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基于激光测距的迫弹近炸引信研究

归档日期:06-28       文本归类:激光近炸引信      文章编辑:爱尚语录

  .一)f0.to0~艺’, 04复》嚣0。|.f }独创性l声 本人所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取}i。经过 技术保密的学位论文, ||:j1。, .,,}?ti幻.i_tZ_,o..X 指导教师:李琦教授宋念龙讲师 I信研究摘要签名:丞些垫 签名:乐蚕 激光近炸引信是伴随着激光技术的迅速发展和现代化作战环境需求而出现的一种引信。目前,激光近炸引信在各种炮弹、导弹上都有着广泛的研究和应用。本文主要是对迫 弹激光近炸引信中测距系统的研究。 本文首先讲述了激光近炸引信的原理,并对激光测距方法进行了分析和比较,选择了 脉冲激光测距法来检测引信和目标之间的距离;其次简单的介绍了系统所使用的波长为 905nm的窄脉冲激光二极管,在光信号接收方面,选择了对905nm波长响应极高的低噪 声雪崩二极管(APD)AD500.9作为光接收器件;设计了一套快速有效的短程测距系统, 包括:激光发射与接收电路,信号放大电路以及信号处理电路等;最后通过逻辑电路将发 射信号与回波信号脉冲前沿之间的时间间隔提取出来,并用反向积分电路中对提取的脉冲 序列进行积分。将积分器的输出电压和待测距离之间的对应关系用最小二乘法进行拟合, 对测量误差进行分析,同时对系统的快速性做了分析和测量。 本文应用在迫击炮的近炸引信中,在迫弹下落的过程中可以实现对引信和目标之间距 离的快速测量,当引信和目标之间的距离达到炸高时,测距系统输出一个与炸高相对应的 电压值,以此电压触发引信的执行级来引爆引信。 关键词:激光近炸引信;脉冲激光测距:积分:曲线拟合 Title:RESEARCHOF MORTAR PROXIMITY FUZE BASED ON LASER RANGI NG Major:Detection Technology AutomaticEquipment Name:Guangzu ZHANG Supervisor.Prof.Qi LI Lecturer Nianlong SONG Abstract signatu re..纳蚴丝 Signature:Z噬 Sig natu re:学吁 The l蹦proximity fuze afusealong rapiddevelopment lasertechnologY operationalenvironment needs.At present,laser proximity fuze carriedout extensive research applicationIn paperthemain research rangingsystem Mortarlaser proximity fuze Tiffs paper first describes laserproximity fuze,and laserrangmg method a陀锄alyzed pulselaser ranging method ttledisl【ance between wavelength905nm na肿w pulse laser diode,and lightsignal received,then 905咖wavelength Tesponse lownoise avalanche photodiode(APD)AD500 陀ceivingdevice;Design effectiveshort range ranging system,including:I弱er emitter laserreceiving circuit,a signal amplification circuit asignalprocesslng clrcult design;Through logicgate circuit transmitsignal echosignal pulse front edge timeinterVal beMe%the extractionthrough backwardintegration C1rcult pulsesequence integral.Byusing leastsquares method tTtting integra觚outputvoltage measurementerrorat systemspeed. In mortarfuze,Quick measurement dlstancebetWeen t11e舵e targetIn mortarprojectile When dis锄cebetween bursthigh.Ranging system output avoltage values whlch co盯espond tO deep.friedhigh.This voltage trigger fuseexecutive level tO detonatlon fuze.西安理工大学硕士学位论文 Keywords:Laser proximity fuze;pul se laser ranging;imegral;Curve fitting 1.2国内外发展现状……………………………………………………………………….2 1.3激光近炸引信的原理……………………………………………………………………2 1.4本文研究的主要内容………………………………………………………………….3 2激光近炸引信系统的测距方法分析…………………………………………………………5 2.1脉冲测距法……………………………………………………………………………..5 2.2相位测距法………………………………………………………………………………6 2.3干涉测距法……………………………………………………………………………..7 2.4激光三角法…………………………………………………………………………….7 2.5测距方法的比较与选取……………………………………………………………….7 2.6本章小结……………………………………………………………………………….8 3脉冲激光测距发射系统与接收系统设计……………………………………………………9 3.1激光器发射系统……………………………………………………………………….9 3.1.1激光器的分类与选择……………………………………………………………9 3.1.2半导体激光器的选型……………………………………………………………9 3.1.3激光器的驱动电路的设计……………………………………………………..11 3.2激光接收系统…………………………………………………………………………l 53.2.1光电检测传感器的选择……………………………………………………….1 63.2.2 APD的反向偏压……………………………………………………………一1 83.2.3信号放大电路的设计分析……………………………………………………..19 3.2.4接收系统输出…………………………………………………………………。2l 3.3本章小结………………………………………………………………………………22 4信号处理及系统快速性分析………………………………………………………………..23 4.1脉冲时间间隔的分析和提取………………………………………………………….23 4.1.1不同距离下时间间隔的分析………………………………………………….23 4.1.2时间间隔的提取………………………………………………………………………..25 4.2积分法求时间间隔与距离的关系……………………………………………………26 4.3积分电路原理及设计分析…………………………………………………………….29 4.3.1积分电路原理……………………………………………………………………29 4.3.2积分电路设计分析…………………………………………………………….30 4.4系统快速性分析…………………………………………………………………………3 14.5本章小结………………………………………………………………………………32 5实验结果与分析…………………………………………………………………………….33 西安理工大学硕士学位论文 5.1实验标定与数据采集…………………………………………………………………33 5.2最/b--乘法与曲线拟合……………………………………………………………….33 5-3误差测量与分析………………………………………………………………………35 5.4本章小结………………………………………………………………………………36 6总结与展望……………………………………………………………………………………。37 6.1总结……………………………………………………………………………………………………………….37 6.2展望…………………………………………………………………………………………………o………….37 致谢………………………………………………………………………………………………………………………….39 参考文献…………………………………………………………………………………………4l 弹药先进性的一种引信,是一种最有可能实现弹药解除保险和发火控制智能化的引信。 近炸引信是二战时期军事技术高速发展的产物之一,近炸引信应用在各种火控系统 中,很大程度上提高了弹药对目标的毁伤概率和毁伤效果。但随着战后电磁干扰等对抗技 术的高速发展以及待毁伤目标在机动性和速度方面的提高,使传统的光、电近炸引信的使 用环境和效果有了一定的限制,客观上要求近炸引信在抗干扰、引炸精度、探测范围等方 面性能的增强,而激光器的出现为近炸引信设计方面的新需求提供了物质基础。并且在世 界各国的军事方面就得到重用,激光近炸引信技术就是各国研究的热点之一口1。作为一种 高精度和高可靠性的引信,从小型的追击炮弹,到大型的战略、战术导弹,从垂直进行攻 击的反坦克导弹到掠海而飞行的反舰导弹,从地空导弹到空空导弹,激光近炸引信已经广 泛应用于俄罗斯及西方各国的多种类型导弹。激光近炸引信近年来已经成为衡量新一代导 弹先进性的标志之一H,。 激光近炸引信可以很精确的控制起爆时刻和起爆距离,使引信最大程度上发挥其性 能。激光发射系统发射的激光束遇到目标后,一部分经反射的激光作为回波信号被光电检 测器接收,经过光电转换将其转变为电信号,并对其进行一系列信号处理,可以使引信在 适当的时机和距离引爆引信,摧毁目标。由于发射波比较窄,而且接收系统体积比较小, 使引信不容易被探测和干扰,因此激光近炸引信具有比较强的抗干扰能力。 本课题的应用价值在于:小口径迫击炮属于常规武器,大多情况下会配备触发引信哺1。 触发引信要完成引爆,则需要其直接接触到目标,这就很大程度限制了它的杀伤范围和能 力。使用激光近炸引信以后,引信可以实现不接触而起爆,完全依靠其检测装置感应目标 的存在、速度以及距离,使弹药在设定的距离范围内引爆。它大幅度提高了弹药对目标的 毁伤效果,提高了武器系统对地面装甲目标、水中及空中目标和地面有生力量的毁伤概率, 是近距离起爆弹药最适用的引信,不仅大大提高了弹药的命中率,还可以降低开支,减轻 军队装备。 西安理工大学硕士学位论文 1.2国内外发展现状 从70年代初开始,世界各国对激光近炸引信展开了广泛的研究。1974年9月,美国的 哈雷戴蒙德实验室成功的研制了一种斜距式激光近炸传感器,可以将其使用的口径为2.75 英寸的火箭。激光近炸传感器具可以实现自动测量斜距,使火箭和目标之间的的斜距到达 设定值时,系统可以完成近距离的引爆。此套系统的发射器采用的脉冲式的GaAS半导体 激光器,其输出功率为30W,波长为905nm的激光辐射,通过光学系统将脉冲激光会聚到 目标上。1975年,瑞典成功的将主动式激光近炸测距引信应用于防空导弹3。1979年,瑞 典的埃里克森公司将激光近炸引信成功用于“响尾蛇”导弹,从有限的资料得知该引信具 有六个GaAs激光二极管构成的发射与接收机组件,其余详细的技术资料不清。1996年, 第40届引信年会在美国圣地亚哥成功召开,从年会上发表的论文得知,芬兰已经成功研制 了用于迫弹的多选择式的光学引信,它的作用距离为lm一5m,定距精度为lm。“西北风” 激光近炸引信可以根据来袭目标的方位调整适当的起爆延时,发射脉宽为几百纳秒,而脉 冲前沿仅仅只有几纳秒,作用距离3m,保证可靠截止,防阳光、云雾等干扰n1。挪威的 Noptel公司在1997年研制一款型号为NF2000M的激光近炸引信,可通用于各种迫弹。2001 年美国Junghams公司和Noptel公司联合研制了一种PX581型迫击炮的激光近炸引信。 PX581的炸高分为lm、2m、3m、4m以及5m五档装定,每档精度0.5m,配用于60mm、 8lmm和120mm的追击炮弹m1。该引信已于2002年4月J下式投产。 国内对近炸引信的研究工作主要从将近炸引信定距技术应用到空空导弹丌始,稍后在 对舰导弹和对地目标上也进行了相应激光测距引信方面的研究,但最终设计定型的仅有将 激光近炸引信应用于鹰击82导弹。兵器工业二一二研究所在“85”期间研制了一种激光. 磁复合近炸引信,它的定距精度0.15m,作用距离0.6m。航天部八三五八研究所研制了 一款作用距离控制在20m,定距精度2.8m的的激光测距近炸引信,用于某型反舰导弹; 近年来八三五八所正在研制的“无人机”上配用激光测距引信,作用距离1m-4m,定距精 度0.5m 19]。 1.3激光近炸引信的原理 激光近炸引信是通过探测目标激光回波信号来感知目标,并适时引爆战斗部。激光近 炸机构主要由五大部分组成:激光发射系统,激光接收系统,信号处理系统,电源模块以 及执行级引。 激光引信发射机的辐射源通常采用半导体激光器。利用不同波形的电流信号注入激光 器的泵浦电源,使激光器发射的激光受注入的响应波形信号的调制。注入激光器泵浦电源 的波形信号,通常是有一定重复频率的脉冲,或编码脉冲,或一定频率的连续波。这就是 说激光引信的工作体质由激光器的泵浦电源的波形信号决定。目自订激光引信最常用的工作 体制是具有一定重复频率的脉冲体质。当目标位于激光引信接收机光学系统的视场内.并 探测器探测来自目标的部分漫适时起爆战斗部。激光近炸引 发射信号 图卜1激光近炸引信系统框图Figure i-1 Block diagram laserproximity fuze 1.4本文研究的主要内容 障碍物本次课题研究的主要内容是对小口径迫击炮激光近炸引信的激光测距系统的研究,由 于迫击炮弹本身的限制,一般要求引信的炸高控制在1m-4m,精度通常控制在0.5m左右, 而且由于迫弹运动的高速性,要求测距系统有较高的测量速度,所以此次需要研究一种应 用于迫弹激光近炸引信的高速精确的短程测距系统。 第一章主要提出了课题的背景及研究的意义,并介绍了迫弹的激光近炸引信原理以及 国内外激光近炸引信的发展状况。 第二章对激光近炸引信中激光测距的原理和方法进行了总结,并对各种方法进行分析 和比较,选择脉冲激光测距法作为激光近炸引信的测距方法。 第三章主要是对脉冲法激光测距发射系统和接收系统的设计,包括对激光器的分析及 选型,窄脉冲发生电路以及激光器驱动电路的设计:光电检测器的分析及选型,选择雪崩 二极管(APD)作为光电检测器并给其提供合适的反向偏压,以及信号放大电路的设计。 最后成功得到了脉冲发射信号与不同距离下的回波信号。 第四章中首先理论分析了脉冲前沿时间间隔的提取方法,并通过门电路将时间fnJ隔提 取出来:其次在MATLAB中对时间间隔脉冲用梯形法进行了积分,得到积分值与距离的 对应关系:通过运算放大器设计反向积分电路,对提取的时间间隔脉冲序列进行积分,可 西安理工大学硕士学位论文 以得到与距离相对应的电压值;同时对系统的快速性进行了分析和测量,验证在快速性上 满足本次课题迫弹近炸引信的要求。 第五章章的主要任务是进行实验标定和结果分析,对短距离进行测量,通过对积分器 输出电压与距离值用晟d-乘法进行数据拟合,分析比较得出拟合曲线阶次以及出曲线的 方程,并其次对误差进行测量和计算,得出在快速的短程测距范围内的最大误差值。 第六章主要是本次课题的总结和展望。 激光近炸引信系统的测理方法分析2激光近炸引信系统的测距方法分析 激光近炸引信就是利用激光束来探测目标,并确定引信与目标之间距离的一种光学近 炸引信。激光具有单色性、相干性、高方向性、高亮度等特性,这就赋予了激光近炸引信 许多传统光、电近炸引信所不具有的优点,其中之一就是具有良好的抗干扰性。由于激光 的方向性好并且波束窄,所以激光近炸引信的作用距离散布小、启动角精度高,对目标的 方位和距离信息可以做到精确的探测,而实现精确引炸的最佳途径就是对这类信息的提 取,因此,在精确引炸方面,激光近炸引信有着广阔的前景。 本课题中,当炮弹发射后,弹丸进行高速运动,要对弹丸离地之间的距离进行检测来 确定最佳起爆点,本课题的目的就是要基于激光测距原理,研制一套快速而又简单有效的 适用于迫弹引信的激光测距系统。 根据激光测距的基本原理,激光测距方法可分为激光飞行时间测距和非飞行时间测距 两种,其中飞行时间测距根据发射激光的形式不同,可以分为脉冲激光测距和连续波激光 测距,后者根据起止时刻的标志不同又可以分为相位法激光测距和调频激光测距。非飞行 时间激光测距技术是指在测距时并不像飞行测距法那样直接或者间接获得激光飞行的时 间,而是通过光子计数法或数学统计法来获得目标的距离…1。按照激光测距的原理,激光 测距方法大体可分为以下几种。 2.1脉冲测距法 目前,在战术前沿测距、地形测量、超远距离测量以及导弹运行轨道跟踪方面,脉冲 激光测距法都有较为广泛的应用,脉冲激光测距就是利用激光脉冲持续的时间非常短,瞬 时功率很大,能量相对集中的特点,若对测距的精度要求不是非常高,可以不使用合作目 标,利用脉冲激光经被测目标发生漫反射所获得的回波信号,就可以进行距离的测量。脉 冲测距法基本原理是:用脉冲激光器向待测目标发射出一束强而短的脉冲激光,当激光脉 冲遇到待测目标后,-d部分激光经过漫反射后,回到测距点被光电检测器所接收。假设 激光脉冲从测距点和待测目标之间往返一次的时间间隔为t,则测距点和待测目标之问的 的距离D为: D=了cI 。(2.1) 上式为激光测距的基本公式n羽,其中c为光在大气中传播的速度。 当认为光速保持一定 时,那么测距精度为: AD=主, (2.2) 脉冲法测距的原理图如下图2.1所示: 西安理工大学硕士学位论文 2.2相位测距法 f激光器驱动! 电路 I信号处理电!发射信号 I口I波信号 图2.1脉冲法测距原理图 Figure2-1 Ranging schematic pulse method 障碍物相位法激光测距对激光束进行幅度调制,对调制光在测距点和待测目标之间往返一次 的相位延迟进行测量,然后再通过已知的调制光的波长,计算出相位延迟所对应的距离。 相位测距法其实就是问接地测量出激光经往返测距点和待测目标所需的时间,相位法测距 的原理图如下所示。 、价八八/激光器 调制器 图2-2相何法测距原理图Figure 2-2 Ranging phase diagram method 假设激光发射器发射出角频率为co的正弦波,经目标反射以后会被激光接受系统所接 收。我们会发现接收到的正弦回波信号和发射的正弦波信号相比较,会存在一个相位差 饥。假设发射信号为: =A。sin(T+九) (2.3) (2.3)式中4为振幅,T表示时间,是角频率,巾。代表初始的相位。回到接收系统的 证弦回波信号如果不考虑振幅的变化,则可以表示为: 炸引信系统的测距方法分析=A。sin(toT一t+九) 倍距离上传播导致的相位差: (2.4)(2.5) 将式(2.5)代入测距基本公式: (2.6)24万厂 、‘由上面的推导可知:如果要求发射系统和待测测点之间的距离D,则只需要测量出信 号从发射到接受时刻其相位的差值就可以完成川。 .2.3干涉测距法 干涉测距法的本质其实也是一种相位法的测距。干涉测距法通过测量激光光波本身干 涉条纹的变化来测距。这与相位法测距通过测量激光调制信号的相位变化进行测距有所不 同。激光的波长很短,而且由于激光的单色性,激光波长值很准确,所以测距的分辨率可 以达到二分之一的激光波长,精度在微米量级。利用现代技术的处理,干涉条纹可以细分 到1%,所以说干涉法测距具有其它任何测距方法所不能达到的测距精度。 2.4激光三角法 激光三角法测距基本原理是基于平面三角几何的。其方法就是让一束激光经过发射透 镜准直以后,照射到被测物体的表面,让物体表面散射的光线经过透镜之后聚到光电检测 器上,形成一个散射的光斑,此散射光斑位置中心位置由传感器与被检测物体表面间的距 离来决定,光电检测器输出的电信号又和光斑中心位置有关,所以说,通过对光电检测器 输出电信号进行测量与数据处理,就能得到被测物体表面距离传感器的位置们。 2.5测距方法的比较与选取 目前飞行时间激光测距法中最常用的两种方法是脉冲激光测距和相位激光测距。两者 相比较,在平均输出功率相同的条件下,脉冲测距的性能要优于相位激光测距。脉冲激光 测距的所需测量时间要短于相位激光测距,脉冲测距主要用于远程测距和一些测量时|’日J比 较短的场合钉。 与相位激光测距相比较,脉冲激光测距有以下一些优点:第一,如果二者的总平均功 率相同,脉冲激光功率可以在瞬时达到很高的水平,使较远的目标仍能够反射回足够能被 检测到的光信号的强度,所以一般脉冲型激光测距系统可测量的距离远比连续型激光测距 系统远。第二,一般情况下,脉冲测距方式的测距速度较快。在采取某些计时方式时,其 单次脉冲激光测距只需要收到回波脉冲就结束计时,其单次测量所需的时问非常短:而相 7r 西安理工大学硕士学位论文 位法由于需要比对往返信号之间的相位差,因此测量时间比较长。第三,脉冲式测距不需 要合作目标,隐蔽和安全性能好。由于激光脉冲有很高的瞬时功率,不需要目标有合作性, 这在很多应用环境都是很重要的,特别是军事用途。一般而言,连续波激光测距都需要在 目标处放置反射镜等装置来提高回波功率引。 本课题所要设计的激光测距系统应用于迫击炮的激光近炸引信,其特点是要求系统的 体积小,重量轻,而且需要在无合作目标的情况下和在高速运动的过程中实现对距离的测 量,因此,我们选择了脉冲激光测距的方法进行系统的设计71。 ‘2.6本章小结 本章主要对激光测距的几种方法进行了一个简单介绍,通过对脉冲测距法和相位测距 法进行比较,最后选择脉冲激光测距法作为本次课题的研究方法。 对激光器有不同的分类方法,一般按工作介质的不同来分类,可以分为固体激光器、液体激光器、半导体激光器和气体激光器。除此之外,根据激光的输出方式的不同,激光 器又可以分为脉冲激光器和连续激光器81。本次设计对距离的测量是选用脉冲激光测距的 方法,所以应当选用脉冲激光器:由于本次设计应用在迫弹的近炸引信上,要求装置体积 小,重量轻,而半导体激光器则具有以上的特点,综上所述,最终选择脉冲型半导体激光 、半导体激光器又被称为激光二极管(LD),是一类以半导体材料作为工作物质的激光器。半导体激光器具有以下的优点:(1)低电流低功率,可由传统的晶体管电路实现直接 驱动;(2)可以得到高速调制的激光输出:(3)半导体激光器所覆盖的波段最广;(4)半 导体激光器的体积小,质量轻,价格相对便宜;(5)半导体激光器的电子.光子转换效率 非常高,理论上其内量子效率可接近100%,实际情况下仍可达70%以上;(6)半导体激 光器基于半导体的制造技术,适用于大批量的生产,而且其使用寿命比较长n引。基于以上 的这些优点,本次设计采用的就是半导体激光器。半导体激光器有着广泛的应用lji『景, 在激光测距、激光通信、激光雷达、激光制导跟踪、激光模拟武器、引燃引爆、激光警戒、 检测仪器、自动控制等方面都有广泛的应用。 3.1.2半导体激光器的选型 激光发射系统的设计包括脉冲激光器的选型,激光波长的选择,激光峰值发射功率、 脉冲宽度、重复频率等参数的确定。激光接收系统的设计包括回波接收方案选择,光电检 测传感器的选型,光电检测器偏压电路的设计以及放大电路设计等。 由于本文所研究的脉冲激光测距系统是应用于小口径迫击炮的激光近炸引信系统,要 求其探测距离为5米以内,考虑到在迫弹上应用对激光器的体积、质量、功耗都有严格要 求,而且要求激光器的价格尽可能合理,本文选用大功率的脉冲式半导体激光器。脉冲半 导体激光器常用波长有O.9um和0.86urn,其中0.9um的脉冲半导体激光器不仅产品丰富、 价格低廉,而且其波长证好处于大气窗口中,经过比较,本文选用波长为0.9um的脉冲 西安JE_r-大学硕士学位论文式半导体激光器。 在选择脉冲半导体激光器发射脉宽时需要综合考虑各种因素的影响,通常情况下,发 射激光的脉宽范围控制在十几纳秒到上百纳秒。最终通过分析和比较,本次设计选用德国 OSRAM公司生产的波长为905nm,脉冲宽度小于100ns,典型峰值功率为75W的 SPL—PL90—3脉冲半导体激光二极管。 图3-i SPL—PL90—3外观 Figure3-1 SPL—PL90—3 appearance SPL PL90 3半导体激光器主要参数如下所示: 表3.1 SPL PL90 3主要参数 参数名称 ’参数值 波长 905rim 最大峰值功率 75w 最大占空比 最人峰值正向电流40A 最大脉冲宽度 lOOns 发光区面积 200 p册10 平行:9。SPL LL90 3器件的指标给出脉冲峰值功率可高达75w,30ns脉宽时可在25KHz下 可靠工作,发光区200/anx lO/am,发散角90250。,发射波长为905nm,波长公差为士 10nm,光谱宽度为7nm。 对于典型的脉冲激光二极管SPL LL90 3,可确保工作在安全状态下的占空比要求为 小于等于0.1%,当LD输出(驱动)脉冲宽度小于lOOns,频率为10KHz时,其占空比小于 10 100.10。.10.103=10.10-4=0.1%,即它的额定值,所以脉冲激光二极管工作在重复频率 为10KHz时是可行的,本次设计中采用MOSFET管来驱动LD,可以输出高效,窄脉宽, 大功率的红外激光。选取高速功率MOSFET IRF7470作为驱动器, IRF7470有非常强的 驱动能力与很快的响应速度,它可以用窄脉冲TTL电平信号做为输入信号来触发。 3.1.3激光器的驱动电路的设计 激光发射系统的框图如下: 窄脉冲发生 半导体激光电路 /电路 /器(LD) 图3-2激光发射系统的框图 Figure 3-2 The block diagram lasersystem (1)窄脉冲发生电路 窄脉冲发生电路的原理:用555定时器可以产生5KHz的方波即占空比为50%的脉冲 信号,要产生窄脉冲,需要先将上述产生的方波信号进行延时,利用模拟集成芯片74HC04 对信号进行6次延时,共延时约50ns,之后将输出结果通过模拟集成芯片74LS86做一次 异或操作再输出,就可以产生一个脉宽为50ns,频率为10KHz的脉冲。下图3.3是用555 定时器,74HC04,74LS86芯片产生窄脉冲的示意图。 …=.-Im‘匿 图3-3窄脉冲产生示意图Figure3 Narrowpulse generator schematic’ 下面对555定时器做一个简单介绍,555定时器是一种多用途的数字一模拟混合集成 电路,利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。因集成电路内 部含有三个5K的电阻而得名。本次设计就是利用555定时器接成多谐振荡器的功能。其 内部电路结构及常用外围电路如图所示: 西安理工大学硕士学位论文 VCC 电路的振荡周期为: 振荡频率为: 图3-4用555定时器接成的多谐振荡器 Figure3—4 555 timer connected amultivibratorT=正+兀=(冠+2尼)Cln2 2而--I"--2’~,‘“.,。丁尼+见 (3.1) (3.2) 上式说明,上图中的电路输出脉冲占空比始终都大于50%。由于本次设计为了得到 输出等于50%的占空比的脉冲,所以可采用以下的改进电路。在改进的电路中,加入二 极管Dl和D2,使电容充放电时电流通过不同的路径,放电时,电流只流经R2,充电时 刻,电流只流经Rl,所以电容Cl的充电时间变为 7:=RlCIn2 (3.4) 而电容的放电时间变为 瓦=R2Cln2 (3.5) 故而得到输出脉冲的占空比为: pg2焘 如果取Rl-l毪,则g=50%。电路的振荡周期也相应变为 12 T=五+瓦=(Ri+足)CIn2 (3.7) 图3.5用555定时器组成的方波发生器Figure3 Squarewave generator formed 555timer 图中取Ri=R2=1.5K,CI=O.1uf则 T=五+五=(墨+R2)cI In20.2ms ,.:一1:————旦——一5KHz 。r(R+R2)CI In2 下图3-6是用555定时器生成的频率约为5KHz的方波: 。图3.6频率为5KHz的方波 Figure 3-6 Frequency 5KHzsquare wave 得到5KHz的方波信号以后,用74HC04芯片对方波信号进行延时,再将延时后的方波信 号与原始信号通过74LS86芯片进行异或操作,就可以得到所需要的频率为10KHz的窄 脉冲信号。 mUS——pNor一沙NOT— NOTgate XOR西安理工大学硕士学位论文 下图3.8为555定时器产生的方波以及经过6次反向以后有一定延时的方波,图3-9 为上图中两个方波异或以后产生的窄脉冲,脉宽约为50纳秒,频率约为10KHz: 图3-8方波和其延时后的信号 Figure3-8 Square itsdelay 图3—9脉宽为50ns,频率为10KHz的窄脉冲信号 Figure3 Pulsewidth 50ns,afrequency 10KHznarrow pulse (2)驱动电路的设计 应用MOSFET来实现了对半导体激光器SPL PL90 3的驱动。使用MOS功率管驱 动电路,因为其具有以下的优点:开关速度快,不存在二次击穿,而且安全的工作区域宽, 增益非常高,和普通的双极性晶体管相比较,无论是在线性放大还是在开关应用中都更有 优势晗。特别在纳秒级的高速开关应用中,由于MOS管是压控型的功率器件,在正常的 偏置下,只需要在栅极与源级之间加上一定幅值的电压就可以产生流过漏极的电流。从理 论讲,不会有电流流入栅极,这样会对驱动电路的功率要求比较低,电路也会比较简单。 功率MOSFET和双极晶体管相比的第一个显著特点就是驱动电路简单、而且属于电 压控制、需要的驱动功率比较小、输入阻抗高;第二个比较显著的特点是工作频率比较高、 开关的速度快盟1。所以利用功率MOSFET良好的开关特性可以实现对半导体激光器的驱 动。本次设计选用的功率MOSFET为IRF7470。 14 图3.10 IRF7470的外形及管脚图 Figure 0IRF7470shape pindiagram 以IRF7470为基础设计的激光发射器的驱动电路原理图如下图3.1l所示: Figure 3-1 iDrive circuit schematic 在MOS管IRF7470导通之前,C3一直处于充电状态,当MOS管导通之后,C3所 存储的电荷在导通期间释放,形成脉冲信号。以此来驱动激光二极管LD的发光,在设计 时应当注意的是,如果C3的取值过小,则激光二极管获得的功率不够,因为LD的功率 是完全取决于C3上所储存的电荷的,如果C3的取值过大,则C3的内阻又会偏大,从 而影响LD管脚的分压,所以充放电电容C3应当选取合理的值。本次设计中C3的取值 为47nfo发射系统输出的取样脉冲信号波形如下图3.12所示: 3.2激光接收系统 图3.12激光发射信号 Figure 2Lasersignal 激光接收电路是脉冲激光测距中很重要的一部分,它的优劣直接决定了激光测距系统 的性能喇1,设计接收电路主要包括以下几点:首先是光电传感器的选择,其次是给APD 提供合适的反向偏压,最后就是信号放大电路的设计,下图3.13是接收系统的框图。 15 西安理工大学硕士学位论文 l反向偏置电压;i后续电路 ::..一.....一一..一....一..一一’ 图3.13接收系统的框图 Figure 3Receivingsystem block diagram 3.2.1光电检测传感器的选择 光电探测感器做为激光接收电路的一个很重要的器件,它的主要作用就是可以将目标 激光反射的光信号转换为电信号,以便于后续的信号处理。光电转换的原理就是光电效应。 常见的光电探测器主要包括以下几类:光电倍增管(PMT)、PIN型光电二极管、雪崩型 光电二极管(APD)等。PMT有比较高的增益和较低的噪声,,但同时它的体积比较大, 抗外部强磁干扰能力差,动态响应的范围比较小等缺点,所以一般在脉冲激光测距系统中 使用的很少。而PIN型光电二极管和APD这两种光电探测器经常应用于脉冲激光测距系 统,下面对这两种器件进行分析比较。 首先介绍雪崩型光电二极管(APD),它是一种具有内部增益的光电二极管。如果在 其外部加上比较低的反向偏置电压时则与普通的光电二极管一样,但是当外加的反向偏压 增加到一定值、使结区电场增高到一定程度时,光生载流子就会在漂移过结的过程中与束 缚电子发生碰撞电离,可以产生附加载流子。在高电场下,附加载流子会进一步获得能量, 使动能增加而且可以再次发生碰撞电离。在电场的作用下,雪崩击穿载流子能量不断增大, 且持续与晶体原子发生碰撞,使得共价键中的电子在激发以后形成自由电子.空穴对。新 产生的载流子又会碰撞产生新的自由电子.空穴对,这就叫做倍增效应。如此不断循环, 使载流子数呈现出雪崩式的增加,进而使输出的光电流产生M倍的增益乜油1。 。以下分别是PIN型光电二极管和APD的特点。PIN型光电二极管的特点是:自身功耗 较低、体积小、低噪声、所需要的偏压小:但PIN管是利用P-N结的光生伏特效应而制成 的,没有内部增益,如果想要得到足够大的电信号,就需要通过设计后续放大电路,使其 具有非常高的增益,同时还要保证放大器足够大的带宽和极低的噪声以致波形不会发生失 真现象。但是要设计同时满足宽频带、低噪声、高增益的放大电路,实际很难实现,PIN 型光电二极管一般都应用于回波功率较大、接收系统的体积大小要求比较严格、对响应时 16

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