利用回波模拟对激光测距精度检验系统的设计

王家宁,衣文索,牛卫丛,张叶浩

0 引 言

由于激光的高方向性、单色性和相干性等特性,激光技术已被广泛应用于军事和医疗等领域。国外对激光的研究可追溯到20世纪70年代,由于当时人们对激光技术的狂热,所以各种激光应用技术接踵而来,例如全息照相、激光通信、激光治疗和激光测距[1,2]等,美国的贝尔实验室和西部电子公司在90年代初利用激光进行激光通信实验,并铺设18根总长10.9 km光纤,传输速率可达44.2 Mbit/s。国内近年在激光领域的研究发展也较为迅猛,特别是军事方面的应用。由于现今世界各国的军事力量都在向信息化和智能化方面发展,利用传统手段想精确打击或探测敌方目标非常困难,所以就要用到激光测距的方法。因激光传播速率快,在空气中损耗较小,所以与传统测距方法相比,激光测距的测量距离更远、精度更高。但激光在空气中传播还是会受外部条件的影响,例如空气能见度、目标物的反射率和大气气压等都会对测量的结果造成影响从而产生误差,降低激光测距的精度。回波模拟技术[3-5]是通过对激光到目标物之间固定距离的回波信号进行模拟。由于回波模拟器利用FPGA(Field-Programmable Gate Array)的精确延时[6],相对激光测距机更加稳定可靠,可用其对激光测距机测量精度进行检验校正。笔者设计了一种利用回波模拟对激光测距精度检验系统。

1 激光测距精度检验系统

激光测距技术中应用最广泛的两种方法是相位测距法和脉冲测距法。相位激光测距是通过测量发射端激光和回波信号之间的相位差,计算测量点与目标物的距离,但测量距离较短,相位测距法需发送连续信号对激光进行调制发射并进行测量。脉冲测距方法是发射一束窄脉宽脉冲信号的激光,通过激光到目标物回波的时间计算距离,脉冲激光测距法每发出一束脉冲激光就可完成一次测量。与相位测距法相比,脉冲测距更简便,由于窄脉宽脉冲激光在空气中损耗小,传播距离更远,所以可测量的范围也更大。

由于激光在空气中传播会受外界因素的影响,空气中各种微粒都会对光进行吸收、折射或反射,当光通过微粒时会产生衰减,空气中微粒越多激光传播过程中衰减越大,所以空气的能见度对测量结果会产生影响,同时温度、大气压和目标物的反射率等都会对最后的测量结果造成影响。为对实际测量的结果进行检验和校正,设计了一款回波模拟系统,利用FPGA精确延时模拟激光测距中的回波信号以检验实际测量的结果,测量原理如图1所示。

由图2可以看出,回波模拟系统主要由3部分组成:探测接收、FPGA处理及外部功能拓展部分和回波激光的发送。在进行激光测距的同时向回波模拟系统发出一束窄脉冲激光,激光通过PIN(Positive Input Negative)进行光电转换后发送到FPGA,FPGA通过倍频进行精确延时,当延时结束后即向光驱动电路发送信号,光驱动电路驱动激光器向激光测距系统发送一束激光模拟回波信号,然后进行计算得出结果。

图1 脉冲测距法原理图Fig.1 Schematic diagram of pulse ranging method

图2 回波模拟系统Fig.2 Echo simulation system

2 FPGA高精延时及外部拓展

脉冲激光测距通过激光到目标物往返的时间和激光的速度测量距离

其中c1为光在空气中传播的速率,t为发射点到目标物往返时间。回波模拟系统是通过FPGA进行精确延时以模拟实际测量时激光到目标物往返时间,所以测量时间的精度是影响整个系统精度的关键因素。笔者使用的Cyclone系列芯片系统时钟为50 MHz,不能满足高精度延时的需求。FPGA内置的PLL(Phase Locked Loop)锁相环[7]具有相移、分频、倍频、消除时钟延时和减小时钟偏斜等特性,所以使用PLL锁相环对时钟进行倍频处理。该系统对时钟15倍频操作,得到倍频之后750 MHz的频率作为回波模拟系统的延时时钟,由f=1/T可得出最小延迟时间t约为1.33×10-9s,所以,系统精度距离d=c2t/2,其中c2为光在真空中传播的速率,得出回波模拟系统的测量精度为0.199 5 m。倍频750 Mbit仿真如图3所示。

图3 倍频750 Mbit仿真图Fig.3 750 Mbit simulation

由图3可见,周期为1.33 ns,换算为频率得750 MHz,符合倍频要求。为可实时监测外部实验环境以及直观的查看实验数据,在FPGA部分分别集成了DS18B20测温模块、ZLG7289显示模块和SP3232的串口通信模块(见图4)。

3 回波激光发射部分

激光驱动[8-10]主要由开关控制电路和电源驱动[11,12]电路构成。开关控制电路控制器件的导通和关断以产生脉冲信号对激光器调制产生脉冲激光,所以开关器件的开关速度是决定脉冲宽度的主要依据。而且随激光产业的不断发展,激光驱动电路也有巨大的发展,主要朝大功率输出、更窄的脉冲宽度、更短的上升沿和下降沿发展。现今市面上使用比较广泛的有雪崩三极管电路、快速恢复二极管电路和MOSFET晶体管电路。由于MOSFET管为电压控制器件,具有开关速度快、工作电流大[13,14]、输入阻抗高等优点,所以选择MOSFET管做为开关器件,驱动电路等效模型如图5所示。

S等效为开关器件MOSFET管[15],C、L和D分别为储能电容、寄生电感和激光器,当开关S断开时,输入的高电压通过R1对储能电容进行充电,当电容充电到一定时刻,S闭合,在回路中C进行放电产生窄脉冲大电流,半导体激光器发光。当电容C在回路中放电时

图4 FPGA集成模块实物图Fig.4 FPGA integrated module physical diagram

图5 驱动电路等效模型SFig.5 Equivalent model of driving circuit S

对两边同时微分得

其中A为电流的峰值

δ为阻尼系数

ω为角频率

阻尼系数δ越大,越容易产生窄脉冲。由式(6)可知,L越小阻尼系数越大,同时由式(5)可知,在高压输入的情况下,L越小,电流峰值越大,所以激光器的传输效果更好。

4 实验结果及分析

系统进行了同一距离和不同距离的多次测量,通过高速示波器进行数据采集,分别模拟了150 m和152 m,如图6和图7所示。

图6 150 m距离的多次测量结果Fig.6 150 meter measurement for the first time,second time and third time

图7 152 m距离的多次测量结果Fig.7 152 m measurement for the first time,second time and third time

Δt1和Δt2分别为150 m和152 m模拟的延迟时间平均值,分别为277.17 ns和278.33 ns,所以精度为

代入数据,得d1=0.174 m,系统理论最小精度d=0.2 m,误差为ΔX=0.026 m。

实测结果相对理论值存在误差可能由下列因素所致:

1)FPGA工作过程中各器件的响应时间;

2)系统中各电路工作时的延迟时间;

3)回波模拟系统由于采用不可调电源,回波模拟的模拟距离变化但光强不变;

4)激光驱动电路中的高压模块会对周围的原件产生干扰。

5 结 语

笔者通过回波模拟系统对测距机精度检验,主要应用FPGA内置锁相环高倍频进行的高精度延时和MOSFET管的开关性搭建的开关驱动电路产生窄脉冲以实现回波激光的模拟,进行多次实验后可得到该系统的空间分辨率大约为0.2 m,误差大约为0.03 m,测量标准满足实际需求。

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