激光测距机的设计

摘 要：该文主要介绍激光测距机的系统控制单元，系统发射单元设计，发射单元原理，系统接收单元原理等设计。

关键词：激光测距机 原理 系统设计

中图分类号：TN249 文献标识码： A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0066-01

1 总体介绍

首先，系统初始化，当将焦距调节到待测目标后，由系统的处理器发出控制信号到触发电路，发出激光脉冲，同时计数单元开始计数，同时开中断，等待返回的激光脉冲信号。当接收到信号后，关中断，同时将计数单元的数据传送给处理器进行处理，并将结果显示出来。

2 系统控制单元

为了提高系统的测量精度，就需要系统能够进行高速测量和数据采集，在本系统中，我们选择的是ARM7TDM1的ADUC7026ARM7控制板。其上集成有16/32位MCU和一个多通道模数转换器以及Flash/EE。芯片上有自锁相环和带振荡器，能够产生 MHZ的时钟。并且处理器还可以通过编程的方法得到想要的工作频率。片上的MCU型号为ARM7TDMI，处理速度能够达到 MIPS，片上自带 KB的Flash存储器和 KB的SRAM。

3 系统发射单元设计

3.1 发射单元原理

系统的发射单元主要是由驱动电路和激光发射机组成。当系统发出发射指令后，经由驱动电路驱动激光发射器，向目标发射激光。其中，主要设计部分是驱动电路部分。在驱动电路部分，要求电源能够在低负载上产生瞬时电流脉冲，以便于控制激光二极管的发射功率。同时，又要求其能够产生幅度足够大的脉冲电压。在满足以上两点的基础上要加设一个对激光二极管的过流与最大反冲电压的保护部分。故发射单元的驱动部分主要包括电源、时基电路、窄脉冲形成电路以及脉冲电流输出放大电路。

3.2 系统的脉宽整形调节单元

由激光二极管的的特性可知，激光二极管的发射功率与电流的大小和工作温度有关。若想使得激光器发射恒定功率的激光，就需要对温度与电流的大小进行控制。这就需要在系统中设计温度补偿电路与电流反馈电路。这不仅增加了成本，而且使得电路复杂。我们选择脉冲电流触发的方法，成功的避免了上述的问题，同时能够满足系统精度的要求。

3.3 系统的驱动电路单元

系统的驱动电路包括电源单元、时基电路、窄脉冲形成电路以及脉冲电流输出放大电路。我所选择的半导体激光器是PGEW1S09。

当窄脉冲产生后，由于其电流和功率较小，需要经过功率放大电路来对其放大，从而能够驱动激光器发射激光。为了提高系统可靠性，应选用集成电路来作为驱动部分。我所选择的驱动器是由MICREL公司生产的型号为MIC4452的一款高效率的驱动芯片。

4 系统接收单元设计

4.1 系统接收单元原理

接收单元模块主要由光电转换器、前置放大器电路、主放大器电路和电压比较电路等组成。其中光电转换器的作用就是将已经接收到的脉冲信号转换为电信号，并且对检测信号进行处理的装置。由于发射单元发射的激光脉冲信号在发射源与待测物间来回往返的进程中，由于空气折射率的变化、其他噪声信号的干扰，就会严重影响信号的强度，使其变得很微小，所以为了保证测距精度的要求，就需前置放大器对其进行放大。另外对于所测距离的远近和反射回来的激光信号的强弱的关系，还需考虑将发射器的发射信号控制在一定幅度范围内，从而扩展了测量范围的大小，进而减少了误差，提高了精度。

4.2 光电探测器件选择

准确及时的接收到反射回来的脉冲信号，是测距系统性能精确的重要保障，但是我们知道反射回来的脉冲信号比较微弱，而环境中又存在这各种噪声，这些噪声干扰对反射脉冲信号的接收能力提出了很高的要求，在我们器件选择上就需要有所体现。而对于光电二极管的选择，我们对其的要求就是其对发射单元发射出的光源波长范围内的具有较高的响应度，而且具有充足的带宽来处理所接收到的数据。

PIN型光电二极管和雪崩光电二极管是以半导体PN结光电二极管为基础发展的。半导体PN结主要由P型和N型半导体材料形成的PN结构成，其具有体积小、重量轻、灵敏度高、响应速度快等特点。

雪崩（APD）光电二极管和PIN型二极管都是光电转换器件，二者都可以在特定的工作场合完成光电任务。然后二者又有很大的区别，PIN型光电二极管每吸收一个光子，它最多产生一个“电子-空穴”，所以它自身没有增益。而崩光电二极管在入射光照射下一个光子产生的那一对电子-空穴在外加电场的作用下加速及碰撞过程中会产生多对电子-空穴，其自身带有增益。APD转换器与PIN转换器相比较，具有载流子倍增效应、探测灵敏度高的优点，而且其更适合用于远程测距，在本系统中即为远距测距，所以我们在此选用APD光电二极管作为探测器。

4.3 前置放大器

前置放大器的选择，我们主要考虑其噪声影响和带宽指标，而低噪声与高带宽的前置放大器选择是我们所必须兼顾的。从前面的雪崩光电二极管转换过来的电信号经此放大器放大后，从而转换为我们需要的信号，也就是下一级所需要的信号，容易精确测量的信号。

通常为了减小前置放大器发噪声，往往会采用增加输入电阻的方式。然而较大的输入阻抗会限制带宽，这样就需要对高阻抗放大器的频率进行补偿。然而带有时间游动补偿和外壳恒温控制点雪崩光电二极管，不会受到波信号的变化而引起的测距偏差的问题，使其具有了更大动态范围的应用效果。

参考文献

[1] 彭孝祥，张兴敢.一种改进的脉冲式激光测距仪的设计[J].电子测量技术，2008（6）.

[2] 曹海源.基于ARM7的激光测距机电路检测仪的设计[J].微计算机信息，2007（26）.