基于温度补偿算法的双光路激光测距的研究

王 山，廖 平

(中南大学机电工程学院，湖南长沙 410083)

0 引言

生活中常需要对移动的物体进行距离测量，设计一种低成本、小型化、精度高、实时性好的测距仪具有重要的意义[1]。激光测距具有着小型化、成本低、精度高、测量速度快的特点被广泛应用，但为了获得更高的测量速度，需要减少ADC采集的周期数与采样点数，此时对测距的精度会造成影响。因此采用单一的方式提高测量速度，不能做到与测量精度兼顾。近年来有学者将硬件补偿法应用到激光测距中，虽然取得了一定的效果，但同时也带来了成本增加、体积增大等缺点[2-4]。

本文提出了基于温度补偿算法的双光路激光测距的方法。硬件系统的控制芯片选用STM32F030C8T6，通过I2C对时钟芯片进行配置，产生2个大于160 MHz的高频信号，一个信号用作激光的调制，另一个信号加在APD雪崩光电二极管的高压信号上，用作混频。当激光发射模块处于内光路时，通过APD混频之后的低频信号是参考信号，当激光发射模块切换为外光路时，经过APD混频的信号是测量信号。然后ADC采集激光接收模块上面一个热敏电阻的电压值，换算为温度值。之后通过FFT进行鉴相，通过温度值对相位进行补偿，最后通过相位差算出距离值。实验结果表明，通过温度对相位进行补偿，在提高测量速度的前提下，仍然可以保持mm级的测量精度[4-5]。

1 硬件系统设计

1.1 硬件系统整体结构

系统的硬件整体方案如图1所示。

图1 硬件系统整体方案图

系统由MCU模块、激光发射单元、频率产生模块、高压模块、激光接收单元等部分组成。当系统打开内光路时，得到的信号是参考信号，通过ADC采集，保存在主控芯片中。系统切换到外光路，得到的信号是测距信号，也通过ADC采集保存在主控芯片中。经过FFT鉴相，根据温度值对相位进行补偿,算出测距信号与参照信号的相位差，最后根据相位差计算距离值[6-8]。

1.2 激光发射模块

激光发射模块主要由激光管、激光调制电路和激光功率负反馈电路组成。

本文选用激光二极管的型号是HSLD650-5，波长是650 nm，输出功率为7 mW。激光调制电路中，起调制作用的正弦波信号由时钟芯片产生，频率可达160 MHz，经过三极管的放大以后与一个直流信号叠加，该直流信号确保达到激光二极管的开启电流，叠加之后的信号驱动内光路的激光管或外光路的激光管，中间有一个电子开关负责内外光路的切换。激光功率反馈电路的原理如图2所示，当激光管的功率过大时，激光管的功率反馈端的输出电流会增大，然后使R16左端的电压升高，当电压高于R11左端的电压时会使运放的输出拉低，此时激光管关闭，然后激光功率反馈端的电流减小，使R16左端的电压小于R11左端的电压，然后运放的输出又会拉高，此时激光管又会打开，就这样不断反复，使激光功率保持在一个恒定的状态。

图2 激光功率反馈电路图

1.3 激光接收模块

激光接收模块主要由APD雪崩光电二极管和1个跨阻放大电路组成。

选用的APD为AD230-8，它的有效接收区域是0.04 mm2，接收半径为115 μm，光谱响应最大的是红光波段。它在23 ℃时的响应度如图3所示，可以看出它最高的响应程度的波长在655 nm。所选激光管的波长为650 nm，处于这个范围。

图3 APD响应曲线

跨阻放大电路原理图如图4所示，假设输入的电流为I0，则经过运放输出的电压为

图4 跨阻放大电路原理图

(1)

且放大电路的-3 dB的闭环带宽的计算为

(2)

式中：GBP为稳定的增益带宽积；Cd为光电二极管内部的结电容；Cdiff为差分电容；Ccm为共模寄生电容。

根据所选择的APD型号和运放的型号，可确定上述参数值,然后R1的最佳参数值可以根据输入频率确定。

1.4 频率产生模块

频率产生模块主要由Si5351时钟芯片产生高频信号，如图5所示，由STM32单片机通过I2C对时钟芯片进行配置，生成2个高频信号，一个用于激光功率的调制，另一个叠加在APD的高压信号上，用作混频。

图5 频率产生模块

1.5 高压模块

APD要想实现快速响应和很大的内部增益，就必须提供一个反向的偏置电压，其中增益与所提供的反向偏置电压的关系为

(3)

式中：G为倍增系数；UR为反向高压；UBR为反向击穿电压；n为与APD材料及注入载流子类型相关指数。

根据式(3)计算得出，当反向偏置电压在120 V左右时，增益值可达到70，因此所设计的高压电路如图6所示。

图6 高压模块

电路原理为一个boost升压电路，MOS管的栅极接由MCU芯片输出的PWM波信号，当MOS管的栅极为高电平时，MOS管导通，此时电流经过F11、L5以及MOS管流入地线。当MOS管的栅极为低电平时，MOS管断开，此时有较大电流由L5经D5分压后流入地线，然后产生一个接近120 V的高压。

2 系统软件设计

系统的下位机软件如图7所示，主要包括PLL控制模块、激光发射模块控制单元、APD高压控制模块、ADC采集模块以及FFT鉴相模块。使用单片机中的定时器生成PWM波，使用I2C通道对时钟芯片进行配置，使用内部的ADC通道对测距信号进行采集，使用串口通讯把算出的距离值发送到PC端。

图7 下位机软件图

软件系统的工作原理为：当MCU芯片收到UART发来的测距指令时，单片机通过I2C通道对Si5351进行配置，产生两路的高频正弦波信号，一路用作激光功率的调制，将高频正弦波信号加载到激光载波上，使激光的输出光强由调制信号确定，与此同时，让流过激光管的直流大于其阈值电流，保证激光管能顺利打开。另一路信号加到APD的高压上，与接收到的回波信号进行电外差混频，得到一个低频信号。由MCU芯片通过定时器输出一个PWM波，经过boost升压电路产生APD所需要的高压，等待接收回波信号。当APD收到回波信号时，将经过滤波放大的信号送到单片机的ADC采集通道，经过ADC采集，FFT鉴相，随后通过温度补偿算法对相位进行补偿，根据算法算出距离值。最后将得到的距离值通过RS485发送到PC端的串口界面进行显示。

2.1 Si5351的配置

通过PLL对Si5351频率进行设置，主要是完成对Si5351芯片里面寄存器的读写进行控制，通过I2C通道对芯片内部寄存器进行设置，输出要求的特定信号。整个配置过程的流程图如图8所示。

图8 Si5351配置流程图

系统正常供电后，首先运行主函数，接着对Si5351芯片进行配置，通过I2C初始化PLL内部的有关寄存器，随后读取内部的信息，如果PLL正在等待，MCU芯片会在对应寄存器的地址空间写入掩码信息，同时鉴别输出信号的状态，如果输出信号处于正常状态，就会选择对应的PLL机型配置，若PLL处于锁定状态，就把要求的频率控制值写进对应的寄存器，同时正确设置R分频器的值，等各项配置都完成后，延时1 ms，然后单片机使能芯片的输出引脚，使两路高频信号都能稳定的输出[9]。

2.2 ADC采集模块

此模块的主要功能是对经过混频后的参考信号和测距信号进行ADC采集。这个模块使用的是单片机内部自带的ADC通道，然后选择它的逐次逼近模式，使能ADC通道。由于混频后的低频信号为10 kHz，故设置的采样频率为50 kHz，将ADC采样的结果存储在寄存器中。同时看门狗模式也需要使能，为了实现信号的再次滤波，需要设置ADC采集的阈值电压。为了让数据的传输更加快速，调试过程中直接使用单片机内部的DMA。

2.3 鉴相方法

假设x(n)是一个拥有N个数据的离散序列，对x(n)进行离散傅里叶变换得：

(4)

式中：k=0,1,2,3,…，N-1；n=0,1,2,3,…，N-1。

由欧拉变换可得：

(5)

式(5)可表示为

X(k)=Re[X(k)]+jIm[X(k)]

(6)

由式(6)可得测距信号和参考信号相位为

(7)

因此求得测距信号和参考信号得相位差，再通过测距算法求出距离值。

2.4 对相位进行温度补偿

当环境的温度升高时，APD的击穿电压也会增大，若此时提供给APD的偏置高压保持不变，APD的倍增因子会随着温度的变化而变化，然后APD的响应会呈现出一种非线性的状态，最后会影响到整个测距的精度。因此，提出了一种温度补偿算法来解决由温度的变化带来的APD非线性响应问题。

在接收板上放置一个热敏电阻，如图9所示，用于监测环境温度的变化，然后采集热敏电阻的电压进入MCU芯片，再根据采集的电压换算成温度值T。由于APD的电压只取决于温度，因此可以通过温度自动切换APD的电压值。设需要设置的APD电压为V1：

图9 温度测量电路图

(8)

式中：Vrange为APD电压的范围；Tmax为APD温度最高值；T为当前温度值；Vmin为APD电压的最小值。

同时还可以计算出相位的补偿值，设补偿的数值为Y0，则：

Y=K1·T

(9)

Y=Y-K2·T2

(10)

Y0=-Y·K3

(11)

式中：K1为实验测量所得系数，K1=0.226 974；K2为实验测量所得系数，K2=0.004 982 7；K3为相位乘积系数，K3=10。

由相位差的值，加上计算的相位补偿值，得出补偿后的相位差值，最后算出最终的距离值。

3 实验测试

在硬件电路的设计及软件代码的编写完成后，进行实验验证。通过减少ADC采样周期数和采样点数提高了采样速度，因此实验主要是验证测距系统的精度。本测距系统采用的RS485串口通讯，通过一个RS485 TO USB转接头与上位机PC相连，测距系统将距离值通过串口发送到上位机PC。将测距系统安装在移动的小车上进行实时测距，实验结果如表1所示，DIST表示距离值，AMP表示测距信号的幅值，VOLT表示APD的高压。

表1 验证本文设计的测距系统精度的实验结果

由实验结果可知，本测距系统的测量实时性好，精度高，在移动的小车上面的测距精度仍然保持在mm级的分辨率，达到了预期的功能要求。

4 结束语

本文提出了一种基于温度补偿算法的双光路激光测距系统。为了提高测量速度，增强测距系统的实时性，减少了ADC采样的周期数和采样点数，同时为了不使测距精度受到损失，采用了一种温度补偿的方式对相位进行补偿，提高了测量精度。本测距系统可应用于实时性和精度要求高的场合。