激光對射系統的設計與實(shí)現研究

激光器具有線(xiàn)性關(guān)聯(lián)性高、方向性強等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、定位系統和探測系統中應用廣泛。例如在非接觸電梯控制、彈藥激光引信制導、FMCW 脈沖激光雷達、周界安防系統中都占有一定地位^[1-5]。對應于軍事背景情況下，是判斷物體入侵的有效手段。但對于室外長(cháng)時(shí)間工作的激光器發(fā)射和接收系統來(lái)說(shuō)，天氣與室外溫度的影響比較大。在雨、霧、陽(yáng)光照射充足等天氣條件下，會(huì )導致激光器接收系統產(chǎn)生誤報或監測不準確。因此對激光對射系統在減少誤差和降低誤報率方面有了更高要求。針對以上要求，本文對激光對射系統的發(fā)射機和接收機進(jìn)行了處理，包括將發(fā)射機進(jìn)行調頻處理，接收機進(jìn)行增加濾光片和Fresnel 透鏡聚焦后，進(jìn)行多窄帶紅外接收管并聯(lián)接收放大濾波。用以提高發(fā)射的有效距離和系統接收率，可以有效的減少誤報的情況發(fā)生。

1 激光對射技術(shù)原理

1.1 激光發(fā)射系統與電流驅動(dòng)

激光發(fā)射系統基本利用單通道激光直接進(jìn)行發(fā)射輸出。在近距離及室內具有方向性強的特點(diǎn)，但單通道直射型激光發(fā)射系統在中遠距離以及室外極端條件下會(huì )發(fā)生散射、可見(jiàn)光干擾等誤報問(wèn)題。因此在同等條件下，多通道組合發(fā)射系統會(huì )比單通道發(fā)射系統的干擾造成的誤報情況低。同時(shí)均為單通道發(fā)射系統時(shí)，將其中一組發(fā)射系統進(jìn)行開(kāi)關(guān)頻率調制，發(fā)射調制后激光。接收端識別頻率信號后進(jìn)行判斷可以降低對可見(jiàn)光的干擾誤報。如圖1所示。

圖1 單開(kāi)關(guān)頻率調制激光發(fā)射結構圖

因此，將多通道激光組與開(kāi)關(guān)頻率調制相結合，可極大程度提高探測入侵的成功率。多通道開(kāi)關(guān)頻率調制激光組結構圖如圖2 所示。并在激光發(fā)射器后面加入折射鏡產(chǎn)生平行光斑。

圖2 多通路開(kāi)關(guān)頻率調制激光發(fā)射結構

激光管激發(fā)的激光需要電流進(jìn)行驅動(dòng)激發(fā)，因此，在激光發(fā)射系統中需考慮激光電流驅動(dòng)電路的設計?；镜募す怆娏黩寗?dòng)電路包括由恒流驅動(dòng)、保護電路、三極管驅動(dòng)等多部分組成。為保證激光的穩定性，需要對激光器LD電流進(jìn)行采樣，通過(guò)控制輸出電流的大小使整體系統處于穩定狀態(tài)^[9]。并將調頻后的開(kāi)關(guān)信號通過(guò)限流加載在激光器上，如圖3所示。

圖3 多通路開(kāi)關(guān)頻率調制激光發(fā)射電流驅動(dòng)結構

1.2 激光接收系統與Fresnel 透鏡

激光接收系統首先通過(guò)Fresnel 透鏡將中長(cháng)距離散射后的激光進(jìn)行聚焦，并在焦點(diǎn)處放置多個(gè)并聯(lián)后的紅外接收管接收激光，利用光電效應將信號轉變?yōu)殡娦盘?，由此轉變的電信號I-V 轉換后通過(guò)運算放大器進(jìn)行放大，在后級進(jìn)行濾波處理^[11]，并將處理后的信號通過(guò)比較器變換后輸入到MCU中進(jìn)行處理，如圖4所示。

圖4 多通路開(kāi)關(guān)頻率調制激光接收系統結構

Fresnel 透鏡為鋸齒結構^[12]，具有匯聚或者發(fā)散紅外激光的功能。在系統的相同焦距位置放置Fresnel透鏡，接收端透鏡前添加可見(jiàn)光濾光片用以減少可見(jiàn)光的影響。當光分別通過(guò)光濾波片和Fresnel 透鏡之后?？梢?jiàn)光大部分被濾光片濾除后，通過(guò)的光信號由于Fresnel透鏡的匯聚效應，使遠距離發(fā)散的光信號聚集于焦點(diǎn)附近。當多個(gè)紅外接收管接收到光信號后，紅外接收管通過(guò)光電效應將光信號轉換成電信號，然后進(jìn)行I-V 轉換，轉換后的電壓信號首先進(jìn)行放大處理，將小信號放大后進(jìn)行有源濾波。通過(guò)以上方法提高系統準確性，并將信號通過(guò)比較器進(jìn)行整形處理后還原成激光發(fā)射時(shí)電信號。并將整形信號通過(guò)MCU 進(jìn)行信號還原。通過(guò)變換后地址進(jìn)行比較判斷是否發(fā)生誤報。

1.3 并聯(lián)窄帶紅外接收管

窄帶紅外接收管均有特定的紅外接收波長(cháng)。對于在非特定波長(cháng)的光信號波長(cháng)處紅外接收管可等效成光濾波器，將其他大部分光信號濾除。由于當位于室外時(shí)，大部分干擾波長(cháng)為可見(jiàn)光波長(cháng)，所以對于本系統舉例采用中心波長(cháng)λ=940 nm 紅外接收管作為接收系統接收管，可將大部分可見(jiàn)光濾除。

2 激光對射系統設計

根據1.3章節介紹，紅外接收管作為光濾波器選用型號為IR333C-A。其型號接收波長(cháng)與接收率的關(guān)系如圖5 所示。由于（380~880） nm為可見(jiàn)光范圍波長(cháng)，根據圖5發(fā)現大部分均在強度分布之外。此時(shí)紅外接收管可以等效為可見(jiàn)光濾波器，將可見(jiàn)光大部分濾除。發(fā)射激光波長(cháng)根據所選用的紅外接收管主要接收波長(cháng)在（920~970）nm，激光器選用波長(cháng)λ=940 nm 的紅外激光器。

圖5 IR333C-A光譜強度分布

激光發(fā)射機設計通過(guò)不同的調頻方式分別代表不同的LD地址。即調頻通過(guò)主芯片定時(shí)器控制多個(gè)三極管以1、2、4 kHz 的時(shí)鐘輸出方式進(jìn)行對激光器LD編碼，并使接收機按最小時(shí)間間隔通過(guò)高電平個(gè)數判斷激光器LD地址，防止誤報。如圖6 所示。接收機通過(guò)調理電路后得到不同的上升沿數量實(shí)現判斷激光器LD 地址。

圖6 多路激光器時(shí)序圖

發(fā)射機通過(guò)控制激光器電流控制發(fā)射激光波長(cháng)的穩定^[14]，其中激光器電流穩定性如式1 所示^[17]。根據公式1知驅動(dòng)電流同時(shí)與驅動(dòng)電壓和溫度有關(guān)。所以要求調節激光器的電流穩定時(shí)，需發(fā)射級控制電壓調節穩定。通過(guò)將不同溫度對應電壓列表輸入，并根據溫度穩定值調節發(fā)射級。

   (1)

如圖7所示為調節激光器穩定輸出的控制電路，其中激光開(kāi)環(huán)電流通過(guò)R32端以模數轉換AD方式反饋給MCU，然后經(jīng)通過(guò)控制圖8所示的兩路PWM調節運放的輸出電壓控制激光器激發(fā)電流穩定輸出的效果。

圖8 電流控制電路圖

在系統接收端，光電二極管通過(guò)并聯(lián)方式提高系統接收端整體的感應電流，通過(guò)I-V轉換將電流信號轉換成電壓信號。如圖9所示，后級兩個(gè)三極管控制輸出轉換后的感應電壓。放大濾波后進(jìn)行整形并經(jīng)過(guò)比較器比較輸出信號（或者直接進(jìn)行AD 模數轉換）。得到激光發(fā)射還原信號后，輸入至控制器MCU 進(jìn)行判斷是否有入侵或誤報。如圖10 所示。當有阻擋時(shí)，紅外接收管接收不到對應波長(cháng)光信號或接收對應波長(cháng)的光信號較少，接收管造成無(wú)電流產(chǎn)生或者產(chǎn)生較少電流，造成后級為無(wú)電壓或者極小電壓并在放大濾波后會(huì )低于比較值輸出0，當低于比較值時(shí)間長(cháng)于閾值后，即長(cháng)時(shí)間為低電平輸入，MCU進(jìn)行報警或者繼電器啟動(dòng)等動(dòng)作。例如當人通過(guò)時(shí)，基本步行速度通過(guò)系統時(shí)，大概時(shí)間200ms，設定閾值為150ms 時(shí)，比較器輸出低電平時(shí)間超過(guò)閾值時(shí)間后，進(jìn)行報警。

圖9 接收系統光電轉換電路

圖10 接收電路放大濾波器

3 測試結果

對系統進(jìn)行整體調試實(shí)驗，并通過(guò)實(shí)驗驗證其系統設計結論。實(shí)驗內容包括輸出功率范圍；系統接收距離；接收系統輸出幅值測試等。

輸出功率范圍調試如下表1所示。調試PWM選擇范圍在10%~80%內進(jìn)行測試，保證調試結果的可靠性。

表1 輸出功率范圍測試

所測點(diǎn)為紅外接收管光電效應轉換后未進(jìn)行放大濾波位置點(diǎn)。通過(guò)對比發(fā)現其波形與傳輸距離是有關(guān)系的，距離越遠，接收系統波形會(huì )越差，但整體結果不變。同時(shí)發(fā)現本系統最大檢測距離為120 m。

通過(guò)以上波形發(fā)現，隨著(zhù)對射距離的增加，接收幅值是降低的。如表2 所示。接收波形質(zhì)量由正常逐漸變差，直到最后檢測消失。

表2 接收幅值范圍測試

從表2中可看出距離范圍在0~100m內時(shí)候信號的輸出幅值是相對穩定的。負載輸出的質(zhì)量也相對較為完整。通過(guò)實(shí)驗數據做出如圖11所示距離&PWM對接收幅值增益放大后的關(guān)系圖，符合實(shí)際理想情況。在距離增加情況下對應接收幅值下降，同理當PWM 對應增加時(shí)，相同幅值下接收距離增大。同時(shí)通過(guò)多級發(fā)射與多級接收避免了由于單機系統造成的誤報，提升了準確率。并通過(guò)還原信源編碼，減少了誤報率提升了準確性。

圖9 接收系統光電轉換電路

4 結束語(yǔ)

激光對射系統中發(fā)射機與接收機作為系統的兩部分，增加電流驅動(dòng)提高穩定性與多路激光器，并對激光器發(fā)射進(jìn)行信源編碼。使激光發(fā)射級提高系統穩定性。并在接收級通過(guò)多路光電二極管以及后級信號調理電路增大系統的檢測范圍。以及光路中通過(guò)Fresnel 透鏡和濾光片進(jìn)行焦點(diǎn)匯聚和形成平行光束。通過(guò)以上手段減少了誤報率并提高了檢測距離范圍。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）