改革測距實驗提升光信息專業(yè)學生實踐能力的探索

趙同剛, 史新天, 劉人豪

(北京郵電大學 電子工程學院, 北京 100876)

北京郵電大學光電信息科學與工程專業(yè)旨在培養(yǎng)在寬帶通信、光電信息處理與應用、光電子信息領域和交叉領域從事科學研究、設計開發(fā)、工程管理和教育等工作中的寬口徑、綜合型、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才。為了達到專業(yè)培養(yǎng)目標,不僅要在理論知識體系中,而且要在專業(yè)實踐環(huán)節(jié)體現(xiàn)跨學科、綜合性、系統(tǒng)性的特點。近年來,我校對該專業(yè)實驗教學方法進行了探索和改革。該實驗改革涉及大二年級的電子電路測量系統(tǒng)綜合設計實驗、大三年級的光信息專業(yè)實驗，在測距手段上由電到光、學習內(nèi)容由淺入深進行設計和完善。新增加的實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容更能夠體現(xiàn)光電子、光通信、信息與通信系統(tǒng)設計和計算機應用集成綜合的專業(yè)特色。通過測距實踐教學環(huán)節(jié)的研究和改進,培養(yǎng)學生扎實的先進光電信息與通信系統(tǒng)科學理論基礎知識和較強實踐應用能力[1-3]。

1 課程體系及實驗教學內(nèi)容的改革

光電信息科學與工程專業(yè)對實踐環(huán)節(jié)的要求是：通過實踐,學生不僅要加深理解激光原理、光電子學的核心內(nèi)容,還要熟練掌握光通信系統(tǒng)和光電檢測技術中單片機控制、數(shù)字邏輯設計、電子電路硬件開發(fā)和射頻技術,最終具有較強的實際應用能力[4-5]。在實驗教學中不僅重視對學生進行基本實驗技能培訓,例如光譜儀、穩(wěn)定激光光源、激光儀表的熟練使用,光纖通信系統(tǒng)測試,SDH測試,激光有源器件、無源器件的測試,而且注重培養(yǎng)學生具有優(yōu)秀工程師的能力。在綜合創(chuàng)新性實驗環(huán)節(jié),做好光學類、電路設計類的綜合與知識融合,要求學生熟練掌握光電處理電路相關知識,為深入研究學習和承擔專業(yè)技術工作打下良好的知識基礎。

為了達到綜合性和創(chuàng)新性實驗教學目標,筆者利用測距原理設計了3個實驗項目,分別在大二和大三完成。學生通過工程設計測距系統(tǒng),通過搭建硬件電路,完成單片機控制。這3個環(huán)節(jié)具體的實驗要求是：

(1) 大二年級第二學期完成超聲波測距電路設計,利用超聲波傳感器搭建超聲波發(fā)射和接收放大電路,選用合適的單片機,完成超聲波測距工作電路；

(2) 大三年級第二學期完成半導體激光器脈沖測距的設計,學校提供半導體激光器件,通過設計激光內(nèi)調(diào)制電路、自動功率控制電路和激光電流源電路,學習如何選擇光電二極管、單片機或者FPGA信號處理單元,最后完成激光脈沖測距；

(3) 大三第二學期專業(yè)實驗的提高部分可以選修激光相位測距系統(tǒng)設計實驗,要求學生繪制原理圖、制作印刷電路板圖,實驗要達到一定的測距精度,撰寫實驗總結(jié)報告。

通過這部分知識的綜合,學生更容易加深各個課程的聯(lián)系,彌合不同學科知識體系的縫隙,掌握如何將不同課程所學知識相互滲透與融合,提高綜合多門學科知識的能力。

2 超聲波測距實驗的改進

超聲波測距是一種典型的非接觸式測量方法,具有易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點,在車輛倒車提醒等很多場合得到應用。超聲波測距實驗原理相對比較簡單(見圖1),是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知,測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間,根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。

圖1 超聲波測距實驗原理

測距儀由超聲波發(fā)射探頭發(fā)射脈沖信號,脈沖信號的返回信號由超聲波接收探頭接收后經(jīng)放大檢波。從發(fā)射脈沖信號到接收到返回信號的時間差為Δt,就能利用S=(V0·Δt)/2計算得到相應的距離。

在軟件部分,學生主要完成測距的初始化、超聲波的發(fā)射和接收、時間的讀取,通過計算得到測距結(jié)果,測距結(jié)果用數(shù)碼管顯示。主要軟件設計流程如圖2所示。

圖2 超聲波測距的軟件設計流程圖

當學生學習完電子電路等專業(yè)基礎課后,進行該超聲波測距實驗,可以讓學生很好地掌握測距的原理和基本電路設計方法,培養(yǎng)學生對單片機的使用和軟件編程能力。

3 激光脈沖測距的實驗案例

學生完成超聲波測距實驗后,對電路設計和軟件編程有了一定基礎。在大三學習光纖通信系統(tǒng)、激光原理和光電子學等課程后,學生通過激光脈沖測距系統(tǒng)的設計,可以掌握激光調(diào)制電路、接收電路、電流源電路的設計方法,最終完成一套脈沖激光測距系統(tǒng)搭建和調(diào)試。學生設計的激光脈沖測距實驗系統(tǒng)原理如圖3所示[6-7]。

圖3 激光脈沖測距實驗系統(tǒng)原理

激光脈沖測距系統(tǒng)的原理與超聲波測距原理相似,但是測量精度大大增加[8-9]。激光發(fā)射探頭發(fā)出一束短而強的激光脈沖,光脈沖遇到障礙物后一部分激光被反射回來并被激光接收探頭接收。設目標距離為D,激光脈沖往返的時間為t,激光在空氣中傳播的速度為c,則測距公式為D=(c·t) /2 。光脈沖往返的時間差主要是利用時鐘晶體振蕩器和脈沖計數(shù)器來測定的。如圖4(a)所示,用一個晶體振蕩器產(chǎn)生固定頻率的電脈沖振蕩來填充高電平的時間,利用脈沖計數(shù)器來對晶振產(chǎn)生的電脈沖進行計數(shù)。假設晶振產(chǎn)生的脈沖周期為,Δt,計數(shù)器計算的脈沖個數(shù)為N,則激光脈沖往返時間,t=N·Δt,如圖4(b)所示。

圖4 光脈沖往返時間差測定原理

激光脈沖測距和超聲波測距原理雖然相似,但是實驗的設計包括半導體激光器外圍電路的設計,設計難度和復雜度都大大增加,通過激光脈沖測距設計,非常有益于學生對半導體激光器工作特性的掌握。

4 激光相位測距

在大四專業(yè)實驗教學環(huán)節(jié),所增加的激光相位測距設計實驗更加突出了光電信息科學與工程專業(yè)實踐環(huán)節(jié)的綜合性。作為本科綜合創(chuàng)新性實驗的最后一部分,激光相位測距實驗的激光電路設計與實現(xiàn)的難度都有較大增加。激光相位測距參考方案設計原理如圖5所示[10-12]。

圖5 激光相位測距參考方案設計原理

設相位差測距儀與待測定點之間的距離為D,由測距儀發(fā)射調(diào)制激光束,射向目標后被反射回接收系統(tǒng)。調(diào)制波回到收發(fā)點的相位比出發(fā)時延遲了φ角,只需要測出光信號經(jīng)過2D距離傳輸后的相位移Δφ,即可測得距離D。采用間接測尺和差頻測相技術,所設計實驗裝置如圖6所示。

圖6 激光相位測距總體框圖

主振信號分為兩支：一支經(jīng)過激光調(diào)制發(fā)射電路調(diào)制到激光光束中,發(fā)射出去以后被障礙物反射回來,再由光電轉(zhuǎn)換器件APD轉(zhuǎn)換成電信號,此信號與一支本振信號混頻后,經(jīng)放大和濾波后得到測量信號；另外一支主振信號與本振信號進行混頻,經(jīng)低通濾波器后得到參考信號。測量信號和參考信號進入ARM自帶的外設ADC進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,得到測量信號和參考信號的數(shù)字量。對采集到的數(shù)字量進行FFT變換,得到參考信號和測量信號之間的相位差。通過對相位差進行進一步的計算,最后就可以得到相位測距儀到被測物體的距離。

激光相位測距實驗系統(tǒng)的設計過程更加復雜,但是得到了非常高的測距精度。實踐表明,在激光測距創(chuàng)新性實驗的設計結(jié)束后,學生參與設計的主動性和積極性有了很大提高。要在規(guī)定時間內(nèi)完成相位測距實驗,在電路調(diào)試方面有一定難度,但對于喜歡挑戰(zhàn)和有一定鉆研能力學生是非常好的鍛煉機會。

5 結(jié)語

測距實驗系統(tǒng)是培養(yǎng)學生綜合能力的實驗項目。超聲波測距實驗、激光脈沖測距實驗和激光相位測距實驗循序漸進地提高學生對于專業(yè)知識的綜合運用能力和解決實際工程問題的能力,鞏固和加深學生所學的專業(yè)理論知識。通過改進光電信息科學與工程專業(yè)實踐、實驗方法,增設綜合性實驗,改革和優(yōu)化實驗教學體系,促進了實驗教學水平的提高,有益于學生對于光電信息處理、光通信系統(tǒng)、光電檢測知識體系的把握,為深入學習打下堅實的基礎。