基于合作目标的高重频人眼安全激光测距仪
基于合作目标的高重频人眼安全激光测距仪
作者:刘全强;高彦伟;林承飞;
人眼安全激光测距仪能够准确、迅速地获知目标距离信息,具有测距精度高、抗干扰能力强、作用距离远、测距方便和人眼安全等优势。因此,人眼安全激光测距仪已经广泛应用于光电侦察、光电取证和光电跟踪等设备中。
测距仪的最大作用距离取决于大气环境(大气能见度、大气衰减系数)、目标特性(目标反射系数)和测距仪自身特性(峰值功率、发散角和探测器灵敏度。本文从目标特性入手来提高人眼安全激光测距仪的测距能力,即在被测目标上设置一个角反射器来提高目标表面对激光的反射率,即合作目标,从而提高测距仪的作用距离。其中合作目标是由3个相互垂直的反射面和1个入(出)射面构成的四面体锥状棱镜,具有空间定向反射的特性。同时,在航空等领域,需要获取高速、远程目标的信息,而目前测距仪不能同时满足设备对测距重频和测距能力的要求。因此,需要在合作目标技术的基础上,研制一款重频达30Hz、最大作用距离≥20km的人眼安全激光测距仪。
2工作原理
激光测距仪由光学系统、激光器、驱动电路、接收电路、信号处理电路、系统电源电路和对外数据接口电路等构成。信号处理电路通过对外数据接口电路接收上位机发送的测距命令后,向驱动电路发送控制信号。驱动电路接收到控制信号后向激光器注入电脉冲信号。激光器输出的脉冲激光经发射光学系统后射向被探测目标,同时接收电路采集到主波后经过整形送信号处理电路。由目标反射回来的激光信号经接收光学系统会聚到接收电路后,进行放大整形后送信号处理电路。信号处理器接收主波和回波后来实现数据采样、计数和计算等功能。信号处理电路在完成数据处理后,将距离信息上传给上位机,如此完成一个测距过程。
测距仪中的激光器的工作波长为1545nm±10nm,为人眼安全激光器,其峰值功率可达10kW,最高重频超过80Hz。激光器驱动电路由压控恒流源电路和温度控制电路组成,恒流源电路采用深度负反馈技术,为激光二极管提供所需要的驱动电流。同时,温度控制电路是实现对激光器模块不同设定温度的稳定控制,防止激光器因温度过高而出现的能量下降和泵浦激光波长漂移等问题。
3电路设计
3.1系统供电电源电路
系统电源电路的功能是为测距仪的驱动电路、接收电路和信号处理提供直流电源输出,主要由EMI滤波电路、DC/DC转换电路、隔离电路和滤波电路等组成。EMI滤波器是由串联电抗器和并联电容组成的低通滤波器,其主要用来处理电磁干扰。DC/DC转换电路主要采用buck电路的拓扑结构,将24V的直流电源转换成+6V、-6V、+5V和12V等四种低压电源。隔离电路采用变压器隔离方式,使电源电路输出的电压相互隔离,降低了各路输出电压的相互干扰。滤波电路部分由差模干扰滤波电路和共模干扰滤波电路构成,经滤波电路处理后,输出电压的纹波峰-峰值均达到50mV以下。
3.2接收电路
接收电路由PIN采样电路、主波整形电路、时控增益电路、APD回波探测电路、宽带放大电路、阈值整形电路、恒虚警控制电路、温度补偿电路和偏压产生电路等构成。测距仪发射激光后,将采样到的模拟主波信号进行整形处理,处理后的信号一路作为主波输出给信号处理电路,另一路触发接收电路模块中的时控增益电路,使宽带放大电路保持1μs的低增益状态后恢复到最大增益状态。APD回波探测电路将探测到的激光回波信号转换为电信号,经过放大、整形处理后,一路通过恒虚警控制电路控制输出给APD探测器的偏压从而控制探测器的灵敏度,另一路转换为TTL电平后输出给激光测距信号处理电路。温度补偿电路通过实时检测当前环境温度来调整探测器的偏置电压,从而使雪崩管处于最佳接收灵敏度状态。
3.3激光测距信息处理电路
激光测距信息处理电路采用FPGA+DSP的硬件架构。信息处理电路接收到数字主波信号后,FP-GA以此作为数据采集开始信号,为A/D转换芯片提供控制时序。同时,FPGA读取A/D转换的数据并将缓存在其内的FIFO内。当FIFO内所存数据量达到设计要求时,控制A/D转换芯片停止数据采集。同时,输出一个中断信号给DSP芯片,响应中断后,DSP芯片开始读取FIFO中缓存的数据。这样,完成一个激光回波数据的采集过程,重复三次数据采集过程即完成一次距离数据的采集。DSP完成滤波算法和距离解算后,将距离信息反馈给上位机。同时,DSP芯片统计回波信号的噪声幅度和噪声数量等信息来产生控制信号,从而控制接收电路的偏压。
4.光学设计
光学系统由发射光学系统和接收光学系统构成。发射光学系统的功能是对激光进行扩束后发射激光,接收光学系统的功能是将目标反射的激光会聚到光电探测器APD的接收面上,同时,通过分划线来观察目标。发射光学系统采用三片式结构,其中目镜一和目镜二均采用平凹透镜,而物镜采用平凸透镜,发射光学系统具有小尺寸、高扩束倍数的特点,压缩了发射激光的发散角。接收光学系统由接收透镜组、滤光片、小孔光阑和雪崩光电探测器构成。在系统中,光接收系统和目视光学系统共通道,利用分光棱镜组进行分光。
5.结论
所研制的高精度人眼安全激光测距仪采用自主研制的1550nm激光器,测距频率可达30Hz,测距精度可达2m(RMS),对角反射器的合作目标,最远作用距离≥20km,最小作用距离≤100m,满足了设计要求。同时,该测距仪具有工作可靠、寿命长、使用方便、体积小和重量轻的优点。在获取远程、高速目标距离信息的航空等领域,具有一定的应用价值。
本文章转自爱学术(aixueshu.com),如有侵权,请联系删除