基于AD500-9激光测距系统的设计
基于AD500-9激光测距系统的设计
作者:张艳香[1] 陈梦苇[2] 万小强[2]
雪崩光电二极管(APD)是一类具有量子效率高、响应速度快和线性工作范围大等优点的光电器件目前,以APD作为光电探测器件的弱光信号接收放大技术广泛应用于激光测距系统中1影响脉冲式激光测距仪系统精度的因素较多,如弱光信号处理和微小时间测量等。目前常见的弱光信号处理通常采用高速运放和电荷灵敏器件搭建电路,其电路易受偏置电源纹波影响,微小时间采用脉冲计数法、模数转换法4和现场可编程门阵列(FPGA)差分延迟线法等测量,但硬件结构复杂,易受噪声干扰,本文以905nm激光器SPLPL90-3(P<75W)为发射光源、AD500-9型APD为光电探测器件,设计激光脉冲发射电路,其峰值功率约为50W;采用低噪声高频品体管搭建弱光信号处理电路,设计基于高性能计时芯片TDC-GP2的时间测量电路,通过分析室外测距实验数据,证实该系统的距离测量精度为+0.1m
1系统硬件电路设计
脉冲式激光测距系统采用飞行时间法(TOF)实现距离测量,即利用传感器接收的反射光与发射光的时间差乘以光速可得目标距离,表达式为D=2cT其中;D表示所测距离;c为光速;T为时间差,系统硬件结构框图可见,系统由窄脉冲发射、APD偏置、弱光信号处理和时间测量电路组成,其工作原理为:由微处理器(MCU)发出触发信号作为计时起始信号并驱动激光发射模块产生窄脉冲激光;弱光处理电路格APD接收到的弱光信号进行放大,滤波后送人时间测量电路中作为计时终止信号;微处理器将测量数据用液晶显示,并通过串口发送至计算机进行数据采集和分析。
1.1窄脉冲发射电路。
选用可控硅整流器(SCR)GA301驱动激光二极管(LD)发出激光脉冲,GA301具有10ns上升滑和0.5us恢复时间,工作电流峰值为100A窄脉冲激光发射电路如图2所示用70V的直流(DC电乐对电容C进行充电。当触发信号使SCR导通时,储存在电容C上的电荷通过C-地-1D回路放电产生约30A的时大电流流经LD和R2从而使LD发出具有50ns脉宽和10ns升沿的激光脉冲,通过调整电阻R2和电容C的值,可调节激光脉冲的脉宽和峰值。
1.2APD偏置电路
由于脉冲激光经由障碍物漫反射后的回波信号微弱,因此需要通过增大反向偏置电压提高APD内部增益,低噪声APD偏置电路采用500kHz固定开关频率的DC-DC控制器MAX5028设计,电路采用多级Schottky二极管和电容级联作为电荷泵升压,由电感电容(LC)构成的x型电源滤波器将开关噪声控制在30mV以内,满足应用要求,为降低环境温度对APD的影响,提高系统稳定性,将直流偏置电压选为200V,此时APD的内部增益M=20dB
1.3弱光信号处理电路
AD500-9将接收到的激光回波信号转换为微弱脉冲电流信号,在前置放大电路中将其转换为电压信号后再进行低噪声放大处理。为同时满足高带宽增益和低噪声的要求,采用Darlineton结构的高频品体管级联对微弱脉冲电流的I/V进行转换和放大,设计中选用由微波低噪声品体管2SC4095和高频低噪声晶体管2SC5013构成的两组Darlington电路结构并直接耦合,在前置放大电路中,通过调节反馈电阻匹配输入阻抗并稳定电路1由于宽带小信号放大电路对噪声极其敏感,因此在印刷电路板(PCB)上应将电源去耦以保证信号的完整性,并添加屏蔽层以降低外界电磁干扰(EMI)和工频噪声。
1.4时间测量电路
信号经整形后送人时间测量电路中,选用MAX913构成时刻判别电路消除“地弹”噪声的影响,电路如图4所示,为保证时间测量精度,时间测量电路中采用可高精度测量时间的计时芯片TDC-GP2该芯片具有体积小、功耗低和自校准的特点。理论时间分辨率为65ps。系统选用微控制器MSP430F169驱动TDC-GP2,将可编程罗盘器件产生的标准时间信号输入边行测量,系统使用TDC-GP2的测量范围为0~1000ns在测量范围内选取14个标准时间参考点,每个参考点测量200次后取平均值,测量结果列于表可见,在0-1000ns的测量误差约头-1ns。这是由于电源纹波和可编程逻辑器件的压摆率较低所致,测量结果表明,时间测量电路在0-1000ns内具有较高的稳定性及可靠性,在优化硬件系统以降低噪声的基础上,采用软件校准的方法优化数据.用函数y=099983x+0.88342修正后的数据列于表可见,经过优化后的数据误差可控制在士0.2ns内,满足测距系统对计时电路的精度要求,该函数可对室外测距实验的时间测量数据进行修正。
2系统优化与误差分析
室外测距实验采用地面标定法,使用1mx15m的挡板作为待测目标,用50m的券尺作为参老值进行测距实验测得数据。
2.1系统优化
使用函数y=098865x+036576对数据进行修正测量值线性拟合后的结果,其中横轴表示标准距离值,纵轴表示实际距离测量值。根据计算可得线性相关系数为099998为测试系统测距误差,在不同的观测点分别测量多次后取平均,计算其平均值与参考值的误差,随着测量距离的增大,测量误差在士0.15m之间呈随机分布。
2.2误差分析
拟合函数的截距不为0。丧明系统电路存在固定延迟误差,可通过软件修正的方式减小该误差随机误差主要由时刻鉴别抖动误差、副值鉴别芯片的输出抖动课差和时间间隔测量误差组成,是影响激光测距系统性能的关键因素.随机误差决定系统的单次测距精度(3o)。
2.2.1时间间隔测量误差
由干时间测量电路的时间分辨率有限,因此会引人一个计时误差,假设激光脉冲可以相同概率发生在0~时钟周期之间,则由时间间隔引入的均方根距离误差。
2.2.2闻值鉴别
芯片的输出抖动误差脉冲信号经放大后需高速比较器将其与阈值电压比较后转化为晶休管-晶体管逻缉(TTL)电平MAX913作为高速精准TTL比较器,其输出抖动误差约为50ps。
2.2.3时刻鉴别抖动误差
时刻鉴别抖动误差由接收到的脉冲信号经放大后叠加噪声所致,在采用阈值比较方式进行时刻鉴别时,叠加在脉冲上升沿上的噪声会导致穿越比较阈值的时间变化而产生抖动。
室外测距实验的测量值标准误差分布图可知:在0-325m内,系统测量的标准误差为000698~000892m,主要表现为时间间隔测量误美和阚值鉴别芯片的输出抖动误差:在32.5-45m内,由于挡板反射的回波信号减弱,放大后未达到满幅值,导致测量的标准误差值浮动较大,主要表现为时刻鉴别抖动误差。
综上,本文设计并实现了测距范围在0-50m,精度为士0.1m、测量频率为1kHz脉冲式激光测距系统,系统中弱光信号放大电路和精密时间测量电路具有较强的可移植性,实验结果表明,该系统比传统激光测距系统有效地降低了硬件成本,测距精度更高,测量频率更快,具有一定的应用价值。
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