计算机辅助激光测距与探测系统
计算机辅助激光测距与探测系统
一、引 言
到目前为止所报导的大多数激光雷达都很昂贵、体积大,在使用和维修上也很复杂。本文报导的这种成本低廉的激光测距与探测系统.利用一种半导体激光二极管发射机和一台小型计算机来控制。利用半导体激光二极管代替Nd:YAG 激光器,结果改进了光发射效率、电子控制兼容性和缩小了系统的尺寸 一种高灵敏度的PIN 二极管接收机可接收从目标反射来的激光脉冲并直接提供数字输出 用电子学方法测出激光脉冲行程经过时间,并用一台IBM—AT兼容的小型计算机,可实现所需的计算并显示出目标的距离、速度和位置。系统能跟踪距发射机50m 以外的直视距离的目标。
二、硬件结构
系统由以下几个分系统组成:
(1)发射机和调制器电路
(2)接收机和计算机模块
(3)跟踪机构和跟踪控制模块
(4)IBM(AT)计算机与上述电路相连的接口电路
(5)收、发机光学装置, 和探测系统方榧图
(6)跟踪机构的机械硬件
(一) 发射机电路
这个电路的功能是通过一个半导体激光二极管引发出大约60A的电流,将两个n一淘道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)并联 再与激光二极管串联起来,通过激光二极管的峰值电流可调整其中一个MOSFET管的门激励电压加以控制。激光二极管以6.25kHz的频率连续发出脉冲,并调整脉冲的占空周期获得最大峰值功率而不损伤二极管
(二) 接收机和计算器模块
接收机接收到从目标反射来的激光脉冲并直接提供数字输出。接收机实际上是由一个作为光收集孔径的望远镜、一个带有放大器的光电二极管和某些信号处理电路组成。本研制中采用摩托罗拉公司的MFOD2405集成探测器前置放大器(IDP)。这种前置放大器由PIN二极管探测器和具有差分输出级的集成双极跨阻放大器组成。IDP输出经进一步放大,获得ECL兼容的电压电平。
该计算器模块有一个ECL计算器,由100MHz晶体振荡器激发,能确定发射和接收激光脉冲之间的时间间隔。计算器在每一次发射器发射脉冲后都 复原 来自接收机的冻结 信号都是有效的,一旦探测到从目标反射来的信号,就使计数进入l6比特闸门。
(三)跟踪机构
利用锥形扫描技术探测和跟踪目标 用这种方法,将光束弯曲和旋转,不到25ms,就形成一个完整的锥形激光束。为此目的所用的原理和硬件示于图2。两个精密刻槽棱镜跨过聚四氟乙稀齿轮装在一块金属板上并由直流电机转动,利用这两块棱镜将光束弯曲,分别生成l5。或30。的半锥角。跟踪硬件移动锥形光束,以连续捕获目标 利用一组执行机构选择具体棱镜并使之与激光束的主轴对准,利用步进电机使平板倾斜,因而棱镜使光束弯曲。通过倾斜和旋转相结台,便可实现锥形扫描。、为了取得快速的系统响应,应将步进电机的力矩减至最小 、跟踪控制电路由锁相环路(PLL)直流电机速度控制电路、电缆、编码电路、致动器/继电驱动器和脉冲抑制器组成。探测时的目标位置可根据光束旋转角度大小计算出来, 光束旋转速度用PLL电机控制电路调整,转速由目标速度占空周期确定。
用IBM (AT)兼容小型计算机完成必需的计算,并显示距离, 目标位置,还可为步进电机产生控制信号作新的对准。接IZl模块设计成能使计数和有关的数据输送到中央处理机(CPU)进行计算.和产生控制信号。小型计算机也可估算出目标的可能飞行方向和控制跟踪硬件机构 一旦发现目标.就连续监视,并与其他参数一起在计算机屏幕上显示出来。在探测到目标后和在连续跟踪期间,计算机可提供一种输出信号,用以控制外部设备。
三、软件的研制
用于各个分系统的以及参数计算的软件,已用Turbo Pascal 可编程序语言编写出来。程序是用模数形式编写的,必要时可提供方便的修正。软件编制的整个流程图如。编写软件时的主要问题包括:用户友好、效率和精确度 软件的汇编要使它无论是在任一IBM 或可兼容小型计算机系统上用标准的DOS工作,并要求在系统预置前有一个口令通道。软件包括: 自动、人工、参数设置和退出方式 自动方式显示了一个三色(图中没有示出J弧光表明跟踪装置在工作 一旦探测到目标,距离、速度和球面坐标的位置就会在屏幕上显示出来。另外,软件可使系统连续跟踪目标并显示出经校正过的数据。当日标在扫描区以外时,系统就复原并重新出现三色弧光。然后,系统做好下一次探测的准备并继续执行程序,直到接收到适宜指令退出自动模式为止 在人工方式中,都能完成各种分系统,如发射机.接收机、致动器、锥轴对准和电机速度控制硬件的测试。用人工方式,在任一瞬问也能确定和显示出距离 参数设置方式允许改变系统参数,包括:步进电机分辨率、直流电机速度/基频和计算频率。退出方式将使变换程序输^到DOS。跟踪硬件的试验模式和本研究用的微机一起示出。
四、结 论
显然,这种灵活而用户友好系统应用广泛。结果表明了半导体激光二极管在测距方面的应用潜力,还表明激光测距系统性能良好、造价低廉。系统的能力还表明,小型计算机不用主机/小型计算机或基于诙系统研制复台微机,就能完成更多的计算工作 系统稍加改进,借助适宜的接口,如RS-232和/或IEEE-488,能与其他仪器连接,而且也能提供合适的控制信号驱动其他相关系统。
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