激光對射系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)研究

激光器具有線性關(guān)聯(lián)性高、方向性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、定位系統(tǒng)和探測系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。例如在非接觸電梯控制、彈藥激光引信制導(dǎo)、FMCW 脈沖激光雷達(dá)、周界安防系統(tǒng)中都占有一定地位^[1-5]。對應(yīng)于軍事背景情況下，是判斷物體入侵的有效手段。但對于室外長時間工作的激光器發(fā)射和接收系統(tǒng)來說，天氣與室外溫度的影響比較大。在雨、霧、陽光照射充足等天氣條件下，會導(dǎo)致激光器接收系統(tǒng)產(chǎn)生誤報或監(jiān)測不準(zhǔn)確。因此對激光對射系統(tǒng)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(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行了處理，包括將發(fā)射機(jī)進(jìn)行調(diào)頻處理，接收機(jī)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(tǒng)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(tǒng)與電流驅(qū)動

激光發(fā)射系統(tǒng)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(nèi)具有方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，但單通道直射型激光發(fā)射系統(tǒng)在中遠(yuǎn)距離以及室外極端條件下會發(fā)生散射、可見光干擾等誤報問題。因此在同等條件下，多通道組合發(fā)射系統(tǒng)會比單通道發(fā)射系統(tǒng)的干擾造成的誤報情況低。同時均為單通道發(fā)射系統(tǒng)時，將其中一組發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)頻率調(diào)制，發(fā)射調(diào)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光的干擾誤報。如圖1所示。

圖1 單開關(guān)頻率調(diào)制激光發(fā)射結(jié)構(gòu)圖

因此，將多通道激光組與開關(guān)頻率調(diào)制相結(jié)合，可極大程度提高探測入侵的成功率。多通道開關(guān)頻率調(diào)制激光組結(jié)構(gòu)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 多通路開關(guān)頻率調(diào)制激光發(fā)射結(jié)構(gòu)

激光管激發(fā)的激光需要電流進(jìn)行驅(qū)動激發(fā)，因此，在激光發(fā)射系統(tǒng)中需考慮激光電流驅(qū)動電路的設(shè)計。基本的激光電流驅(qū)動電路包括由恒流驅(qū)動、保護(hù)電路、三極管驅(qū)動等多部分組成。為保證激光的穩(wěn)定性，需要對激光器LD電流進(jìn)行采樣，通過控制輸出電流的大小使整體系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)^[9]。并將調(diào)頻后的開關(guān)信號通過限流加載在激光器上，如圖3所示。

圖3 多通路開關(guān)頻率調(diào)制激光發(fā)射電流驅(qū)動結(jié)構(gòu)

1.2 激光接收系統(tǒng)與Fresnel 透鏡

激光接收系統(tǒng)首先通過Fresnel 透鏡將中長距離散射后的激光進(jìn)行聚焦，并在焦點(diǎn)處放置多個并聯(lián)后的紅外接收管接收激光，利用光電效應(yīng)將信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，由此轉(zhuǎn)變的電信號I-V 轉(zhuǎn)換后通過運(yùn)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 多通路開關(guān)頻率調(diào)制激光接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fresnel 透鏡為鋸齒結(jié)構(gòu)^[12]，具有匯聚或者發(fā)散紅外激光的功能。在系統(tǒng)的相同焦距位置放置Fresnel透鏡，接收端透鏡前添加可見光濾光片用以減少可見光的影響。當(dāng)光分別通過光濾波片和Fresnel 透鏡之后。可見光大部分被濾光片濾除后，通過的光信號由于Fresnel透鏡的匯聚效應(yīng)，使遠(yuǎn)距離發(fā)散的光信號聚集于焦點(diǎn)附近。當(dāng)多個紅外接收管接收到光信號后，紅外接收管通過光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后進(jìn)行I-V 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)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。通過以上方法提高系統(tǒng)準(zhǔn)確性，并將信號通過比較器進(jìn)行整形處理后還原成激光發(fā)射時電信號。并將整形信號通過MCU 進(jìn)行信號還原。通過變換后地址進(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。對于在非特定波長的光信號波長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(dāng)位于室外時，大部分干擾波長為可見光波長，所以對于本系統(tǒng)舉例采用中心波長λ=940 nm 紅外接收管作為接收系統(tǒng)接收管，可將大部分可見光濾除。

2 激光對射系統(tǒng)設(shè)計

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

圖5 IR333C-A光譜強(qiáng)度分布

激光發(fā)射機(jī)設(shè)計通過不同的調(diào)頻方式分別代表不同的LD地址。即調(diào)頻通過主芯片定時器控制多個三極管以1、2、4 kHz 的時鐘輸出方式進(jìn)行對激光器LD編碼，并使接收機(jī)按最小時間間隔通過高電平個數(shù)判斷激光器LD地址，防止誤報。如圖6 所示。接收機(jī)通過調(diào)理電路后得到不同的上升沿數(shù)量實(shí)現(xiàn)判斷激光器LD 地址。

圖6 多路激光器時序圖

發(fā)射機(jī)通過控制激光器電流控制發(fā)射激光波長的穩(wěn)定^[14]，其中激光器電流穩(wěn)定性如式1 所示^[17]。根據(jù)公式1知驅(qū)動電流同時與驅(qū)動電壓和溫度有關(guān)。所以要求調(diào)節(jié)激光器的電流穩(wěn)定時，需發(fā)射級控制電壓調(diào)節(jié)穩(wěn)定。通過將不同溫度對應(yīng)電壓列表輸入，并根據(jù)溫度穩(wěn)定值調(diào)節(jié)發(fā)射級。

   (1)

如圖7所示為調(diào)節(jié)激光器穩(wěn)定輸出的控制電路，其中激光開環(huán)電流通過R32端以模數(shù)轉(zhuǎn)換AD方式反饋給MCU，然后經(jīng)通過控制圖8所示的兩路PWM調(diào)節(jié)運(yùn)放的輸出電壓控制激光器激發(fā)電流穩(wěn)定輸出的效果。

圖8 電流控制電路圖

在系統(tǒng)接收端，光電二極管通過并聯(lián)方式提高系統(tǒng)接收端整體的感應(yīng)電流，通過I-V轉(zhuǎn)換將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。如圖9所示，后級兩個三極管控制輸出轉(zhuǎn)換后的感應(yīng)電壓。放大濾波后進(jìn)行整形并經(jīng)過比較器比較輸出信號（或者直接進(jìn)行AD 模數(shù)轉(zhuǎn)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(dāng)有阻擋時，紅外接收管接收不到對應(yīng)波長光信號或接收對應(yīng)波長的光信號較少，接收管造成無電流產(chǎn)生或者產(chǎn)生較少電流，造成后級為無電壓或者極小電壓并在放大濾波后會低于比較值輸出0，當(dāng)?shù)陀诒容^值時間長于閾值后，即長時間為低電平輸入，MCU進(jìn)行報警或者繼電器啟動等動作。例如當(dāng)人通過時，基本步行速度通過系統(tǒng)時，大概時間200ms，設(shè)定閾值為150ms 時，比較器輸出低電平時間超過閾值時間后，進(jìn)行報警。

圖9 接收系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換電路

圖10 接收電路放大濾波器

3 測試結(jié)果

對系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試實(shí)驗(yàn)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其系統(tǒng)設(shè)計結(jié)論。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括輸出功率范圍；系統(tǒng)接收距離；接收系統(tǒng)輸出幅值測試等。

輸出功率范圍調(diào)試如下表1所示。調(diào)試PWM選擇范圍在10%~80%內(nèi)進(jìn)行測試，保證調(diào)試結(jié)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(yīng)轉(zhuǎn)換后未進(jìn)行放大濾波位置點(diǎn)。通過對比發(fā)現(xiàn)其波形與傳輸距離是有關(guān)系的，距離越遠(yuǎn)，接收系統(tǒng)波形會越差，但整體結(jié)果不變。同時發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)最大檢測距離為120 m。

通過以上波形發(fā)現(xiàn)，隨著對射距離的增加，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(nèi)時候信號的輸出幅值是相對穩(wěn)定的。負(fù)載輸出的質(zhì)量也相對較為完整。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yīng)接收幅值下降，同理當(dāng)PWM 對應(yīng)增加時，相同幅值下接收距離增大。同時通過多級發(fā)射與多級接收避免了由于單機(jī)系統(tǒng)造成的誤報，提升了準(zhǔn)確率。并通過還原信源編碼，減少了誤報率提升了準(zhǔn)確性。

圖9 接收系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換電路

4 結(jié)束語

激光對射系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)與接收機(jī)作為系統(tǒng)的兩部分，增加電流驅(qū)動提高穩(wěn)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(tǒng)穩(wěn)定性。并在接收級通過多路光電二極管以及后級信號調(diào)理電路增大系統(tǒng)的檢測范圍。以及光路中通過Fresnel 透鏡和濾光片進(jìn)行焦點(diǎn)匯聚和形成平行光束。通過以上手段減少了誤報率并提高了檢測距離范圍。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）