鏡頭進入，在機器內部利用光學系統把接收光分為兩路，一路到目鏡，另一路入射接收器。

機器側面是LCD屏和測量按鈕，為了測試方便，在顯示距離的同時還顯示了數據的相關度(即信號強度，大于設定統計閾值表示接收到目標回波，距離數據有效;否則距離數據無效，以“NA”代替)，以此來判斷激光是否照射到被測目標上。

4.2 測距數據及分析

4.2.1 近距離目標測試數據

近距離測量采用粗糙的白板為待測目標，在天氣晴朗，能見度好的情況下進行測量。通過改變白板的位置，在每個位置連續測量10組數據，最后得到測量數據如表1所示。由表中數據可見，對近距離目標測量(400 m以內)，基本上能達到100%的命中率，且所測數據一致性好。

表1 近距離的目標測量數據(單位:m)Tab.1 Measuring data to close distance

4.2.2 中遠距離目標測試數據

表2是對遠處不同目標進行測量的數據。目標1測量值的平均值為669.5 m，標準偏差為1.17 m。可見信號強度非常好，前后測量值偏差不大，測量精度非常高。而800～1100 m距離的目標(目標2、3)范圍內，雖然信號強度有所下降，但機器一直能夠在保持一致性的情況下測量出距離數值，而且精度還保持很高。

為了對該機器的測距能力做進一步評價，對更遠的距離進行測量。在晴朗的天氣、能見度特別好的情況下對三個更遠的目標(目標4－6)進行測量，數據如表2所示。可見，在天氣極好，能見度特高的情況下最大測距距離可到1750 m(命中率30%左右)。

表2 中遠距離目標測量數據(單位:m)Tab.2 Measuring data to far distance

5 結論

測量結果顯示，在無合作目標的情況下，整機系統達到測量范圍1.1 km，測量精度±3.75 m的要求。在天氣極好，能見度特高的情況下最大測距距離可到1750 m。這說明采用雙脈沖大電流驅動測距方案，具有功耗低、目標測試穩定、測量數據準確、測量距離遠、命中率高等特點，具有實際使用價值。

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