改革测距实验提升光信息专业学生实践能力的探索

赵同刚, 史新天, 刘人豪

(北京邮电大学 电子工程学院, 北京 100876)

北京邮电大学光电信息科学与工程专业旨在培养在宽带通信、光电信息处理与应用、光电子信息领域和交叉领域从事科学研究、设计开发、工程管理和教育等工作中的宽口径、综合型、创新创业型人才。为了达到专业培养目标,不仅要在理论知识体系中,而且要在专业实践环节体现跨学科、综合性、系统性的特点。近年来,我校对该专业实验教学方法进行了探索和改革。该实验改革涉及大二年级的电子电路测量系统综合设计实验、大三年级的光信息专业实验，在测距手段上由电到光、学习内容由浅入深进行设计和完善。新增加的实践环节内容更能够体现光电子、光通信、信息与通信系统设计和计算机应用集成综合的专业特色。通过测距实践教学环节的研究和改进,培养学生扎实的先进光电信息与通信系统科学理论基础知识和较强实践应用能力[1-3]。

1 课程体系及实验教学内容的改革

光电信息科学与工程专业对实践环节的要求是：通过实践,学生不仅要加深理解激光原理、光电子学的核心内容,还要熟练掌握光通信系统和光电检测技术中单片机控制、数字逻辑设计、电子电路硬件开发和射频技术,最终具有较强的实际应用能力[4-5]。在实验教学中不仅重视对学生进行基本实验技能培训,例如光谱仪、稳定激光光源、激光仪表的熟练使用,光纤通信系统测试,SDH测试,激光有源器件、无源器件的测试,而且注重培养学生具有优秀工程师的能力。在综合创新性实验环节,做好光学类、电路设计类的综合与知识融合,要求学生熟练掌握光电处理电路相关知识,为深入研究学习和承担专业技术工作打下良好的知识基础。

为了达到综合性和创新性实验教学目标,笔者利用测距原理设计了3个实验项目,分别在大二和大三完成。学生通过工程设计测距系统,通过搭建硬件电路,完成单片机控制。这3个环节具体的实验要求是：

(1) 大二年级第二学期完成超声波测距电路设计,利用超声波传感器搭建超声波发射和接收放大电路,选用合适的单片机,完成超声波测距工作电路；

(2) 大三年级第二学期完成半导体激光器脉冲测距的设计,学校提供半导体激光器件,通过设计激光内调制电路、自动功率控制电路和激光电流源电路,学习如何选择光电二极管、单片机或者FPGA信号处理单元,最后完成激光脉冲测距；

(3) 大三第二学期专业实验的提高部分可以选修激光相位测距系统设计实验,要求学生绘制原理图、制作印刷电路板图,实验要达到一定的测距精度,撰写实验总结报告。

通过这部分知识的综合,学生更容易加深各个课程的联系,弥合不同学科知识体系的缝隙,掌握如何将不同课程所学知识相互渗透与融合,提高综合多门学科知识的能力。

2 超声波测距实验的改进

超声波测距是一种典型的非接触式测量方法,具有易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点,在车辆倒车提醒等很多场合得到应用。超声波测距实验原理相对比较简单(见图1),是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

图1 超声波测距实验原理

测距仪由超声波发射探头发射脉冲信号,脉冲信号的返回信号由超声波接收探头接收后经放大检波。从发射脉冲信号到接收到返回信号的时间差为Δt,就能利用S=(V0·Δt)/2计算得到相应的距离。

在软件部分,学生主要完成测距的初始化、超声波的发射和接收、时间的读取,通过计算得到测距结果,测距结果用数码管显示。主要软件设计流程如图2所示。

图2 超声波测距的软件设计流程图

当学生学习完电子电路等专业基础课后,进行该超声波测距实验,可以让学生很好地掌握测距的原理和基本电路设计方法,培养学生对单片机的使用和软件编程能力。

3 激光脉冲测距的实验案例

学生完成超声波测距实验后,对电路设计和软件编程有了一定基础。在大三学习光纤通信系统、激光原理和光电子学等课程后,学生通过激光脉冲测距系统的设计,可以掌握激光调制电路、接收电路、电流源电路的设计方法,最终完成一套脉冲激光测距系统搭建和调试。学生设计的激光脉冲测距实验系统原理如图3所示[6-7]。

图3 激光脉冲测距实验系统原理

激光脉冲测距系统的原理与超声波测距原理相似,但是测量精度大大增加[8-9]。激光发射探头发出一束短而强的激光脉冲,光脉冲遇到障碍物后一部分激光被反射回来并被激光接收探头接收。设目标距离为D,激光脉冲往返的时间为t,激光在空气中传播的速度为c,则测距公式为D=(c·t) /2 。光脉冲往返的时间差主要是利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来测定的。如图4(a)所示,用一个晶体振荡器产生固定频率的电脉冲振荡来填充高电平的时间,利用脉冲计数器来对晶振产生的电脉冲进行计数。假设晶振产生的脉冲周期为,Δt,计数器计算的脉冲个数为N,则激光脉冲往返时间,t=N·Δt,如图4(b)所示。

图4 光脉冲往返时间差测定原理

激光脉冲测距和超声波测距原理虽然相似,但是实验的设计包括半导体激光器外围电路的设计,设计难度和复杂度都大大增加,通过激光脉冲测距设计,非常有益于学生对半导体激光器工作特性的掌握。

4 激光相位测距

在大四专业实验教学环节,所增加的激光相位测距设计实验更加突出了光电信息科学与工程专业实践环节的综合性。作为本科综合创新性实验的最后一部分,激光相位测距实验的激光电路设计与实现的难度都有较大增加。激光相位测距参考方案设计原理如图5所示[10-12]。

图5 激光相位测距参考方案设计原理

设相位差测距仪与待测定点之间的距离为D,由测距仪发射调制激光束,射向目标后被反射回接收系统。调制波回到收发点的相位比出发时延迟了φ角,只需要测出光信号经过2D距离传输后的相位移Δφ,即可测得距离D。采用间接测尺和差频测相技术,所设计实验装置如图6所示。

图6 激光相位测距总体框图

主振信号分为两支：一支经过激光调制发射电路调制到激光光束中,发射出去以后被障碍物反射回来,再由光电转换器件APD转换成电信号,此信号与一支本振信号混频后,经放大和滤波后得到测量信号；另外一支主振信号与本振信号进行混频,经低通滤波器后得到参考信号。测量信号和参考信号进入ARM自带的外设ADC进行模/数转换,得到测量信号和参考信号的数字量。对采集到的数字量进行FFT变换,得到参考信号和测量信号之间的相位差。通过对相位差进行进一步的计算,最后就可以得到相位测距仪到被测物体的距离。

激光相位测距实验系统的设计过程更加复杂,但是得到了非常高的测距精度。实践表明,在激光测距创新性实验的设计结束后,学生参与设计的主动性和积极性有了很大提高。要在规定时间内完成相位测距实验,在电路调试方面有一定难度,但对于喜欢挑战和有一定钻研能力学生是非常好的锻炼机会。

5 结语

测距实验系统是培养学生综合能力的实验项目。超声波测距实验、激光脉冲测距实验和激光相位测距实验循序渐进地提高学生对于专业知识的综合运用能力和解决实际工程问题的能力,巩固和加深学生所学的专业理论知识。通过改进光电信息科学与工程专业实践、实验方法,增设综合性实验,改革和优化实验教学体系,促进了实验教学水平的提高,有益于学生对于光电信息处理、光通信系统、光电检测知识体系的把握,为深入学习打下坚实的基础。