基于AVR的激光測(cè)距機(jī)綜合性能檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)的激光測(cè)距性能檢測(cè)必須到室外對(duì)目標(biāo)靶進(jìn)行檢測(cè),并且受到天氣條件的限制,使得技術(shù)普查和日常維護(hù)受到很大的制約。為了克服以上問題,筆者設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)的激光測(cè)距機(jī)綜合性能檢測(cè)設(shè)備,借助該設(shè)備,對(duì)不同型號(hào)的激光測(cè)距機(jī)完成測(cè)距精度、測(cè)距能力、測(cè)距邏輯、單脈沖能量等的數(shù)字化檢測(cè),大大提高了檢測(cè)效率和測(cè)試精度。

　　1 設(shè)計(jì)方案

　　本方案的基本思想基于模擬激光測(cè)距機(jī)的工作原理和激光傳輸過程,激光測(cè)距機(jī)在工作時(shí),首先從其發(fā)射通道發(fā)射一激光脈沖,經(jīng)過大氣傳輸照射在被測(cè)物體上,然后漫反射,激光測(cè)距機(jī)的接收通道接收到漫反射的激光回波,激光測(cè)距機(jī)內(nèi)部安裝有激光脈沖的發(fā)射、接收和計(jì)時(shí)模塊,根據(jù)激光脈沖從發(fā)射到返回的時(shí)間可以計(jì)算出其走過的距離,從而得到被測(cè)目標(biāo)和激光測(cè)距機(jī)之間的距離。而本方案的綜合性能檢測(cè)設(shè)備與激光測(cè)距機(jī)的接收、發(fā)射通道相對(duì)應(yīng),分別提供發(fā)射、接收通道,檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部也相應(yīng)設(shè)置計(jì)時(shí)模塊,實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)一定距離上的目標(biāo)回波時(shí)間、能量的雙重模擬,即可由檢測(cè)設(shè)備代替目標(biāo)模擬回波脈沖,實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距機(jī)測(cè)距性能的自動(dòng)化、數(shù)字化檢測(cè),綜合性能檢測(cè)設(shè)備總體構(gòu)成如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　綜合性能檢測(cè)設(shè)備電路原理框圖如圖2所示。

　　主要包括微處理器系統(tǒng)、面板顯示及按鍵控制電路、精密延時(shí)信號(hào)發(fā)生器、窄脈沖功率驅(qū)動(dòng)及發(fā)光強(qiáng)度控制電路、精密測(cè)時(shí)器、激光脈沖同步器、激光脈沖能量探測(cè)器及前置放大器、高速數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換器及打印機(jī)控制電路等。

　　3 關(guān)鍵技術(shù)

　　3．1 “雙頻雙光路耦合”法實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距性能的綜合測(cè)試

　　本方案的基本思想是將目標(biāo)漫反射的遠(yuǎn)方目標(biāo)回波由半導(dǎo)體激光器模擬,當(dāng)模擬該回波的光譜和空間特性后,即可驅(qū)動(dòng)激光器的邏輯單元工作。而激光脈沖相應(yīng)距離上的飛行時(shí)間則由精密延時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)。這樣將激光脈沖在空間的延遲特性轉(zhuǎn)換為時(shí)間特性,從而將遠(yuǎn)方目標(biāo)從一定距離拉近到被測(cè)儀器前端,代替了激光測(cè)距機(jī)性能檢測(cè)必須要有遠(yuǎn)方的實(shí)際合作目標(biāo)的傳統(tǒng)檢測(cè)方法。如圖3所示。

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　　3．2 測(cè)距邏輯的檢測(cè)

　　當(dāng)檢測(cè)設(shè)備接收到“取樣”脈沖后即控制精密延時(shí)器開始計(jì)時(shí),AVR單片機(jī)控制精密延時(shí)器分別發(fā)出1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)模擬回波脈沖信號(hào),這幾個(gè)模擬回波在時(shí)間上對(duì)應(yīng)不同的目標(biāo)距離,這樣在激光測(cè)距機(jī)的接收通道上就可以接收到幾個(gè)激光脈沖,操作激光測(cè)距機(jī)的“選通”旋鈕,分別對(duì)其顯示,即可判斷激光測(cè)距機(jī)的測(cè)距邏輯和距離選通功能是否正常,具體實(shí)現(xiàn)方法見圖4。

　　3．3 測(cè)距能力檢測(cè)

　　本方案對(duì)激光測(cè)距機(jī)測(cè)程的檢測(cè),首先通過AVR單片機(jī)設(shè)置精密延時(shí)器延時(shí)時(shí)間為被測(cè)激光測(cè)距機(jī)測(cè)程對(duì)應(yīng)的激光脈沖運(yùn)行時(shí)間,當(dāng)檢測(cè)設(shè)備接收到“取樣”脈沖后即控制精密延時(shí)器開始計(jì)時(shí),計(jì)時(shí)結(jié)束后,AVR單片機(jī)控制精密延時(shí)器分別發(fā)出一個(gè)模擬回波脈沖信號(hào),同時(shí),AVR單片機(jī)發(fā)光強(qiáng)度控制電路控制半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光脈沖的能量,使該能量相當(dāng)于對(duì)應(yīng)距離目標(biāo)回波的能量,這樣在激光測(cè)距機(jī)的接收通道上就可以對(duì)應(yīng)測(cè)程上目標(biāo)回波脈沖,根據(jù)激光測(cè)距機(jī)的顯示結(jié)果,即可判斷激光測(cè)距機(jī)在光軸正常情況下可否滿足測(cè)程指標(biāo)要求。

　　3．4 基于技術(shù)的精密測(cè)時(shí)電路模塊

　　本綜合性能檢測(cè)設(shè)備采取恒比定時(shí)技術(shù)研制視頻分離模塊,實(shí)現(xiàn)了精密延時(shí)及遠(yuǎn)方目標(biāo)回波的精密模擬,原理功能框圖如圖5所示。

　　3．5 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“雙向調(diào)節(jié)”式多維調(diào)整平臺(tái)

　　綜合性能檢測(cè)設(shè)備采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“雙向調(diào)節(jié)”式調(diào)整平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了激光發(fā)射和接收通道五維可調(diào)和快速轉(zhuǎn)換,使檢測(cè)接口對(duì)各類激光測(cè)距機(jī)具有廣泛的通用性。在此之前的激光測(cè)距性能檢測(cè)都是對(duì)某一型號(hào)裝備都要研制專用的機(jī)械接口,因?yàn)楦餍吞?hào)的激光測(cè)距機(jī)在發(fā)射通道和接收通道的口徑大小、水平方向位置、高低方向位置上有很大的差別,甚至在左右位置配置上也有所不同。本課題首次研制成功了“雙向調(diào)節(jié)”式調(diào)整平臺(tái),使發(fā)射通道和接收通道在高低、水平方向上可以大范圍調(diào)節(jié),同時(shí)左右位置可以互換,使本檢測(cè)設(shè)備對(duì)各類平臺(tái)和單體的激光測(cè)距模塊具有廣泛的通用性。

　　4 結(jié)語

　　該設(shè)備可改變以前激光測(cè)距性能檢測(cè)必須到室外對(duì)目標(biāo)靶進(jìn)行檢測(cè),并且受到天氣條件限制的現(xiàn)狀,使技術(shù)普查和日常維護(hù)在室內(nèi)就可以方便完成,檢測(cè)結(jié)果數(shù)字化顯示,大大提高了檢測(cè)效率和測(cè)試精度。檢測(cè)設(shè)備配備三維調(diào)節(jié)平臺(tái),激光發(fā)射和接收裝置位置可以任意調(diào)節(jié),并可互換,使調(diào)整瞄準(zhǔn)非常方便。對(duì)不同型號(hào)的激光測(cè)距機(jī)都可以進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)設(shè)備還可對(duì)激光脈沖能量進(jìn)行檢測(cè),作為激光能量計(jì)使用,可以對(duì)各種激光發(fā)射裝備的輸出激光能量進(jìn)行快速檢測(cè)。經(jīng)江蘇省技術(shù)監(jiān)督激光參數(shù)計(jì)量站測(cè)試,各項(xiàng)指標(biāo)在國內(nèi)同類儀器中達(dá)到領(lǐng)先水平,并在2008年5月進(jìn)行了試生產(chǎn),后經(jīng)平頂山市技術(shù)監(jiān)督局和河南地礦集團(tuán)巖土工程有限公司等單位的使用,反映效果良好。