激光测距仪激光发射及回波接收系统设计

刘影

摘  要：本次激光测距仪系统设计采用的是相位式测距法，相位激光测距又称调幅连续波激光测距通常是基于对目标回波相位的探测，在诸如军事、航空、工业和体育等领域已经取得广泛的应用。相位激光测距仪的发展趋势是小型化、高可靠性、便于与其他仪器集成。本设计围绕接收和发射系统的性能开展，主要包括了锁相环、分频器、信号整形与放大电路、弱信号检测滤波与放大电路、混频器等方面的设计。

关键词： 激光测距;相位;锁相环;混频器;分频器。

一、激光发射部分设计

激光发射部分，包括激光器、激光调制信号（1.5MHz 和 15MHz 两路信号）的产生、激光信号的产生和调制发射部分三个模块。

1.激光器的选择

本系统采用的激光源选用半导体激光器HLD980。虽然半导体激光器光束发散角较大，输出功率不高，但它具有体积小、寿命长、响应速度快、功耗最低、使用最方便的一种激光器。

2.激光调制信号的产生

發射部分最重要的是激光调制信号产生模块即电路中各个频率的产生模块，其中最主要部分包括锁相环的设计和基于CPLD和VHDL语言的分频器的设计。

本系统中除了光频信号外，电路中一共出现五个不同频率的信号，即：主振 1：fs1=15MHz，主振 2：fs2=1.5MHz，本振 1：fL1=15.1MHz，本振 2：FL2=1.51MHz 和 10KHz 的混频输出信号，除了最后一个混频输出信号外，其他四个频率的信号都将在这个模块当中产生。

3.锁相环（PLL）的设计

本系统用锁相环系统产生所需频率的信号，即15.01MHz和1.51MHz的

本地振荡信号。本设计中，锁相环路的功能组成框图如图1所示。锁相环路由压控振荡器（VCO）、环路滤波器、鉴相器、整形器、分频器和源振荡器组成。

MC4044 鉴相器原理：

MC4044是数字鉴相器芯片，内部由三部分组成：鉴相器（Phase  Frequency Detector），电荷泵（Charge Pump），运算放大器（Amplifier）。如图2 所示。

锁相环路的工作过程是一个动态的反馈过程。有源晶振产生的15MHz标准信号经过1500分频得到10KHz信号，送给MC4044（ST002）作参考信号，而压控振荡器产生的信号经过1501分频送给MC4044，作鉴相器的另一个输入信号。如果锁相环处于失锁状态，即锁相环不能自动的使MC4044的两输入信号同频同相，也就是MC4044的输出电压不能调节变容二极管的电容使压控振荡器振荡在合适的频率。此时需要手动调节压控振荡器中的中周，即调节回路电感，使锁相环离开失锁状态，进入捕获状态。当进入捕获状态后，MC4044（ST002）通过两个输入信号的相位差产生电压误差信号，这个电压误差信号经过低通滤波器后去控制变容二极管的电容，进而控制振荡器的频率和相位，使鉴相器的相位误差变的更小。这个过程不断循环反复，最终达到锁定状态，即压控振荡器的输出信号经1501分频后能与有源晶振输出信号经1500分频后的信号同频同相，鉴相器的输出相差为0，即输出引脚（U1、D1）都为高电平，输出的电压误差信号为一定值，变容二极管的电容为一稳定值，压控振荡器的输出为频率和相位都稳定的信号。这个过程可以用图3来表示。

在本激光测距系统中，需要五个分频器：

15MHz 十分频产生 1.5MHz 的信号源;15MHz 经1500分频产生 10KHz 信号送到鉴相器1;15.01MHz 的压控振荡器产生的本振信号经1501分频产生 10KHz信号送到鉴相器1;1.5MHz 经150分频产生10KHz信号送到鉴相器2; 1.51MHz 的压控振荡器产生的本振信号经151分频产生10KHz 信号送到鉴相器 2;对（2）、（3）、（4）、（5）的分频器，如果采用计数型分频器（占空比不为1：1），则可能会出现鉴相器捕捉不到信号边沿的情况，所以在设计中，统一采用占空比为 1：1（（3）、（5）的约为 1：1）的设计。

4.调制发射部分

驱动电路的输入信号是 15MHz 和 1.5MHz 两个频率的信号的直接相加所得的和信号。

发射部分电路原理图如下图4所示：

二、激光回波接收部分设计

1.回波接收部分的功能与要求

激光回波接收部分，其作用包括以下几个方面：

通过探测器对激光信号包络探测，完成光电转换过程，输出调制电信号;对两路不同频率的信号进行滤波分离;对两路信号分别放大，使之幅度能够达到要求，并分别送至混频器。

在设计激光回波接收部分的时候要遵循以下要求：

滤波效果要好;保证电路不产生自激信号的情況下，尽可能提高电路的放大倍数，获得较高增益;对输入信号的放大倍数可以进行调节，以便能够与后续电路的要求进行吻合。

2.光电检测器的选择

图5显示的是一般硅、锗光电二极管的光谱响应特性，可以看出硅型和锗型的光电二极管在相对灵敏度上，对波长有着明显的选择性。

由于设计系统半导体激光器发生信号为红波，波长为650nm，由图5可知硅雪崩二极管比锗雪崩二极管对该范围的波长响应度高，因此选择硅雪崩二极管作为激光探测器。

3.激光接收的设计

在15MHz 和1.5MHz 两路信号的分离上，减小自激振荡产生的可能性，降低电路调试的复杂性，使用有源滤波原理设计滤波（分离）模块。

3.1滤波分离模块

我们选用运算放大器作为有限增益放大器来设计有源滤波器电路。首先要选取核心元器件，即放大器芯片。经过比较，最终决定使用AD8007作为有源滤波电路的放大器。

AD8007是美国模拟器件有限公司推出的一款低失真、低噪声、高增益、高带宽的电流反馈式运算放大器，其带宽达到650MHz，压摆率（G=+1， V0=2V）时为1000V/s。

根据滤波器设计原理，采用AD8007所设计的一阶滤波器电路原理示意图如图6所示

根据图6，可以分别列出节点 C 和 B 的电流方程，得到下面方程组

其中 K 表示放大器的增益。联立上面三个方程，为使电路计算简单化，我们这里令 C1 = C2 ，R1 = R2，则解之可得经过简单化处理的电路的传递函数为

该传递函数有两个共轭复根而且有两个在原点的零点，可见是一个二阶高通滤波器。其中，

当K>3时，分母中s项的系数就会变为负，极点就会移至S平面的右半平面，从而导致系统不稳定。

如果将电路中的外围元器件的阻容性进行对换，则可以得到二阶低通滤波器。

3.2放大模块

由于光电探测过程输出的信号十分微弱，根本无法满足后续电路中混频器的要求，因此对信号进行放大是必须的。

同时，要达到对输出信号幅度的可控制，必须选择带有反馈的放大电路设计方法。

反馈放大器的基本方程为

其中A是基本放大器的传输增益（也称开环增益或开环放大倍数），F 是反馈网络的传输系数（也称反馈系數），表示反馈信号占输出信号的比例。由式（3-5）可知，负反馈使放大器的增益下降了（1+AF）倍，但是当AF>>1的条件下，即所谓的“深反馈条件”下，

闭环增益主要决定于反馈系数，而与开环增益关系不大。与此同时，负反馈虽然使放大器的放大倍数减小，但却使放大器的许多性能得到改善。例如，放大倍数稳定度提高，通频带展宽，线性失真减小以及可以减小放大器内部产生的噪声与干扰的影响。

由于我们希望得到的是电信号的相位信息，而这种相位信息是通过电压的变化所传递的，因此，我们采用串连电压负反馈来设计同相比例放大器。其原理示意图与闭环传输特性如图7所示：

这种放大器设计简单，关键是基本放大器要有非常良好的特性，越接近理想放大器越好。在这里，我们发现，滤波所采用的运算放大器芯片AD8007同样能够满足放大器的要求。经过仿真与实际测量发现，以AD8007为基本运算放大器所设计的同相比例放大器有很好的效果。

参考文献

[1] 魏彪.激光原理及应用[M].重庆：重庆大学出版社.2007：1～20.

[2] 乔晓峰.脉冲式半导体激光测距仪的设计[D].南京农业大学.2010：19～25.

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