一種平整度激光檢測儀的測量影響因素及關(guān)鍵技術(shù)分析
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張鈺凱，唐新南，徐益民，王志疆
（1．上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海201100；2．上海儀器儀表研究所，上海200082）
摘要：對激光器類型、發(fā)射方式、激光傳輸過程中的衰減、發(fā)散角、水平精度、重要參數(shù)、中規(guī)模信號處理方法進(jìn)行研究，得出可行的激光發(fā)射及接收方案。
關(guān)鍵詞：激光傳輸；光傳感器；CPLD
0 引言
平整度激光檢測儀的檢測原理是通過激光掃平儀發(fā)射一旋轉(zhuǎn)激光束在空間形成光平面，利用光傳感器捕捉激光信號，當(dāng)路面不平整時(shí)，線陣圖像傳感器相對光平面有一上下位移，將地面高度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏繉?shí)現(xiàn)檢測，本文主要對原理實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了討論。
1 激光器類型及激光發(fā)射方式
激光光源與普通光源相比具有能量集中、方向性好、單色性好和相干性好等優(yōu)點(diǎn)，是高精度測量的理想光源。
平整度激光檢測儀應(yīng)用在工程現(xiàn)場需攜帶方便，設(shè)計(jì)采用2 000 mAh可充電鎳氫電池，不可能采用紅寶石、釹玻璃、石榴石YAG等強(qiáng)激光器，只能采用半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器特點(diǎn)是超小型、質(zhì)量輕、成本低、壽命長、功率小（一般1—100 mW）。
激光與陽光照射到光探測器都會導(dǎo)通，為了區(qū)分光信號，采用激光掃平儀產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)激光束在光探測器中產(chǎn)生脈沖信號，而太陽光則產(chǎn)生直流信號。
此外，旋轉(zhuǎn)激光束在空間形成大范圍的基準(zhǔn)光平面，探測器可方便地橫向和縱向測量。
2激光傳輸衰減及發(fā)散情況
激光在大氣中傳輸時(shí)會受到大氣分子和懸浮微粒（如氣溶膠粒子）的吸收與散射作用，導(dǎo)致激光能量衰減；其衰減程度與激光波長、氣象條件和傳播距離有關(guān)，在無雨雪條件下大氣衰減主要取決于大氣的能見度。
常用的預(yù)測霾衰減系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸綖閇1]：
式中：Vb為大氣能見度(km)；a為波長修正因子；A為激光波長(um)。
其中平均能見度一般取值10~12 km，能見度特別良好一般取值23 km。
大氣引起的激光衰減通常用beer可表示為：
式中：I(R)為波長為A的激光在大氣中傳輸R距離后的光強(qiáng)；，0為激光發(fā)射處的光束強(qiáng)度；u((r，A)為距離r處的大氣衰減系數(shù)(km-1)。
選定大氣能見度1 km，LP30的激光波長為0.785um，傳輸距離R為0.1 km，代人式(1)~式(3)，得衰減后的光強(qiáng)1(0.1)～0. 7/0，在晴朗天氣時(shí)約為0.99/0。
當(dāng)激光波長處于大氣窗口，大氣氣體分子引起的散射和吸收損耗可以忽略不計(jì)，由上文分析可知，大氣能見度較好時(shí)氣溶膠引起光束的散射影響非常小，100 m范圍內(nèi)光強(qiáng)幾乎不變，即激光空間能量分布不變，在激光功率不變而且?guī)缀鯖]有損耗的情況下激光的寬度不會變化。
3激光源轉(zhuǎn)速、激光波長與光探測器響應(yīng)時(shí)間
一般儀器的數(shù)據(jù)每半秒刷新一次，因此激光掃平儀轉(zhuǎn)速應(yīng)不小于120 r/min�？紤]到后續(xù)開發(fā)連續(xù)移動式激光平整度儀，轉(zhuǎn)速越快能夠以越短的距離間隔采集高度數(shù)據(jù)。
假設(shè)激光源以600 r/min的速度旋轉(zhuǎn)，在距激光源100 m處，直徑為1 mm受光面，光束停留時(shí)間僅為0. 16us，光敏二極管的上升和下降時(shí)間相同，不計(jì)保持時(shí)間，下降時(shí)間有0.08us。光敏二極管下降時(shí)間指當(dāng)有脈沖激光照射，光生空穴擴(kuò)散到勢壘區(qū)形成光電流所需的時(shí)間，與激光波長的關(guān)系如圖1所示，隨著波長的增加，光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間增加。
同時(shí)，激光波長必須位于大氣窗口0. 71~0.735um，0.81~0.84 um區(qū)間外。圖1中Ln為擴(kuò)散長度，當(dāng)Ln=10 um時(shí)在此區(qū)間的響應(yīng)時(shí)間小于0.08=us，應(yīng)選用襯底材料采用薄外延片的光敏二極管，所選LP30激光源轉(zhuǎn)速600 r/min，波長為0.785um，光敏二極管選擇日本濱松光子學(xué)株式會社S4114-46Q型。
4激光束水平精度
激光源產(chǎn)生的光平面是路面相對高度的測量基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)激光束傾斜角理想為0，LP30傾斜角為10 s，以3m范圍為例，光平面最大的高度誤差僅為0. 17 mm，對測量影響極小，從總體范圍來看，原點(diǎn)與100 m遠(yuǎn)高度差值也只有5 mm。
5激光信號檢測電路設(shè)計(jì)、激光源功率選擇
光敏二極管反偏，在入射光為高速激光脈沖信號時(shí)，由于光敏二極管的動態(tài)電阻遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻，因此它的負(fù)載可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)選擇。激光信號檢測電路如圖2所示。
激光源功率大小決定激光照射在光敏元件所產(chǎn)生的電流強(qiáng)弱，以功率最小的半導(dǎo)體激光器1 mW計(jì)，取光敏元件靈敏度為0.5 A/W，則最大能產(chǎn)生0.5 mA電流，在47 kfl電阻兩端產(chǎn)生很高的壓降，但電阻電壓是電源通過光敏管提供，當(dāng)光敏管兩端電壓減小，其電流無法維持，最后電壓不再提高，實(shí)際產(chǎn)生最大上升電壓略低于電源電壓。
由此可見，最后輸出的電壓大小并不完全取決于激光源功率，主要從降低功耗的角度選擇激光源功率，LP30激光源功率為1.2 mW。
6抗陽光干擾
強(qiáng)光直射光敏二極管，可導(dǎo)致電容兩端電壓升高，超過比較器上設(shè)置的電壓，激光信號再疊加上去已無響應(yīng)，所以導(dǎo)致無法檢測激光信號，應(yīng)降低光照度。
由太陽光在大氣層形成的輻照度光譜密度函數(shù)曲線可知，太陽光含有很強(qiáng)的激光波長光譜，考慮到線陣圖像傳感器豎直擺放，選擇大氣質(zhì)量為1.5時(shí)370傾角的半球向日射光譜輻照度，所有波長范圍內(nèi)的積分太陽輻照度Eo。^．=963. 75 W．m一2，在1mm2平面上輻射功率達(dá)0. 963 mW。
激光光譜中心波長785 nm，但濾色片工藝上難以做到陡峭的衰減特性，因此光濾波器最佳濾波方式將太陽光中小于770 nm及大于800 nm的光譜衰減至0。
據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17683. 1-1999，當(dāng)入射光波長Al =0.767 5um，
;當(dāng)入射光波長A2 =0. 800 0um, 
。
則通過濾波器的太陽光輻照度約為：
假設(shè)面積為1 mm2，785 nm處靈敏度為0.5 A/W的光敏二極管在光照下看成一個(gè)電流源，若負(fù)載電阻是47 kSl，產(chǎn)生最大約0.8 V電壓，而電源電壓為3.3V，比較電壓只需大于0.8 V，激光信號就能被檢測。
7分辨率的實(shí)現(xiàn)及檢測算法
分辨率是1 mm，受封裝尺寸限制光敏二極管中心距大于1 mm，錯(cuò)位排列則可縮小光敏二極管的中心距，如圖3，檢測的高度范圍為200 mm。
雖然光敏二極管的受光面小于封裝外殼尺寸，但圓弧狀外殼能夠?qū)θ肷涔饩�起到聚焦的作用，當(dāng)激光照射到邊緣時(shí)也能被折射到受光面上。圖3錯(cuò)位排列既保證了檢測的分辨率又保證了在任意高度都能檢測到激光，從而在200 mm高度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)以l mm分辨率連續(xù)檢測。
可采用中心值法或者是加權(quán)平均法判斷光班中心點(diǎn)的高度。若采用加權(quán)平均法，所有導(dǎo)通的光敏二極管中除了位于中間的一只（奇數(shù)只導(dǎo)通）或兩只（偶數(shù)只導(dǎo)通）權(quán)系數(shù)為1，其余為0；若采用中心值法，單片機(jī)判斷出最高及最低兩只光敏二極管的位置，求平均值。兩種算法效果上并沒有區(qū)別，選用較簡單的平均值算法。
8瞬時(shí)信號處理
激光束在線陣圖像傳感器上的落點(diǎn)是快速且隨機(jī)的，在一個(gè)周期內(nèi)必須從200路運(yùn)算放大器并列輸出信號中尋找，輸出與單片機(jī)的接口電路必須具有鎖存、緩沖、位串讀寫功能，系統(tǒng)選用XILINX公司的XCR3064XL-VQ44型CPLD。
每片CPLD控制25路信號，1路輸出，采用8片CPLD對高速激光信號進(jìn)行寄存和整理，將200根線上的信號組成8路信號，分25次送給檢測用微處理器，在200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中判定光束中心位置，并以串行方式將結(jié)果送至人機(jī)界面部分的單片機(jī)。瞬時(shí)信號處理電路如圖4所示。
9結(jié)論
通過對測量影響因素、激光發(fā)射與接收、信號處理三個(gè)方面的分析得出了可行的方案：集成雙CPU、400個(gè)光敏二極管組成的新型光傳感器、400個(gè)運(yùn)算放大器、8片CPLD對激光信號進(jìn)行檢測和處理，并采用濾光片對強(qiáng)日光抗干擾，設(shè)計(jì)了平整度激光檢測儀。
