基于三角激光測距系統(tǒng)中激光器驅(qū)動電路的研究

祁偉光，李紅娟，謝 勇，李良庭，馬路明

(上海蘭寶傳感科技股份有限公司，上海 201404)

0 引言

激光三角測量[1]是實現(xiàn)激光測距和激光位移傳感的重要方法，可以實現(xiàn)μm級別的高精度測量。三角激光測距系統(tǒng)如圖1所示，包含激光模組、接收透鏡、線陣CCD以及其他傳感器部分。激光模組發(fā)射的光經(jīng)標靶反射后，通過接收透鏡匯聚光線，在線陣CCD上成像。標靶距離不同，在CCD上的成像位置也不同。提取成像光斑的質(zhì)心后，即可計算出當前標靶距離。

圖1 三角激光測距系統(tǒng)原理圖

激光光源是該系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響產(chǎn)品的精度、溫度穩(wěn)定性和使用壽命。且不同于激光脈沖測距方法[2]和激光相位測距方法[3]對激光驅(qū)動電路的要求，其對功率穩(wěn)定性的要求更高。目前三角測量產(chǎn)品所采用的激光光源多為半導體激光器，具有封裝小、光電轉(zhuǎn)換率高、低成本等優(yōu)點，但在實際使用中的抗干擾能力很弱，容易受到環(huán)境影響，因此需要對其功率進行恒定控制[4-7]。為了實現(xiàn)高出光功率穩(wěn)定、小體積、低成本、高動態(tài)范圍調(diào)整和寬溫度范圍等在產(chǎn)品設(shè)計階段的要求，設(shè)計并深入分析本文提到的高穩(wěn)定性激光器驅(qū)動電路。

1 電路模型分析

三角激光測距系統(tǒng)激光驅(qū)動電路如圖2所示，包含激光器、驅(qū)動三極管、運放反饋電路和DAC調(diào)節(jié)等部分。

圖2 激光驅(qū)動電路

在系統(tǒng)中，LD的輸出光功率(P)和PD產(chǎn)生的光電流(Im)有著唯一的對應(yīng)關(guān)系:

P=Imk

(1)

V+=V-≈Vf=R2Im

(2)

Im≈V+/R2

(3)

可以得出激光器的光功率(P)與運放的同向輸入電壓V+之間的關(guān)系如式(4)：

P=(V+/R2)k

(4)

三極管的特征頻率fT也被稱為“增益帶寬積”。因為β反映了晶體管對電流的放大作用，f代表帶寬。例如某一電路中需要三極管β大于10，最高的信號頻率是60 MHz，那么，選擇晶體管的特征頻率fT必須要有600 MHz。β和f有如圖3的關(guān)系。

圖3 β與晶體管的特征頻率之間的關(guān)系

從圖3可以看出，三極管的放大倍數(shù)β隨著信號頻率的增大而變小。直到信號頻率等于特征頻率fT，β降低為1，失去放大作用。三極管的β的范圍是280～550，fT的最小值為100 MHz。支持的信號的最高頻率計算公式如式(5)：

f=fT/β

(5)

估算對應(yīng)的信號的上升時間計算如式(6)：

t=0.35/f

(6)

運放的關(guān)鍵參數(shù)：輸入輸出軌到軌、增益帶寬積50 MHz，壓擺率SR為85 V/μs。

增益帶寬積關(guān)注的的小信號，幾十mV的信號；壓擺率則關(guān)注大信號，上百mV、幾V的信號。所以，在激光器驅(qū)動電路中，更加關(guān)注壓擺率。壓擺率限制了運放信號輸出的最高變化速度。

激光器的驅(qū)動電流最大值為Icmax。三極管的放大倍數(shù)β取最小值250，則此時的基極電流Ib和運放的輸出電壓Vo同時達到最大值，計算公式如式(7)、式樣(8)：

Ib=Icmax/β

(7)

Vo=Vb+R4Ib

(8)

則Vo的上升時間計算如式(9)：

T=Vo/SR

(9)

根據(jù)以上計算公式計算出支持的脈沖寬度可以到達1 μs以內(nèi)。

式(4)中R2和系數(shù)k都不可變。這樣，要改變激光器的輸出光功率，只能想辦法改變V+的電壓。因為產(chǎn)品做好之后，電位器P1的阻值就固定了，只能改變MCU的I/O口輸出的電壓來改變V+，這就需要引入DAC控制，DAC的控制等效模型如圖4所示。

圖4 DAC等效模型

若電壓輸出范圍是0.6～2.1 V，并且MCU內(nèi)置的ADC和DAC共用一個參考電源Vref=3.3 V，ADC的利用率只有63%。如果Vref=2.5 V，則ADC的利用率可以提高到84%。這樣可以提高ADC采集的信號的穩(wěn)定性和精度。DAC的輸出電壓計算公式如式(10)：

V_dac_out=2.5×DAC/4 095

(10)

2 實驗驗證

2.1 不同溫度下的電信號測量

在直流驅(qū)動激光器的條件下，測試激光器的輸出光功率能否在高低溫狀態(tài)達到穩(wěn)定狀態(tài)，并且測試激光器驅(qū)動電流的變化情況。將產(chǎn)品置于高低溫循環(huán)箱中，通電，控制產(chǎn)品分別在-20、25、70 ℃穩(wěn)定至少30 min。在各溫度點，使用萬用表測量R1兩端的電壓V1和R2的對地電壓V2并記錄。分別計算LD的驅(qū)動電流V1/R1、PD的光電流V2/R2。預(yù)期結(jié)果：整個過程，PD的光電流基本不變，LD驅(qū)動電流隨環(huán)境溫度升高而增加。

試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同溫度對PD光電流的影響結(jié)果

整個過程中，PD的光電流變化了1 μA(0.5%)，說明當溫度變化時，激光器的光功率沒有發(fā)生明顯變化，達到恒功率的控制效果，高溫(70 ℃)時，激光器的驅(qū)動電流為21 mA，遠小于規(guī)格書中的33 mA(5 mW、25 ℃)，很安全。激光器在直流模式下，溫度從-20℃到70℃，達到了恒功率的控制效果，控制精度可以達到0.5%。

2.2 長期老化試驗

激光器的長期穩(wěn)定性會直接影響對距離的測量精度，測試激光器在高溫(70 ℃)下長期工作的穩(wěn)定程度。測試周期1個月，固定位移傳感器的距離，調(diào)節(jié)積分時間使得上位機顯示的接收信號沒有飽和，然后固定積分時間測試，每天記錄1組接收信號的波形數(shù)據(jù),固定的測試條件如圖5所示。

圖5 固定的測試條件

試驗結(jié)果：1個月的數(shù)據(jù)記錄如圖6所示，其中橫軸代表時間，縱軸代表接收器信號強度。

圖6 時間與接收信號強度的關(guān)系

數(shù)據(jù)分析：前兩天的信號最強，后面信號整體偏弱；后面的信號不是單調(diào)降低，而是有一定的波動，可以表明，隨著老化的進行，激光器為了位置光功率不降低，進行了調(diào)節(jié)。如果沒有調(diào)節(jié)，隨著老化的進行，接收信號會逐漸變?nèi)?。整個老化周期內(nèi)，在固定積分的條件下，70 ℃，1個月，激光器的光功率波動<8%。

2.3 激光驅(qū)動電路的響應(yīng)速度

測試激光模組的響應(yīng)速度，探究激光模組能夠穩(wěn)定產(chǎn)生最窄的激光脈沖。試驗方法：使用信號發(fā)生器生成方波直接驅(qū)動激光器，高電平2 V，低電平0 V，脈寬連續(xù)可調(diào)；激光器的PD端接反饋電阻(5.6 kΩ)，將PD的光電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，便于觀察。改變方波的脈沖寬度，使用示波器測量LD端(1)和PD端(2)的信號波形，并記錄，如圖7所示。

圖7 響應(yīng)速度測試方案

上電之后，信號發(fā)生器由于驅(qū)動能力不夠，電壓會被拉低。此時可以適當調(diào)高電壓。但始終要用示波器監(jiān)控LD兩端的電壓，保證不能超過2.5 V。測試結(jié)果如圖8、圖9所示。其中，上方波形的為LD兩端的驅(qū)動信號；下方波形的為PD的反饋信號。從測試結(jié)果來看，激光模組能夠輸出的最窄的激光脈沖可以達到20 ns。

圖8 脈沖寬度1 μs波形圖

圖9 脈沖寬度20 ns波形圖

2.4 DAC對距離測量信號的改善效果

驗證DAC調(diào)節(jié)對高反光物體下的接收信號的改善效果。測試方法：準備3種板卡：黑卡、白卡、金屬(高亮)；同一款產(chǎn)品分別用固定電壓和DAC可調(diào)電壓對激光器進行驅(qū)動。2種模式下，控制產(chǎn)品到標靶的距離一樣。調(diào)節(jié)DAC的數(shù)值并固定下來，使得接收信號盡量不要飽和。采用固定電壓驅(qū)動激光器對于不同的目標物的接收情況如圖10所示。

圖10 固定電壓驅(qū)動激光器時不同目標物的接收信號

可以看出，在固定電壓狀態(tài)下，當標靶為金屬和白卡時，接收信號嚴重飽和，和黑卡的差異很大。最終會導致在同一位置，3種標靶測量出來的距離不一樣。

采用DAC調(diào)節(jié)驅(qū)動激光器時不同目標物的接收信號情況如圖11所示。

圖11 采用DAC調(diào)節(jié)驅(qū)動激光器時不同目標物的接收信號

使用DAC之后，對于白卡和金屬的過飽和現(xiàn)象，可以進一步減小DAC的電壓，最終可以使得3種標靶下的接收信號的曲線接近?？梢詼p小不同板卡下的測距誤差。

通過使用DAC驅(qū)動激光器，可以有效解決白卡和金屬標靶下接收信號的過飽和現(xiàn)象，實現(xiàn)了較寬的動態(tài)范圍調(diào)整能力。

3 結(jié)束語

此激光驅(qū)動電路方案是針對三角激光測量系統(tǒng)特定要求設(shè)計的，采用了DAC調(diào)節(jié)、光功率監(jiān)控和電流負反饋調(diào)整等技術(shù)，電路的成本低、體積小，溫度從-20到70 ℃，達到了恒功率的控制效果，控制精度可以達到0.5%。70 ℃高溫狀態(tài)通電1個月，激光器的光功率波動<8%，輸出的最窄的激光脈沖可達到20 ns，使得該電路方案具有極高商用價值，提升了三角激光測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍、穩(wěn)定性和響應(yīng)時間等，使得三角測量的精度和穩(wěn)定性都得到了進一步改進。