张钰凯，唐新南，徐益民，王志疆
（1．上海电子信息职业技术学院，上海201100；2．上海仪器仪表研究所，上海200082）
摘要：对激光器类型、发射方式、激光传输过程中的衰减、发散角、水平精度、重要参数、中规模信号处理方法进行研究，得出可行的激光发射及接收方案。
关键词：激光传输；光传感器；CPLD
0 引言
平整度激光检测仪的检测原理是通过激光扫平仪发射一旋转激光束在空间形成光平面，利用光传感器捕捉激光信号，当路面不平整时，线阵图像传感器相对光平面有一上下位移，将地面高度的变化转变为电量实现检测，本文主要对原理实现方案进行了讨论。
1 激光器类型及激光发射方式
激光光源与普通光源相比具有能量集中、方向性好、单色性好和相干性好等优点，是高精度测量的理想光源。
平整度激光检测仪应用在工程现场需携带方便，设计采用2 000 mAh可充电镍氢电池，不可能采用红宝石、钕玻璃、石榴石YAG等强激光器，只能采用半导体激光器。半导体激光器特点是超小型、质量轻、成本低、寿命长、功率小（一般1—100 mW）。
激光与阳光照射到光探测器都会导通，为了区分光信号，采用激光扫平仪产生旋转激光束在光探测器中产生脉冲信号，而太阳光则产生直流信号。
此外，旋转激光束在空间形成大范围的基准光平面，探测器可方便地横向和纵向测量。
2激光传输衰减及发散情况
激光在大气中传输时会受到大气分子和悬浮微粒（如气溶胶粒子）的吸收与散射作用，导致激光能量衰减；其衰减程度与激光波长、气象条件和传播距离有关，在无雨雪条件下大气衰减主要取决于大气的能见度。
常用的预测霾衰减系数的经验模型公式为[1]：
式中：Vb为大气能见度(km)；a为波长修正因子；A为激光波长(um)。
其中平均能见度一般取值10~12 km，能见度特别良好一般取值23 km。
大气引起的激光衰减通常用beer可表示为：
式中：I(R)为波长为A的激光在大气中传输R距离后的光强；，0为激光发射处的光束强度；u((r，A)为距离r处的大气衰减系数(km-1)。
选定大气能见度1 km，LP30的激光波长为0.785um，传输距离R为0.1 km，代人式(1)~式(3)，得衰减后的光强1(0.1)～0. 7/0，在晴朗天气时约为0.99/0。
当激光波长处于大气窗口，大气气体分子引起的散射和吸收损耗可以忽略不计，由上文分析可知，大气能见度较好时气溶胶引起光束的散射影响非常小，100 m范围内光强几乎不变，即激光空间能量分布不变，在激光功率不变而且几乎没有损耗的情况下激光的宽度不会变化。
3激光源转速、激光波长与光探测器响应时间
一般仪器的数据每半秒刷新一次，因此激光扫平仪转速应不小于120 r/min。考虑到后续开发连续移动式激光平整度仪，转速越快能够以越短的距离间隔采集高度数据。
假设激光源以600 r/min的速度旋转，在距激光源100 m处，直径为1 mm受光面，光束停留时间仅为0. 16us，光敏二极管的上升和下降时间相同，不计保持时间，下降时间有0.08us。光敏二极管下降时间指当有脉冲激光照射，光生空穴扩散到势垒区形成光电流所需的时间，与激光波长的关系如图1所示，随着波长的增加，光敏二极管的响应时间增加。
同时，激光波长必须位于大气窗口0. 71~0.735um，0.81~0.84 um区间外。图1中Ln为扩散长度，当Ln=10 um时在此区间的响应时间小于0.08=us，应选用衬底材料采用薄外延片的光敏二极管，所选LP30激光源转速600 r/min，波长为0.785um，光敏二极管选择日本滨松光子学株式会社S4114-46Q型。
4激光束水平精度
激光源产生的光平面是路面相对高度的测量基准，旋转激光束倾斜角理想为0，LP30倾斜角为10 s，以3m范围为例，光平面最大的高度误差仅为0. 17 mm，对测量影响极小，从总体范围来看，原点与100 m远高度差值也只有5 mm。
5激光信号检测电路设计、激光源功率选择
光敏二极管反偏，在入射光为高速激光脉冲信号时，由于光敏二极管的动态电阻远大于负载电阻，因此它的负载可以在相当大的范围内选择。激光信号检测电路如图2所示。
激光源功率大小决定激光照射在光敏元件所产生的电流强弱，以功率最小的半导体激光器1 mW计，取光敏元件灵敏度为0.5 A/W，则最大能产生0.5 mA电流，在47 kfl电阻两端产生很高的压降，但电阻电压是电源通过光敏管提供，当光敏管两端电压减小，其电流无法维持，最后电压不再提高，实际产生最大上升电压略低于电源电压。
由此可见，最后输出的电压大小并不完全取决于激光源功率，主要从降低功耗的角度选择激光源功率，LP30激光源功率为1.2 mW。
6抗阳光干扰
强光直射光敏二极管，可导致电容两端电压升高，超过比较器上设置的电压，激光信号再叠加上去已无响应，所以导致无法检测激光信号，应降低光照度。
由太阳光在大气层形成的辐照度光谱密度函数曲线可知，太阳光含有很强的激光波长光谱，考虑到线阵图像传感器竖直摆放，选择大气质量为1.5时370倾角的半球向日射光谱辐照度，所有波长范围内的积分太阳辐照度Eo。^．=963. 75 W．m一2，在1mm2平面上辐射功率达0. 963 mW。
激光光谱中心波长785 nm，但滤色片工艺上难以做到陡峭的衰减特性，因此光滤波器最佳滤波方式将太阳光中小于770 nm及大于800 nm的光谱衰减至0。
据国家标准GB/T17683. 1-1999，当入射光波长Al =0.767 5um，
;当入射光波长A2 =0. 800 0um, 
。
则通过滤波器的太阳光辐照度约为：
假设面积为1 mm2，785 nm处灵敏度为0.5 A/W的光敏二极管在光照下看成一个电流源，若负载电阻是47 kSl，产生最大约0.8 V电压，而电源电压为3.3V，比较电压只需大于0.8 V，激光信号就能被检测。
7分辨率的实现及检测算法
分辨率是1 mm，受封装尺寸限制光敏二极管中心距大于1 mm，错位排列则可缩小光敏二极管的中心距，如图3，检测的高度范围为200 mm。
虽然光敏二极管的受光面小于封装外壳尺寸，但圆弧状外壳能够对入射光线起到聚焦的作用，当激光照射到边缘时也能被折射到受光面上。图3错位排列既保证了检测的分辨率又保证了在任意高度都能检测到激光，从而在200 mm高度范围内实现以l mm分辨率连续检测。
可采用中心值法或者是加权平均法判断光班中心点的高度。若采用加权平均法，所有导通的光敏二极管中除了位于中间的一只（奇数只导通）或两只（偶数只导通）权系数为1，其余为0；若采用中心值法，单片机判断出最高及最低两只光敏二极管的位置，求平均值。两种算法效果上并没有区别，选用较简单的平均值算法。
8瞬时信号处理
激光束在线阵图像传感器上的落点是快速且随机的，在一个周期内必须从200路运算放大器并列输出信号中寻找，输出与单片机的接口电路必须具有锁存、缓冲、位串读写功能，系统选用XILINX公司的XCR3064XL-VQ44型CPLD。
每片CPLD控制25路信号，1路输出，采用8片CPLD对高速激光信号进行寄存和整理，将200根线上的信号组成8路信号，分25次送给检测用微处理器，在200个数据点中判定光束中心位置，并以串行方式将结果送至人机界面部分的单片机。瞬时信号处理电路如图4所示。
9结论
通过对测量影响因素、激光发射与接收、信号处理三个方面的分析得出了可行的方案：集成双CPU、400个光敏二极管组成的新型光传感器、400个运算放大器、8片CPLD对激光信号进行检测和处理，并采用滤光片对强日光抗干扰，设计了平整度激光检测仪。
