激光对射系统的设计与实现研究

激光器具有线性关联性高、方向性强等优点，在军事、定位系统和探测系统中应用广泛。例如在非接触电梯控制、弹药激光引信制导、FMCW 脉冲激光雷达、周界安防系统中都占有一定地位^[1-5]。对应于军事背景情况下，是判断物体入侵的有效手段。但对于室外长时间工作的激光器发射和接收系统来说，天气与室外温度的影响比较大。在雨、雾、阳光照射充足等天气条件下，会导致激光器接收系统产生误报或监测不准确。因此对激光对射系统在减少误差和降低误报率方面有了更高要求。针对以上要求，本文对激光对射系统的发射机和接收机进行了处理，包括将发射机进行调频处理，接收机进行增加滤光片和Fresnel 透镜聚焦后，进行多窄带红外接收管并联接收放大滤波。用以提高发射的有效距离和系统接收率，可以有效的减少误报的情况发生。

1 激光对射技术原理

1.1 激光发射系统与电流驱动

激光发射系统基本利用单通道激光直接进行发射输出。在近距离及室内具有方向性强的特点，但单通道直射型激光发射系统在中远距离以及室外极端条件下会发生散射、可见光干扰等误报问题。因此在同等条件下，多通道组合发射系统会比单通道发射系统的干扰造成的误报情况低。同时均为单通道发射系统时，将其中一组发射系统进行开关频率调制，发射调制后激光。接收端识别频率信号后进行判断可以降低对可见光的干扰误报。如图1所示。

图1 单开关频率调制激光发射结构图

因此，将多通道激光组与开关频率调制相结合，可极大程度提高探测入侵的成功率。多通道开关频率调制激光组结构图如图2 所示。并在激光发射器后面加入折射镜产生平行光斑。

图2 多通路开关频率调制激光发射结构

激光管激发的激光需要电流进行驱动激发，因此，在激光发射系统中需考虑激光电流驱动电路的设计。基本的激光电流驱动电路包括由恒流驱动、保护电路、三极管驱动等多部分组成。为保证激光的稳定性，需要对激光器LD电流进行采样，通过控制输出电流的大小使整体系统处于稳定状态^[9]。并将调频后的开关信号通过限流加载在激光器上，如图3所示。

图3 多通路开关频率调制激光发射电流驱动结构

1.2 激光接收系统与Fresnel 透镜

激光接收系统首先通过Fresnel 透镜将中长距离散射后的激光进行聚焦，并在焦点处放置多个并联后的红外接收管接收激光，利用光电效应将信号转变为电信号，由此转变的电信号I-V 转换后通过运算放大器进行放大，在后级进行滤波处理^[11]，并将处理后的信号通过比较器变换后输入到MCU中进行处理，如图4所示。

图4 多通路开关频率调制激光接收系统结构

Fresnel 透镜为锯齿结构^[12]，具有汇聚或者发散红外激光的功能。在系统的相同焦距位置放置Fresnel透镜，接收端透镜前添加可见光滤光片用以减少可见光的影响。当光分别通过光滤波片和Fresnel 透镜之后。可见光大部分被滤光片滤除后，通过的光信号由于Fresnel透镜的汇聚效应，使远距离发散的光信号聚集于焦点附近。当多个红外接收管接收到光信号后，红外接收管通过光电效应将光信号转换成电信号，然后进行I-V 转换，转换后的电压信号首先进行放大处理，将小信号放大后进行有源滤波。通过以上方法提高系统准确性，并将信号通过比较器进行整形处理后还原成激光发射时电信号。并将整形信号通过MCU 进行信号还原。通过变换后地址进行比较判断是否发生误报。

1.3 并联窄带红外接收管

窄带红外接收管均有特定的红外接收波长。对于在非特定波长的光信号波长处红外接收管可等效成光滤波器，将其他大部分光信号滤除。由于当位于室外时，大部分干扰波长为可见光波长，所以对于本系统举例采用中心波长λ=940 nm 红外接收管作为接收系统接收管，可将大部分可见光滤除。

2 激光对射系统设计

根据1.3章节介绍，红外接收管作为光滤波器选用型号为IR333C-A。其型号接收波长与接收率的关系如图5 所示。由于（380~880） nm为可见光范围波长，根据图5发现大部分均在强度分布之外。此时红外接收管可以等效为可见光滤波器，将可见光大部分滤除。发射激光波长根据所选用的红外接收管主要接收波长在（920~970）nm，激光器选用波长λ=940 nm 的红外激光器。

图5 IR333C-A光谱强度分布

激光发射机设计通过不同的调频方式分别代表不同的LD地址。即调频通过主芯片定时器控制多个三极管以1、2、4 kHz 的时钟输出方式进行对激光器LD编码，并使接收机按最小时间间隔通过高电平个数判断激光器LD地址，防止误报。如图6 所示。接收机通过调理电路后得到不同的上升沿数量实现判断激光器LD 地址。

图6 多路激光器时序图

发射机通过控制激光器电流控制发射激光波长的稳定^[14]，其中激光器电流稳定性如式1 所示^[17]。根据公式1知驱动电流同时与驱动电压和温度有关。所以要求调节激光器的电流稳定时，需发射级控制电压调节稳定。通过将不同温度对应电压列表输入，并根据温度稳定值调节发射级。

   (1)

如图7所示为调节激光器稳定输出的控制电路，其中激光开环电流通过R32端以模数转换AD方式反馈给MCU，然后经通过控制图8所示的两路PWM调节运放的输出电压控制激光器激发电流稳定输出的效果。

图8 电流控制电路图

在系统接收端，光电二极管通过并联方式提高系统接收端整体的感应电流，通过I-V转换将电流信号转换成电压信号。如图9所示，后级两个三极管控制输出转换后的感应电压。放大滤波后进行整形并经过比较器比较输出信号（或者直接进行AD 模数转换）。得到激光发射还原信号后，输入至控制器MCU 进行判断是否有入侵或误报。如图10 所示。当有阻挡时，红外接收管接收不到对应波长光信号或接收对应波长的光信号较少，接收管造成无电流产生或者产生较少电流，造成后级为无电压或者极小电压并在放大滤波后会低于比较值输出0，当低于比较值时间长于阈值后，即长时间为低电平输入，MCU进行报警或者继电器启动等动作。例如当人通过时，基本步行速度通过系统时，大概时间200ms，设定阈值为150ms 时，比较器输出低电平时间超过阈值时间后，进行报警。

图9 接收系统光电转换电路

图10 接收电路放大滤波器

3 测试结果

对系统进行整体调试实验，并通过实验验证其系统设计结论。实验内容包括输出功率范围；系统接收距离；接收系统输出幅值测试等。

输出功率范围调试如下表1所示。调试PWM选择范围在10%~80%内进行测试，保证调试结果的可靠性。

表1 输出功率范围测试

所测点为红外接收管光电效应转换后未进行放大滤波位置点。通过对比发现其波形与传输距离是有关系的，距离越远，接收系统波形会越差，但整体结果不变。同时发现本系统最大检测距离为120 m。

通过以上波形发现，随着对射距离的增加，接收幅值是降低的。如表2 所示。接收波形质量由正常逐渐变差，直到最后检测消失。

表2 接收幅值范围测试

从表2中可看出距离范围在0~100m内时候信号的输出幅值是相对稳定的。负载输出的质量也相对较为完整。通过实验数据做出如图11所示距离&PWM对接收幅值增益放大后的关系图，符合实际理想情况。在距离增加情况下对应接收幅值下降，同理当PWM 对应增加时，相同幅值下接收距离增大。同时通过多级发射与多级接收避免了由于单机系统造成的误报，提升了准确率。并通过还原信源编码，减少了误报率提升了准确性。

图9 接收系统光电转换电路

4 结束语

激光对射系统中发射机与接收机作为系统的两部分，增加电流驱动提高稳定性与多路激光器，并对激光器发射进行信源编码。使激光发射级提高系统稳定性。并在接收级通过多路光电二极管以及后级信号调理电路增大系统的检测范围。以及光路中通过Fresnel 透镜和滤光片进行焦点汇聚和形成平行光束。通过以上手段减少了误报率并提高了检测距离范围。

参考文献：

[1] 陈慧敏,高志林,朱雄伟.调频连续波激光调制方法研究[J].红外与激光工程,2015,44(6):1762-1765.

[2] 尹恒,刘庭勇,彭诗琦.非接触电梯按键控制系统[J].信息技术与信息化,2022,264(3):32-35.

[3] 甘霖,张合,张祥金,等.非线性发射过载对激光引信光学接收系统的影响[J].红外与激光工程,2013,42(9):2364-2369.

[4] 王维.激光对射系统在机场周界安防系统中的应用研究[J].智能建筑与城市信息,2010,160(3):79-85.

[5] 卢强,王昕煜,杨江成,等.窄带物联网下高速铁路周界入侵报警系统应用探索[J].电气化铁道,2019,30(3):90-93+96.

[6] 罗亮,胡佳成,王婵媛,等.高精度半导体激光器驱动电源及温控电路设计[J].激光技术,2017,41(2):200-204.

[7] 王龙,王振亮,谷平反,等.能见度对激光周界警戒系统影响的数值研究[J].科学技术与工程,2016,16(10):159-163.

[8] 田亚玲,李创社,张朝阳.高精度和高稳定性半导体激光器恒流驱动电源[J].西安交通大学学报,2019,53(3):1-5.

[9] 张书君,李楠,朱晓杰,等.高稳定性半导体激光器功率控制电路设计和测试[J].激光与红外,2022,52(1):47-50.

[10] 凌茂真,张兴,高传顺,等.高稳定性半导体激光器驱动电路的设计[J].半导体光电,2014,35(5):916-918.

[11] 鞍钢股份有限公司. 一种带安全联锁的风动送样装置:CN201220652084.3[P]. 2013.

[12] 李湘,蓝天,王云,王龙辉.室内可见光通信系统中Fresnel 透镜接收天线的设计研究[J].物理学报,2015,64(2):116-122.

[13] 李武军,李恩琪,党晨,等.空间光调制器加载Fresnel 透镜特性研究[J].西安工业大学学报,2021,41(5):515-518.

[14] 周玉蛟,任侃,钱惟贤,等.基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析[J].红外与激光工程,2016,45(1):264-269.

[15] 黄敏松,雷恒池,陈家田,等.基于光电二极管阵列的成像测量系统设计及其应用[J].量子电子学报,2015,32(5):620-626.

[16] 姚正武.应用双红外激光对射传感器检测人物运动速度[J].制造业自动化,2014,36(14):125-130.

[17] 方立德,徐潇潇,赵计勋,等.恒流源对近红外光谱传感器测量不确定度的影响[J].计量学报,2022,43(3):370-377.

（本文来源于必威娱乐平台 杂志2023年7月期）