激光測距機的設計

劉鑫　鄭明杰

摘 要：該文主要介紹激光測距機的系統(tǒng)控制單元，系統(tǒng)發(fā)射單元設計，發(fā)射單元原理，系統(tǒng)接收單元原理等設計。

關鍵詞：激光測距機 原理 系統(tǒng)設計

中圖分類號：TN249 文獻標識碼： A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0066-01

1 總體介紹

首先，系統(tǒng)初始化，當將焦距調(diào)節(jié)到待測目標后，由系統(tǒng)的處理器發(fā)出控制信號到觸發(fā)電路，發(fā)出激光脈沖，同時計數(shù)單元開始計數(shù)，同時開中斷，等待返回的激光脈沖信號。當接收到信號后，關中斷，同時將計數(shù)單元的數(shù)據(jù)傳送給處理器進行處理，并將結果顯示出來。

2 系統(tǒng)控制單元

為了提高系統(tǒng)的測量精度，就需要系統(tǒng)能夠進行高速測量和數(shù)據(jù)采集，在本系統(tǒng)中，我們選擇的是ARM7TDM1的ADUC7026ARM7控制板。其上集成有16/32位MCU和一個多通道模數(shù)轉換器以及Flash/EE。芯片上有自鎖相環(huán)和帶振蕩器，能夠產(chǎn)生 MHZ的時鐘。并且處理器還可以通過編程的方法得到想要的工作頻率。片上的MCU型號為ARM7TDMI，處理速度能夠達到 MIPS，片上自帶 KB的Flash存儲器和 KB的SRAM。

3 系統(tǒng)發(fā)射單元設計

3.1 發(fā)射單元原理

系統(tǒng)的發(fā)射單元主要是由驅動電路和激光發(fā)射機組成。當系統(tǒng)發(fā)出發(fā)射指令后，經(jīng)由驅動電路驅動激光發(fā)射器，向目標發(fā)射激光。其中，主要設計部分是驅動電路部分。在驅動電路部分，要求電源能夠在低負載上產(chǎn)生瞬時電流脈沖，以便于控制激光二極管的發(fā)射功率。同時，又要求其能夠產(chǎn)生幅度足夠大的脈沖電壓。在滿足以上兩點的基礎上要加設一個對激光二極管的過流與最大反沖電壓的保護部分。故發(fā)射單元的驅動部分主要包括電源、時基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。

3.2 系統(tǒng)的脈寬整形調(diào)節(jié)單元

由激光二極管的的特性可知，激光二極管的發(fā)射功率與電流的大小和工作溫度有關。若想使得激光器發(fā)射恒定功率的激光，就需要對溫度與電流的大小進行控制。這就需要在系統(tǒng)中設計溫度補償電路與電流反饋電路。這不僅增加了成本，而且使得電路復雜。我們選擇脈沖電流觸發(fā)的方法，成功的避免了上述的問題，同時能夠滿足系統(tǒng)精度的要求。

3.3 系統(tǒng)的驅動電路單元

系統(tǒng)的驅動電路包括電源單元、時基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。我所選擇的半導體激光器是PGEW1S09。

當窄脈沖產(chǎn)生后，由于其電流和功率較小，需要經(jīng)過功率放大電路來對其放大，從而能夠驅動激光器發(fā)射激光。為了提高系統(tǒng)可靠性，應選用集成電路來作為驅動部分。我所選擇的驅動器是由MICREL公司生產(chǎn)的型號為MIC4452的一款高效率的驅動芯片。

4 系統(tǒng)接收單元設計

4.1 系統(tǒng)接收單元原理

接收單元模塊主要由光電轉換器、前置放大器電路、主放大器電路和電壓比較電路等組成。其中光電轉換器的作用就是將已經(jīng)接收到的脈沖信號轉換為電信號，并且對檢測信號進行處理的裝置。由于發(fā)射單元發(fā)射的激光脈沖信號在發(fā)射源與待測物間來回往返的進程中，由于空氣折射率的變化、其他噪聲信號的干擾，就會嚴重影響信號的強度，使其變得很微小，所以為了保證測距精度的要求，就需前置放大器對其進行放大。另外對于所測距離的遠近和反射回來的激光信號的強弱的關系，還需考慮將發(fā)射器的發(fā)射信號控制在一定幅度范圍內(nèi)，從而擴展了測量范圍的大小，進而減少了誤差，提高了精度。

4.2 光電探測器件選擇

準確及時的接收到反射回來的脈沖信號，是測距系統(tǒng)性能精確的重要保障，但是我們知道反射回來的脈沖信號比較微弱，而環(huán)境中又存在這各種噪聲，這些噪聲干擾對反射脈沖信號的接收能力提出了很高的要求，在我們器件選擇上就需要有所體現(xiàn)。而對于光電二極管的選擇，我們對其的要求就是其對發(fā)射單元發(fā)射出的光源波長范圍內(nèi)的具有較高的響應度，而且具有充足的帶寬來處理所接收到的數(shù)據(jù)。

PIN型光電二極管和雪崩光電二極管是以半導體PN結光電二極管為基礎發(fā)展的。半導體PN結主要由P型和N型半導體材料形成的PN結構成，其具有體積小、重量輕、靈敏度高、響應速度快等特點。

雪崩（APD）光電二極管和PIN型二極管都是光電轉換器件，二者都可以在特定的工作場合完成光電任務。然后二者又有很大的區(qū)別，PIN型光電二極管每吸收一個光子，它最多產(chǎn)生一個“電子-空穴”，所以它自身沒有增益。而崩光電二極管在入射光照射下一個光子產(chǎn)生的那一對電子-空穴在外加電場的作用下加速及碰撞過程中會產(chǎn)生多對電子-空穴，其自身帶有增益。APD轉換器與PIN轉換器相比較，具有載流子倍增效應、探測靈敏度高的優(yōu)點，而且其更適合用于遠程測距，在本系統(tǒng)中即為遠距測距，所以我們在此選用APD光電二極管作為探測器。

4.3 前置放大器

前置放大器的選擇，我們主要考慮其噪聲影響和帶寬指標，而低噪聲與高帶寬的前置放大器選擇是我們所必須兼顧的。從前面的雪崩光電二極管轉換過來的電信號經(jīng)此放大器放大后，從而轉換為我們需要的信號，也就是下一級所需要的信號，容易精確測量的信號。

通常為了減小前置放大器發(fā)噪聲，往往會采用增加輸入電阻的方式。然而較大的輸入阻抗會限制帶寬，這樣就需要對高阻抗放大器的頻率進行補償。然而帶有時間游動補償和外殼恒溫控制點雪崩光電二極管，不會受到波信號的變化而引起的測距偏差的問題，使其具有了更大動態(tài)范圍的應用效果。

參考文獻

[1] 彭孝祥，張興敢.一種改進的脈沖式激光測距儀的設計[J].電子測量技術，2008（6）.

[2] 曹海源.基于ARM7的激光測距機電路檢測儀的設計[J].微計算機信息，2007（26）.endprint

摘 要：該文主要介紹激光測距機的系統(tǒng)控制單元，系統(tǒng)發(fā)射單元設計，發(fā)射單元原理，系統(tǒng)接收單元原理等設計。

關鍵詞：激光測距機 原理 系統(tǒng)設計

中圖分類號：TN249 文獻標識碼： A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0066-01

1 總體介紹

首先，系統(tǒng)初始化，當將焦距調(diào)節(jié)到待測目標后，由系統(tǒng)的處理器發(fā)出控制信號到觸發(fā)電路，發(fā)出激光脈沖，同時計數(shù)單元開始計數(shù)，同時開中斷，等待返回的激光脈沖信號。當接收到信號后，關中斷，同時將計數(shù)單元的數(shù)據(jù)傳送給處理器進行處理，并將結果顯示出來。

2 系統(tǒng)控制單元

為了提高系統(tǒng)的測量精度，就需要系統(tǒng)能夠進行高速測量和數(shù)據(jù)采集，在本系統(tǒng)中，我們選擇的是ARM7TDM1的ADUC7026ARM7控制板。其上集成有16/32位MCU和一個多通道模數(shù)轉換器以及Flash/EE。芯片上有自鎖相環(huán)和帶振蕩器，能夠產(chǎn)生 MHZ的時鐘。并且處理器還可以通過編程的方法得到想要的工作頻率。片上的MCU型號為ARM7TDMI，處理速度能夠達到 MIPS，片上自帶 KB的Flash存儲器和 KB的SRAM。

3 系統(tǒng)發(fā)射單元設計

3.1 發(fā)射單元原理

系統(tǒng)的發(fā)射單元主要是由驅動電路和激光發(fā)射機組成。當系統(tǒng)發(fā)出發(fā)射指令后，經(jīng)由驅動電路驅動激光發(fā)射器，向目標發(fā)射激光。其中，主要設計部分是驅動電路部分。在驅動電路部分，要求電源能夠在低負載上產(chǎn)生瞬時電流脈沖，以便于控制激光二極管的發(fā)射功率。同時，又要求其能夠產(chǎn)生幅度足夠大的脈沖電壓。在滿足以上兩點的基礎上要加設一個對激光二極管的過流與最大反沖電壓的保護部分。故發(fā)射單元的驅動部分主要包括電源、時基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。

3.2 系統(tǒng)的脈寬整形調(diào)節(jié)單元

由激光二極管的的特性可知，激光二極管的發(fā)射功率與電流的大小和工作溫度有關。若想使得激光器發(fā)射恒定功率的激光，就需要對溫度與電流的大小進行控制。這就需要在系統(tǒng)中設計溫度補償電路與電流反饋電路。這不僅增加了成本，而且使得電路復雜。我們選擇脈沖電流觸發(fā)的方法，成功的避免了上述的問題，同時能夠滿足系統(tǒng)精度的要求。

3.3 系統(tǒng)的驅動電路單元

系統(tǒng)的驅動電路包括電源單元、時基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。我所選擇的半導體激光器是PGEW1S09。

當窄脈沖產(chǎn)生后，由于其電流和功率較小，需要經(jīng)過功率放大電路來對其放大，從而能夠驅動激光器發(fā)射激光。為了提高系統(tǒng)可靠性，應選用集成電路來作為驅動部分。我所選擇的驅動器是由MICREL公司生產(chǎn)的型號為MIC4452的一款高效率的驅動芯片。

4 系統(tǒng)接收單元設計

4.1 系統(tǒng)接收單元原理

接收單元模塊主要由光電轉換器、前置放大器電路、主放大器電路和電壓比較電路等組成。其中光電轉換器的作用就是將已經(jīng)接收到的脈沖信號轉換為電信號，并且對檢測信號進行處理的裝置。由于發(fā)射單元發(fā)射的激光脈沖信號在發(fā)射源與待測物間來回往返的進程中，由于空氣折射率的變化、其他噪聲信號的干擾，就會嚴重影響信號的強度，使其變得很微小，所以為了保證測距精度的要求，就需前置放大器對其進行放大。另外對于所測距離的遠近和反射回來的激光信號的強弱的關系，還需考慮將發(fā)射器的發(fā)射信號控制在一定幅度范圍內(nèi)，從而擴展了測量范圍的大小，進而減少了誤差，提高了精度。

4.2 光電探測器件選擇

準確及時的接收到反射回來的脈沖信號，是測距系統(tǒng)性能精確的重要保障，但是我們知道反射回來的脈沖信號比較微弱，而環(huán)境中又存在這各種噪聲，這些噪聲干擾對反射脈沖信號的接收能力提出了很高的要求，在我們器件選擇上就需要有所體現(xiàn)。而對于光電二極管的選擇，我們對其的要求就是其對發(fā)射單元發(fā)射出的光源波長范圍內(nèi)的具有較高的響應度，而且具有充足的帶寬來處理所接收到的數(shù)據(jù)。

PIN型光電二極管和雪崩光電二極管是以半導體PN結光電二極管為基礎發(fā)展的。半導體PN結主要由P型和N型半導體材料形成的PN結構成，其具有體積小、重量輕、靈敏度高、響應速度快等特點。

雪崩（APD）光電二極管和PIN型二極管都是光電轉換器件，二者都可以在特定的工作場合完成光電任務。然后二者又有很大的區(qū)別，PIN型光電二極管每吸收一個光子，它最多產(chǎn)生一個“電子-空穴”，所以它自身沒有增益。而崩光電二極管在入射光照射下一個光子產(chǎn)生的那一對電子-空穴在外加電場的作用下加速及碰撞過程中會產(chǎn)生多對電子-空穴，其自身帶有增益。APD轉換器與PIN轉換器相比較，具有載流子倍增效應、探測靈敏度高的優(yōu)點，而且其更適合用于遠程測距，在本系統(tǒng)中即為遠距測距，所以我們在此選用APD光電二極管作為探測器。

4.3 前置放大器

前置放大器的選擇，我們主要考慮其噪聲影響和帶寬指標，而低噪聲與高帶寬的前置放大器選擇是我們所必須兼顧的。從前面的雪崩光電二極管轉換過來的電信號經(jīng)此放大器放大后，從而轉換為我們需要的信號，也就是下一級所需要的信號，容易精確測量的信號。

通常為了減小前置放大器發(fā)噪聲，往往會采用增加輸入電阻的方式。然而較大的輸入阻抗會限制帶寬，這樣就需要對高阻抗放大器的頻率進行補償。然而帶有時間游動補償和外殼恒溫控制點雪崩光電二極管，不會受到波信號的變化而引起的測距偏差的問題，使其具有了更大動態(tài)范圍的應用效果。

參考文獻

[1] 彭孝祥，張興敢.一種改進的脈沖式激光測距儀的設計[J].電子測量技術，2008（6）.

[2] 曹海源.基于ARM7的激光測距機電路檢測儀的設計[J].微計算機信息，2007（26）.endprint

摘 要：該文主要介紹激光測距機的系統(tǒng)控制單元，系統(tǒng)發(fā)射單元設計，發(fā)射單元原理，系統(tǒng)接收單元原理等設計。

關鍵詞：激光測距機 原理 系統(tǒng)設計

中圖分類號：TN249 文獻標識碼： A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0066-01

1 總體介紹

首先，系統(tǒng)初始化，當將焦距調(diào)節(jié)到待測目標后，由系統(tǒng)的處理器發(fā)出控制信號到觸發(fā)電路，發(fā)出激光脈沖，同時計數(shù)單元開始計數(shù)，同時開中斷，等待返回的激光脈沖信號。當接收到信號后，關中斷，同時將計數(shù)單元的數(shù)據(jù)傳送給處理器進行處理，并將結果顯示出來。

2 系統(tǒng)控制單元

為了提高系統(tǒng)的測量精度，就需要系統(tǒng)能夠進行高速測量和數(shù)據(jù)采集，在本系統(tǒng)中，我們選擇的是ARM7TDM1的ADUC7026ARM7控制板。其上集成有16/32位MCU和一個多通道模數(shù)轉換器以及Flash/EE。芯片上有自鎖相環(huán)和帶振蕩器，能夠產(chǎn)生 MHZ的時鐘。并且處理器還可以通過編程的方法得到想要的工作頻率。片上的MCU型號為ARM7TDMI，處理速度能夠達到 MIPS，片上自帶 KB的Flash存儲器和 KB的SRAM。

3 系統(tǒng)發(fā)射單元設計

3.1 發(fā)射單元原理

系統(tǒng)的發(fā)射單元主要是由驅動電路和激光發(fā)射機組成。當系統(tǒng)發(fā)出發(fā)射指令后，經(jīng)由驅動電路驅動激光發(fā)射器，向目標發(fā)射激光。其中，主要設計部分是驅動電路部分。在驅動電路部分，要求電源能夠在低負載上產(chǎn)生瞬時電流脈沖，以便于控制激光二極管的發(fā)射功率。同時，又要求其能夠產(chǎn)生幅度足夠大的脈沖電壓。在滿足以上兩點的基礎上要加設一個對激光二極管的過流與最大反沖電壓的保護部分。故發(fā)射單元的驅動部分主要包括電源、時基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。

3.2 系統(tǒng)的脈寬整形調(diào)節(jié)單元

由激光二極管的的特性可知，激光二極管的發(fā)射功率與電流的大小和工作溫度有關。若想使得激光器發(fā)射恒定功率的激光，就需要對溫度與電流的大小進行控制。這就需要在系統(tǒng)中設計溫度補償電路與電流反饋電路。這不僅增加了成本，而且使得電路復雜。我們選擇脈沖電流觸發(fā)的方法，成功的避免了上述的問題，同時能夠滿足系統(tǒng)精度的要求。

3.3 系統(tǒng)的驅動電路單元

系統(tǒng)的驅動電路包括電源單元、時基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。我所選擇的半導體激光器是PGEW1S09。

當窄脈沖產(chǎn)生后，由于其電流和功率較小，需要經(jīng)過功率放大電路來對其放大，從而能夠驅動激光器發(fā)射激光。為了提高系統(tǒng)可靠性，應選用集成電路來作為驅動部分。我所選擇的驅動器是由MICREL公司生產(chǎn)的型號為MIC4452的一款高效率的驅動芯片。

4 系統(tǒng)接收單元設計

4.1 系統(tǒng)接收單元原理

接收單元模塊主要由光電轉換器、前置放大器電路、主放大器電路和電壓比較電路等組成。其中光電轉換器的作用就是將已經(jīng)接收到的脈沖信號轉換為電信號，并且對檢測信號進行處理的裝置。由于發(fā)射單元發(fā)射的激光脈沖信號在發(fā)射源與待測物間來回往返的進程中，由于空氣折射率的變化、其他噪聲信號的干擾，就會嚴重影響信號的強度，使其變得很微小，所以為了保證測距精度的要求，就需前置放大器對其進行放大。另外對于所測距離的遠近和反射回來的激光信號的強弱的關系，還需考慮將發(fā)射器的發(fā)射信號控制在一定幅度范圍內(nèi)，從而擴展了測量范圍的大小，進而減少了誤差，提高了精度。

4.2 光電探測器件選擇

準確及時的接收到反射回來的脈沖信號，是測距系統(tǒng)性能精確的重要保障，但是我們知道反射回來的脈沖信號比較微弱，而環(huán)境中又存在這各種噪聲，這些噪聲干擾對反射脈沖信號的接收能力提出了很高的要求，在我們器件選擇上就需要有所體現(xiàn)。而對于光電二極管的選擇，我們對其的要求就是其對發(fā)射單元發(fā)射出的光源波長范圍內(nèi)的具有較高的響應度，而且具有充足的帶寬來處理所接收到的數(shù)據(jù)。

PIN型光電二極管和雪崩光電二極管是以半導體PN結光電二極管為基礎發(fā)展的。半導體PN結主要由P型和N型半導體材料形成的PN結構成，其具有體積小、重量輕、靈敏度高、響應速度快等特點。

雪崩（APD）光電二極管和PIN型二極管都是光電轉換器件，二者都可以在特定的工作場合完成光電任務。然后二者又有很大的區(qū)別，PIN型光電二極管每吸收一個光子，它最多產(chǎn)生一個“電子-空穴”，所以它自身沒有增益。而崩光電二極管在入射光照射下一個光子產(chǎn)生的那一對電子-空穴在外加電場的作用下加速及碰撞過程中會產(chǎn)生多對電子-空穴，其自身帶有增益。APD轉換器與PIN轉換器相比較，具有載流子倍增效應、探測靈敏度高的優(yōu)點，而且其更適合用于遠程測距，在本系統(tǒng)中即為遠距測距，所以我們在此選用APD光電二極管作為探測器。

4.3 前置放大器

前置放大器的選擇，我們主要考慮其噪聲影響和帶寬指標，而低噪聲與高帶寬的前置放大器選擇是我們所必須兼顧的。從前面的雪崩光電二極管轉換過來的電信號經(jīng)此放大器放大后，從而轉換為我們需要的信號，也就是下一級所需要的信號，容易精確測量的信號。

通常為了減小前置放大器發(fā)噪聲，往往會采用增加輸入電阻的方式。然而較大的輸入阻抗會限制帶寬，這樣就需要對高阻抗放大器的頻率進行補償。然而帶有時間游動補償和外殼恒溫控制點雪崩光電二極管，不會受到波信號的變化而引起的測距偏差的問題，使其具有了更大動態(tài)范圍的應用效果。

參考文獻

[1] 彭孝祥，張興敢.一種改進的脈沖式激光測距儀的設計[J].電子測量技術，2008（6）.

[2] 曹海源.基于ARM7的激光測距機電路檢測儀的設計[J].微計算機信息，2007（26）.endprint