适合于小飞机防撞系统的机载小型激光测距仪

文章编号:025827025(2005)1121549205

适合于小飞机防撞系统的机载小型激光测距仪

鲍星合,陈　刚,夏志平,瞿荣辉,方祖捷

(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)

摘要　报道了一种重量轻、功耗低、适合于小飞机防撞系统应用的小型激光测距仪。系统基于脉冲激光测距原理,采用905nm 半导体脉冲激光器、电感升压式偏置高压电源和可编程逻辑器件(PLD ),研制出重量不大于100g ,功耗不大于625mW ,测量范围100m ,盲区3.0m ,分辨率±1m 的机载小型激光测距仪。实验测试结果表明,其各项技术性能指标符合无人驾驶小飞机防撞系统的应用要求。关键词　仪器;激光测距仪;复杂可编程逻辑器件;电感升压技术;机载中图分类号　P 225.2 文献标识码　A

Airborne Miniature Laser R ange Finder

BAO Xing 2he ,C H EN Gang ,XIA Zhi 2ping ,QU Rong 2hui ,FAN G Zu 2jie

(S hanghai I nstitute of O ptics and Fine Mechanics ,T he Chinese A cadem y of S ciences ,S hanghai 201800,China )

Abstract A light weight ,low consume and miniature laser range finder which is suitable for aircraft collision

avoidance system is reported here.By virtue of the use of 905nm pulse semiconductor laser ,high voltage supply boosted by inductance and complex programmable logic device (CPLD ),the completed device with detectable range of 100m ,blind region of 3.0m ,and resolution of ±1.0m is featured by its weight of less than 100g and energy consume lower than 625mW.According to the test results ,all of the technical characteristic meets the demand of miniature aircraft collision 2avoidance system.

K ey w ords instrumentation ;laser range finder ;complex programmable logic device ;induction step 2up transformer ;airborne

收稿日期:2005203211;收到修改稿日期:2005206209

作者简介:鲍星合(1980—

),男,安徽寿县人,中国科学院上海光学精密机械研究所硕士研究生,主要研究方向为激光测距。E 2mail :realstar_2005@

1　引　言

目前小型无人飞行器十分引人关注,它广泛应用于军事及民用。由于小飞机的使用场合主要是在低空范围,飞行路径中的建筑物乃至山峰等障碍物对于飞行而言是必须加以回避的危险因素。因此,机载小型激光测距仪是无人驾驶小飞机飞行安全的关键传感器件。

激光测距技术已广泛应用在国防军事和生产交通等许多领域,已有许多产品问世,但是现有商用激光测距仪,在体积、重量、功耗、重复频率等方面还不能满足无人小飞机的应用需求。机载小型激光测距仪要求的测量距离相对较近,而又要求其体积、重量和功耗小,因此光电效率高的半导体激光器测距仪是合适的解决方案[1]。

传统半导体激光测距仪通过分离元件处理激光收、发信号从而测量光脉冲往返时间,使得电路较复杂,调试困难,精度及可靠性相对差,体积、重量也较大。本文采用目前在电子工程领域广泛应用的可编

程逻辑器件(PLD )进行收发信号处理,该器件的使用使得整机重量、功耗都大幅度降低,而系统可靠性却得到提高。同时由于可编程逻辑器件可以在系统编程,方便了系统调试,产品升级[2,3]。

2　系统结构和工作原理

2.1　系统组成

如图1所示,机载小型激光测距仪整个系统包括激光脉冲发射模块及发射镜;回波脉冲探测模块及接收镜;高压模块提供半导体脉冲激光器和雪崩

第32卷　第11期2005年11月

中　国　激　光

C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS

Vol.32,No.11

November ,2005

光电探测器所需高偏置电压;信号处理器兼顾整个系统的控制和测距信号的处理工作,以及单片机接

口,实现测距仪和小飞机控制系统的数据传输

。

图1机载小型激光测距仪系统结构

Fig.1System composition of the airborne miniature

laser range finder

系统工作时,小飞机控制器首先发出一个测量信号至激光测距仪信号处理器,信号处理器的核心是复杂可编程逻辑器件(CPLD ),由可编程逻辑器件完成激光飞行时间的测量和对激光脉冲收、发信号的处理[4]。2.2　激光发射和接收模块

激光发射模块主要包括激光驱动、反馈采样电路和高功率脉冲半导体激光光源。激光驱动器收到来自信号处理器的触发信号后,驱动激光器发射一个峰值功率10W ,波长905nm ,脉冲宽度25ns 的激光窄脉冲,其光谱图如图2所示

。

图2机载小型激光测距仪激光器光谱

Fig.2Laser spectrum of the airborne miniature

laser range finder

在激光器发射窄脉冲的同时,激光驱动器通过

对发射脉冲采样,反馈回信号处理器一个脉宽25ns 激光发射电信号(en ),en 信号波形如图3(a )所示。

激光接收模块主要包括雪崩光电二极管、前置放大器和比较器

。激光脉冲遇到目标后发生漫反

图3激光发射信号(a )和接收信号(b )波形

Fig.3Waveform of emitting signal (a )and

reflected signal (b )

射,回波信号经过接收透镜聚焦在雪崩光电二极管上转换成电脉冲信号,经过前置放大后,由比较器输出一个激光接收信号(stp ),输入至信号处理器。stp 信号波形如图3(b )所示。激光接收模块输出的stp 信号脉宽随着激光回波脉冲的强度不同而成正

比变化。

其中接收模块的探测灵敏度是反应系统测距能力的关键。本系统选用的雪崩光电二极管灵敏度可达0101μW ,激光发射峰值功率为10W ,根据理论计算,能够很好地满足100m 的测程要求[5,6]。2.3　光学和机械结构

光学和机械结构包括发射镜、接收镜和机壳,其特点如下:

1)非球面发射透镜。直径D 1=15mm ,焦距

f 1=20mm ,中心波长λm 1=808nm 。

发射镜可以通过螺纹前后微调整,如图1,使得激光器发光区位于发射镜焦点上,从而获得需要的激光发射角。

2)接收镜。为了消除背景光的影响,本系统采用具有带通特性的接收透镜,使得790～1080nm 以外短波长和长波长部分截止。接收透镜参数如下:

直径D 2=45mm ,焦距f 2=80mm ,通过带宽Δλ:790～1080nm 。接收镜透过谱曲线如图4所示。

接收镜也可以通过螺纹前后调整,结合探测器的调整,使得接收镜焦点落在探测器光敏面内,从而

0551中 国 激 光 32卷