【正文】 右，據(jù)現(xiàn)有資料報(bào)道，要想最大測(cè)程達(dá)到或超過 250 米，脈沖 LD 的功率必須大于 10W，否則，信號(hào)將淹沒在噪聲之中而難以發(fā)現(xiàn)。由于其光學(xué)系統(tǒng)僅包含一個(gè)光源和一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，結(jié)構(gòu)極其簡單、緊湊，系統(tǒng)易準(zhǔn)直，因此倍受關(guān)注。目前經(jīng)常采用的光電探測(cè)器包括光電倍增管 PMT， PIN 光電二極管和雪崩光電二極管 APD 等。 4 2 半導(dǎo)體脈沖激光測(cè)距機(jī)的方案設(shè)計(jì) 激光測(cè)距原理概述 激光測(cè)距主要有三種方法：脈沖激光測(cè)距、相位激光測(cè)距和調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距。 1m。1 1 引 言 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 激光技術(shù)自六十年代以來，已經(jīng)進(jìn)入了許多軍事技術(shù)領(lǐng)域，提供了大量的裝備，顯著的提高了偵測(cè)、識(shí)別、導(dǎo)航、指揮、控制、通訊、訓(xùn)練和光電對(duì)抗等軍事技術(shù)，大大的加強(qiáng)了軍事打擊和防御能力，成為軍事“力量倍增器”。其中中國計(jì)量大學(xué)光電子所與國內(nèi)外合作開發(fā)了 LD 兩種型號(hào)（一種光學(xué)三分離式的；一種接收與瞄準(zhǔn)結(jié)合的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡式的）低價(jià)、省電、便攜式的激光測(cè)距機(jī)，測(cè)距能力達(dá) 1 Km，測(cè)距精度為177。分析結(jié)果用于評(píng)價(jià)電路系統(tǒng)的性能并指導(dǎo)系統(tǒng)總體和子模塊的改進(jìn)工作。激光回波脈沖是先經(jīng)接收通道的光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和前置放大后進(jìn)入時(shí)刻鑒別單元的，光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制以及接收通道引入的噪聲和帶寬限制都將影響回波脈沖波形的完整恢復(fù)。 半導(dǎo)體激光自混合干涉測(cè)距技術(shù)是調(diào)頻激光測(cè)距的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，它是利用被測(cè)物體形成的反饋光對(duì)線性調(diào)頻 LD 光源輸出光功率的調(diào)制特性，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)距離測(cè)量。 ≤ 5瓦 10KHz 半導(dǎo)體脈沖激光測(cè)距機(jī)的測(cè)程及精度可行性論證 本設(shè)計(jì)主要考慮的是最大測(cè)程、 測(cè)距精度 以及最大功耗 ，至于抗過載能力，我們暫且不考慮。 米，也就是誤差在177。實(shí)現(xiàn)框圖如圖 所示。； ■ 低供電電壓（小于 15V），典型工作電壓為 9V； ■ 最大峰值功率 12W 我們之所以采用這個(gè)激光器，是因?yàn)槭紫人哂?10W 的發(fā)射功率，發(fā)散角 14176。這樣可以減小寄生導(dǎo)線自感，低的自感可以使大電流進(jìn)行更快地切換。它的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。 SPD的倍增因子 1025，電流響應(yīng)度為≥ 9 A/W， 光敏面直徑為 。電壓光譜響應(yīng)度 RV（λ）定義為在波長λ的單位入射輻射功率下照射下，光電探測(cè)器的信號(hào)電壓，表達(dá)式如下： )P( )V()(RV ??? ? （ ） 而光電探測(cè)器在波長為λ的單位入射輻射功率作用下，器件輸出的光電流叫做探測(cè)器的電流光譜響應(yīng)度，表達(dá)式如下： )P( )I()(RI ??? ? （ ） 式（ ）和（ ）中， P（λ）為波長為λ時(shí)的入射光功率； V（λ）為光電探測(cè)器在入射功率為 P（λ）作用下的輸出信號(hào)電壓； I（λ）為用電流表示的輸出信號(hào)電流。 探測(cè)度這一參數(shù)最初是從等效功率 NEP 引出的。無光照時(shí)，PN 結(jié)不會(huì)發(fā)生雪崩效應(yīng) 。和其它探測(cè)器一樣，APD 通常工作在兩個(gè)噪聲抑制探測(cè)區(qū)域中的一個(gè)。最合適的增益部分取決于 APD 的過剩噪聲系數(shù) F。 對(duì)于脈沖信號(hào)，其主要頻譜能量集中在Δ f=01/τ以內(nèi) (τ為脈沖寬度 )。 圖 理想化的接受光路 圖 圖 顯示的是，光信號(hào)的接收示意圖。 圖 是差分輸入連續(xù)可調(diào)放大倍數(shù)的連接圖。 V+同時(shí)給模擬輸入和數(shù)字輸出部分供電，但是 V只是給模擬部分供電。 具體的測(cè)試方案為 :利用己經(jīng)研制的脈沖激光發(fā)射模塊，輔助光學(xué)系統(tǒng) 在一定距離直接照射接受電路中雪崩二極管 (帶 接受的光學(xué)系統(tǒng) )。 500ppm。它的差分 PECL 輸出設(shè)置了對(duì) VOC 進(jìn)行 1, 2, 4 的分頻。 初始化是 通過內(nèi)部一個(gè) 14 位的移位寄存器來執(zhí)行的。/*MO*/ P1_2=1。在所有的獨(dú)立供電的管腳和地之間都必須加一個(gè) uF 的高頻旁路的電容。 表 管腳 功能 CLK 差分時(shí)鐘輸入 /EN 同步使能信號(hào) MR 主復(fù)位 VBB 參考輸出 Q0 差分247。相對(duì)CPLD 器件 FPGA 的邏輯單元陣列是可以將設(shè)計(jì)功能進(jìn)行 更細(xì)的劃分，因此能夠更充分的利用單元內(nèi)的各種資源，但是同時(shí)也加大了邏輯優(yōu)化和時(shí)序分析的難度。 42 圖 CPLD 內(nèi)部的電路示意圖 由于系統(tǒng)輸入的時(shí)鐘周期是 125MHz，用這個(gè)時(shí)鐘來進(jìn)行計(jì)數(shù)，況且 CPLD 也無法工作在 高于 的頻率之下，因此很難達(dá)到177。圖中，在 19ns 時(shí)，時(shí)鐘進(jìn)入保持狀態(tài)，這是可以很容易讀出這時(shí)的計(jì)數(shù) (分頻 )結(jié)果，而且最小誤差控制在 CLK_500 這個(gè) 500MHz 的時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)周期 2ns 之內(nèi)，圖中的保持信號(hào)只對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行保持。計(jì)數(shù)的結(jié)果為12 位，既 。這樣在初始化階段最消耗時(shí)間模塊總共需要 11ms(留有余量 )。因此，這類時(shí)序電路是由各種各樣時(shí)鐘控制的觸發(fā)器構(gòu)成，而且有統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖同時(shí)加在所有觸發(fā)器的 CP 端。 FPGA 與 CPLD 器件有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 2,247。下圖是阻抗匹配的電路圖 : 圖 SY89430 的輸出阻抗匹配圖 電源的注意事項(xiàng) : 電源供電電壓 :SY89430 可以工作在單獨(dú)正電壓 +5V 或 + 下。 P1_0=0。 SY89430 是一款可編程的倍頻芯片，通過芯片管腳對(duì)內(nèi)部各項(xiàng)系統(tǒng)進(jìn)行編程，可以獲得需要的頻率輸 出。 2 ZZT2 500060000 40+70 177。示意圖如圖 所示。 實(shí)際測(cè)距過程中，回波信號(hào) 與噪聲信號(hào) 同時(shí)被放大了，對(duì)于高精度的計(jì)數(shù)，信噪比是必須要考慮的問題。 圖 MAX913 芯片結(jié)構(gòu)圖 29 MAX913 的一 些特性如下 : 極快的速度 (1Ons)； 單 5V 供電或 15V 雙供電操作； 輸入范圍擴(kuò)展到負(fù)向； 沒有最小輸入信號(hào)回轉(zhuǎn)速率的要求； 線性區(qū)域的高穩(wěn)定； 低偏移電壓 () MAX913 的一些使用注意事項(xiàng) : MAX913 是在一個(gè)提供輸入一般模式范圍 (VCM)在 8V ( +)的177。但 它的單片放大倍數(shù)不夠，在本設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行雙級(jí)放大，才能滿足我們的要求。 輸入阻抗 : 放大器的輸入阻抗越大越好，輸入阻抗越高，驅(qū)動(dòng)這一級(jí)放大器所需要的電流就越小，當(dāng)輸入阻抗非常高時(shí)，則幾乎不會(huì)消耗信號(hào)電流就可以驅(qū)動(dòng)這一級(jí)工作電路。最終選擇 SPD052 這一款 SiAPD。當(dāng)給出光信號(hào)功率 值 時(shí)， 總噪聲 表達(dá)式 為 iN(TOTAL)=[2q(IDS+(IDBM2+R(i)M2PS)B) () 在沒有其它噪聲源和相同量子效率的情況下， APD 的信噪比 ((SNR)比 PIN 探測(cè)器要低 。 （ 2） 性能參數(shù) APD 與 PIN 光電二級(jí)管不同的地方是能提供內(nèi)部光電子信號(hào)增益。這種管子具有普通硅光電二極管 PIN光電二極管所沒有的內(nèi)增益光伏特性，而在光電探測(cè)系統(tǒng)中，大多數(shù)是對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)，采用內(nèi)增益的光探測(cè)器有助于對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)。 歸一化幅值特性 為 ）（）（ ??? ?? OVA （ ） 式中ω =2π f 為調(diào)制圓頻率； f為調(diào)制頻率；τ為響應(yīng)時(shí)間。光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性有明顯的選擇性。其中還必須注意的一個(gè)問題是， MIC4452 的輸出端必須緊靠著 SPLLL85 的 TRIGGER 端，因?yàn)樗矔r(shí)的電流會(huì)很大，我們必須縮短布線的線程，避免電磁干擾引起電路工作異常。 . 555 定時(shí)器 555 定時(shí)器是一種集成電路，因集成電路內(nèi)部含有三個(gè) 5 千歐電阻而得名。芯片的外觀如圖 所示。這款激光器主要應(yīng)用在測(cè)距、安全（監(jiān)視）、點(diǎn)火、測(cè)試和度量等方面。 本章小結(jié) 在本章里，我們介紹了激光測(cè)距常用的幾種方法，詳細(xì)介紹各種測(cè)距方法的測(cè)距的原理和測(cè)距具體實(shí)現(xiàn)的方法，并對(duì)各個(gè)測(cè)距方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。目前 噪聲相當(dāng)能量（ NEP）1015W。 （ 3）而對(duì)于調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距其主要研究的課題是，選擇增益帶寬寬的激光介質(zhì)，增加頻率惆啾的寬度，提高測(cè)距精度 。如何得到穩(wěn)定的光頻和穩(wěn)定且更高的拍頻有待深入研究。 圖 前沿時(shí)刻鑒定 圖 恒定比值時(shí)刻鑒定 圖 高通容阻時(shí)刻鑒定 為了有效地克服波形畸變和噪聲帶來的誤差，提出了高通容阻時(shí)刻鑒別方法，如圖 所示，接收通道輸出的起止信號(hào)脈沖（左）通過一高通容阻濾波6 線路，原來的極值點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榱泓c(diǎn)，以此作為起止時(shí)刻點(diǎn)，它的誤差主要受信號(hào)脈沖在極大值附近的斜率的影響。 4. 計(jì)數(shù)結(jié)果輸出模塊 這一部分主要解決的問題是如何對(duì) 15 Mb/s 計(jì)數(shù)的結(jié)果進(jìn)行高速采集。值得注意的是，美國報(bào)道的采用脈沖測(cè)距原理的高重復(fù)率激光雷達(dá)演示系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn) 10KHz 的測(cè)頻，測(cè)程 2公里，測(cè)距精度為177。八十年代半導(dǎo)體激光二極管（ LD）技術(shù)日趨成熟，隨著半導(dǎo)體激光二極管在提高輸出功率、改進(jìn)光束方向性和提高探測(cè)器靈敏度等方面不斷取得重大進(jìn)展， LD 或 LDA（激光二極管陣列）開始應(yīng)用于中、短程測(cè)距，它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，對(duì)人眼安全、性價(jià)比高等一系列優(yōu) 點(diǎn)。 1. 脈沖激光的發(fā)射電路模塊的設(shè)計(jì)及研制 這一模塊主要是設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，用來驅(qū)動(dòng) 850nm 波長的高性能半導(dǎo)體激光二極管 SPLLL85 發(fā)射脈沖激光（結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)）。激光發(fā)射單元在 t時(shí)刻發(fā)射一激光脈沖，其中一小部分功率直接進(jìn)入回波接收單元，觸發(fā)開始信號(hào)（ START），開始時(shí)間間隔測(cè)量；其余功率通過發(fā)射通道向目標(biāo)發(fā)射出去，經(jīng)距離 L 到達(dá)目標(biāo)后被反射 。輸入到時(shí)刻鑒別單元的噪聲分為白噪聲和相干噪聲，它們對(duì)時(shí)間抖動(dòng)的作用是不同的。雙 (多 )波長激光測(cè)距可以避免大氣對(duì)測(cè)量精度的影 響。我們使用高頻高功率 MOSFET 管驅(qū)動(dòng)脈沖 LD，可以獲得高效、高重復(fù)率、窄脈寬、大功率的紅外激光輸出。其次是核心計(jì)數(shù)電路的方案自身的局限性所造成的誤差，這是可通過 改進(jìn)計(jì)數(shù)方法再結(jié)合特殊的算法達(dá)到系統(tǒng)的總體要求。經(jīng)過分析計(jì)算（詳見第四章，放大器的選擇），要使探測(cè)器能夠接收到回波，脈沖 激光器發(fā)射的峰值功率不能夠小于 10W。 IL = fCVS （ 3. 1） 13 其中： f 工作頻率 ； C 容性負(fù)載的大小 ； VS 工作電壓。 2. 像 MIC4452 這樣的高電流容量地芯片在布板地必須十分地注意。在本設(shè)計(jì)中主要是利用系統(tǒng)核心計(jì)數(shù)單元的 CPLD 來精確的調(diào)節(jié)占空比。通過高性能驅(qū)動(dòng)芯片 MIC4452 以同樣的頻率和占空比去驅(qū)動(dòng)SPLLL85。 表示時(shí)間響應(yīng)特性主要有兩種方法 :脈沖響應(yīng)特性法和幅頻特性法。 D越大，表明探測(cè)器的能力越強(qiáng)， D的單位為 W1。然而在實(shí)際中是很難實(shí)現(xiàn)的，因此需要平衡 、 折中 相矛盾的設(shè)計(jì)需求，以實(shí)現(xiàn) 商用 APD 上 最優(yōu)化。由于體漏電流 IDM在 M區(qū)得到增益放大。決定適用于 該 波長范圍的 APD 類型。由于輸 出噪聲功率與帶寬線性增加，因而有一最佳帶寬。漏級(jí)跟隨器輸出使它可以驅(qū)動(dòng)幾乎所有的容性負(fù)載。在接近最大工作帶寬的時(shí)候已經(jīng)下降到原先的 50%。要有 20mA 的過負(fù)載能力，器件的最大環(huán)路延時(shí)為 12ns 并且時(shí)鐘和單次速率為 85MHz。 本章小節(jié) 本章對(duì)需要接收的回波信號(hào)能量進(jìn)行分析計(jì)算，從靈敏度、噪聲特性和內(nèi)增益大小以及相應(yīng)時(shí)間、方向工作電壓 等 進(jìn)行分析論證，最終決定使用型號(hào)為SPD052 的這款硅雪崩光電二極管。 時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì) 晶振的選擇 綜合 考慮到晶振的工作電壓、輸出的時(shí)鐘波形電壓、頻率的總差額度以及工作溫度、功耗和負(fù)載，我們 選用 某電子公司生產(chǎn)的晶振，它的的具體參 數(shù)如 表所示 : 表 晶振參數(shù) 從表中我們明顯的可以看出，正弦信號(hào)時(shí)鐘的頻率誤差比方波的時(shí)鐘的要小的多，而且工作的溫度范圍都差不多 ,故選用 ZWB系列的晶振作為時(shí)鐘基準(zhǔn)。 177。 36 圖 SY89430 初始化時(shí)序圖 本設(shè)計(jì)中，串行配置是使用 C 語言 (標(biāo)準(zhǔn) C)編寫程序，在 Medwin 環(huán)境中編譯輸出 Intel HEX 文件，用燒錄器寫入 Atmel 公司的 89C52 單片機(jī)。正常情況下，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)， P_LOAD 輸入端被拉低，直到電源輸入變得有效。使用 16MHz 的參考頻率可以對(duì)芯片進(jìn)行編程，可產(chǎn)生以 lMHz 的步調(diào)進(jìn)行變化的25950MHz 的頻率輸出。 電平轉(zhuǎn)換 (PECL 轉(zhuǎn) TTL) 由于脈沖計(jì)數(shù)模塊最終需要的 是 TTL 電平的時(shí)鐘信號(hào)，因此 PECL 電平的時(shí)鐘信號(hào)需要轉(zhuǎn)換成 TTL 電平， SY100ELT23 是 MICREL 提供的一款雙端差分 PECL到 TTL 的轉(zhuǎn)換芯片。具體參數(shù)見表 所示。 （ 1） 時(shí)序邏輯介紹 : 系統(tǒng)加電，系統(tǒng)主控制器的定時(shí)器開始遞減計(jì)數(shù)，在此時(shí)間之內(nèi)，對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行初始化。時(shí)鐘周期為 8ns。 ，這是比較理想情況下的誤差約為177。如此往復(fù)。全局時(shí)鐘的建立時(shí)間 tSU和全局時(shí)鐘的輸出 延時(shí) tC01也在增加，但幅度并不是大。而且它的 SOIC 封裝和低偏移雙門設(shè)計(jì)使它成為一款很好的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片。 分頻器的選擇 在數(shù)字電路中，分頻就是計(jì)數(shù)的意思，由于核心計(jì)數(shù)模塊無法工作在 500MHz的頻率之下，所以必須對(duì) PECL 時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)