水田激光平地机激光接收放大电路的优化设计

0 引言

激光平地技术是20世纪80年代发展起来的一种高科技激光控制与常规机械相结合的土地平整新技术[1], 国内外学者多年实践表明:采用激光平地后, 田间灌溉效率可由改造前的40%~50%提高到70%~80%, 土地利用率提高10%, 有效提高了农田灌溉水分布的均匀程度和水肥利用效率, 有利于化学除草, 对提高水稻生产机械化水平有重要意义[2-5]。激光平地机引进和研制初期, 激光接收器和激光控制器一般采用国外产品, 高昂的购置成本限制了激光平地机在农业中的推广[6]。在国家“863”计划支持下, 2005年中国农业大学开始激光接收器和激光控制器的研制[7-9], 华南农业大学作为协作单位开始研制水田激光平地机。水田激光平地机高程控制系统是依据平地铲的高程偏差, 驱动高程液压油缸实现平地铲高程位置恒值调节的闭环控制系统, 激光接收器是水田激光平地机高程偏差检测部件, 其系统的稳定性和抗噪声性能决定了激光平地机平地铲高程定位精度。在推广示范过程中发现, 接收器的振动和太阳辐照噪声会引起激光接收器输出偶然的错误高程定位数据, 影响水田激光平地机的平整质量和工作效率。

本文研究了激光接收光电转换电路, 利用试验分析了激光接收器的激光信号转换规律、激光转换后的有效信号和噪声频率特性, 对激光接收放大电路结构和参数进行了优化, 消除激光接收器错误高程定位信号, 提高水田激光平地机高程定位稳定性。

1 激光接收器高程定位工作原理

激光平地机工作时, 设置在田边的激光发射器发送旋转的635 nm红色激光信号形成高程基准面, 激光接收器的光电敏感元件接收到激光信号后, 经过光电转换和处理得到平地铲和基准面的高程偏差信息。由于水田硬底层高低不平, 平地铲姿态发生变化, 激光接收器的高程偏差发生相应变化, 为了保证激光接收器在高程变化时不丢失激光信号, 根据水田承载强度、软泥层深度[10-11], 结合平地机的液压驱动特性和平地铲控制系统响应速度, 接收器的有效接收高程变化范围设计为-100~100 mm。依据水田平整精度±20 mm的要求和激光发射器的旋转水平面精度±15″, 激光接收器的有效接收距离设计为250 m。由于有较大的接收面积、适中的灵敏度和较低的成本, 本研究选取2CR93硅光电池为激光光电转换元件, 为了保证接收器工作过程中360°范围内都能接收激光信号, 硅光电池组采用四列菱形布置, 每列9片, 分为上、中上、中、中下、下5路, 中间一路采用4片硅光电池并联连接, 其他4路采用8片硅光电池并联连接[9], 如图1所示。

图1 硅光电池组连接原理图Fig.1 Connection principle of photo-electric cells    下载原图

1.光电池片组2.电路连接线1.Photo-electric cells 2.Connection circuit of photo-electric cells

当激光接收器没有接收到激光信号时, 5路放大后输出信号只有噪声电平;当某一路或者某几路硅光电池组接收到激光脉冲, 经过光电转换、放大处理后, 其输出包含了放大后的有效激光调制信号, 通过比较整形电路可以确定硅光电池组是否接收到激光信号和哪几路接收到激光信号, 进而确定平地铲的相对高程。

2 激光光电转换等效电路原理

激光光电转换电路的主要功能是将照射于光电转换器件上的激光光通量转化为电信号, 然后经过前置放大、主放大电路完成滤波、降噪和后续处理, 处理后得到激光位置信息[12-13]。因此, 光电转换电路不仅要与激光频谱相适应, 而且要易于与后续电子系统的特性和工作参数匹配。光电转换敏感元件一般采用光电二极管或者光电池, 光电转换模式一般采用光伏模式和光导模式。为了减小阳光对激光接收器的影响, 一般采用窄带光学滤片来降低背景阳光能量, 以提高激光光电信号的信噪比, 但干涉滤光片价格高, 制作工艺复杂[14]。本研究采用北京瑞普北光电子有限公司生产的2CR93硅光电池裸片作为直接光电转换器件[15-16], 其光电转换模式为光伏模式, 在接收器外壳加装红色有机玻璃, 降低部分背景阳光辐照功率, 采用外接电感作为硅光电池负载, 由外接电感与硅光电池内部等效电容组成谐振回路, 将激光脉冲电压信号调制为交流高频信号, 以便于后续光电信号的放大器设计和匹配, 并且比较小的外接阻抗有利于提高硅光电池光电转换效率[17]。激光光电转换等效电路如图2所示[18]。

图2 硅光电池动态等效电路Fig.2 Equivalent circuit model of photo-electric cells    下载原图

注:I1脉冲电流;I2缓变光电流;D等效二极管;Rsh等效并联电阻;Rs等效串联电阻;C等效极间电容;C1外接隔直电容;L外接负载电感;虚线框为光电池等效电路。下同。Note:I1is pulse current.I2is slow change current.D is equivalent diode.Rshis equivalent parallel resistance.Rsis equivalent series resistance.Cis equivalent capacitance.C1is blocking capacitor of external circuit.Lis inductance of external circuit.In the dashed box those are the equivalent circuit of photo-electric cells.The same as below.

3 激光光电转换电路试验及结果分析

激光光电转换实现激光信号到光电信号的转换, 其光电转换性能影响激光接收器的接收距离、后续放大电路的设计与抗噪声性能。

3.1 试验设计

试验地点选择在华南农业大学岑村试验田, KF308激光发射器1台, 粘贴有干涉型窄带光学滤波的2CR93硅光电池光电转换装置1套, 由2CR93硅光电池裸片组成的光电转换装置1套、低噪声宽带放大电路1套、TES1332A照度计1台、VC9808+多用表1台, FLUKE 225C手持示波器1台, 相机1台, 50 m卷尺1把。

本研究设计了激光光电能量转换特性、光电转换频率特性和光电转换噪声特性等3个试验。

3.1.1 激光光电能量转换试验

目的是验证2种不同滤光方式下激光光电转换信号幅值与激光接收距离的相关关系, 优选光电转换电路的滤光方式。

光电转换短路电流试验步骤:在无阳光辐照时, 以KF308激光发射器的点光源为信号, 选择8, 20, 40, 70, 127, 176, 248和292 m 8个接收距离, 采用VC9808+多用表测试并记录光电转换组件在不同接收距离下的静态短路电流。光电转换开路电压试验步骤:在无阳光辐照时, 以KF308激光发射器发送10 Hz旋转激光信号为信号, 选择8, 20, 30, 40和50 m共5个接收距离, 采用FLUKE 225C手持示波器测试并记录光电转换组件在不同接收距离下的静态开路电压。

3.1.2 激光光电转换频率特征试验

目的是估计硅光电池的等效电容, 优选合适的外接电感和工作频率。

试验步骤:KF308激光发射器发送10 Hz旋转激光信号, 激光接收距离为200 m, 光电转换组外接电感为100μH, 利用FLUKE 225C手持示波器分别测试并记录4片硅光电池并联和8片硅光电池并联输出的激光光电转换信号标准放大2 000倍后电压波形。

3.1.3 光电转换噪声特性试验

目的是确定光电转换信号的信噪比、放大器需要的放大倍数和振动噪声的频谱特征。

阳光辐照噪声试验步骤:KF308激光发射器发送10 Hz旋转激光信号, 接收距离固定为240 m, 利用TES1332A照度计测试并记录激光接收器的辐照度[19-20], 利用FLUKE 225C手持示波器测试并记录不同照度下光电转换信号标准放大4 000倍后的电压波形。振动噪声测试步骤:关闭激光发射器, 手动控制平地铲空载上升下降, 利用手持示波器测试并记录噪声信号放大4 000倍后的噪声信号频率。

3.2 试验结果分析

3.2.1 激光光电能量转换试验结果分析

从图3a得到, 随着激光接收距离增加, 激光光斑的扩大, 光斑中心的激光能量降低[21-22], 当激光打到或者扫过硅光电池光电转换元件时, 硅光电池接收到的激光能量减小, 激光光电转换短路电流减小, 激光接收能量随着接收距离按负指数规律下降。当接收距离大于150 m后, 2种滤光模式的静态最大值短路电流变化规律一致。从图3b得到, 随着激光接收距离增加, 激光扫过光电转换元件的时间线性减小[23], 激光光电转换开路电压也按负指数规律下降。当接收距离大于50 m时, 2种滤光模式的动态最大值开路电压变化规律也一致。

图3 光电转换最大短路电流、最大开路电压与接收距离曲线Fig.3 Curve of maximal short circuit current and open-circuit voltage of photoelectric conversion in different receiving distances    下载原图

激光接收距离是影响激光能量接收、转换的主要因素, 激光接收器的的光电转换信号最大值随接收距离按负指数衰减指数, 其短路电流拟合公式如式 (1) 、开路电压拟合公式如式 (2) 所示。从图3试验结果可以得出, 激光接收器光电转换元件选用硅光电池裸片光电直接转换方式是合适的。

式中:i为最大短路电流, μA;x为激光接收距离, m;u为最大开路电压, m V。

3.2.2 激光转换电路输出频率特性试验结果分析

当硅光电池组外接100μH电感, 激光转换有效信号输出信号波形结果如图4所示。从图4看出, 当激光扫过激光接收器, 光电转换输出信号为二阶欠阻尼衰减振荡曲线。将示波器的波形数据导入MATLAB进行傅里叶变换, 8片硅光电池并联时输出信号基波频率为43.5 k Hz, 4片硅光电池并联时输出信号基波频率为63.9 k Hz。

激光接收器在田间工作时接收激光脉冲时间一般远小于硅光电池的响应时间常数20μs[15], 因此将激光脉冲信号可以看作一个能量脉冲输入, 通过硅光电池转换为光电流信号 (信号幅值由光电转换元件的输入激光辐射强度、扫描时间和转换效率决定) , 等效于脉冲信号加在LC并联电路中, ωd二阶电路有阻尼振荡频率, 由外接电感、硅光电池的等效二极管结间电容和等效电阻RsRsh确定, 由于硅光电池Rs较小, Rsh较大[18], ωd由公式 (3) 确定。

式中:ωd为有阻尼振荡角频率, rad/s;L为电感, H;C为电容, F。

因外接电感L为100μH, 将试验基波频率ωd为43.5和63.9 k Hz代入上式, 计算硅光电池的等效极间电容约为16 n F。

图4 8片和4片硅光电池并联的光电转换放大后的电压波形Fig.4 Amplified voltage waveform output by 8 pieces and4 pieces paralleling silicon photovoltaic cells    下载原图

3.2.3 光电转换噪声试验结果分析

不同阳光辐射强度下有效信号和光电转换噪声试验结果如图5所示。

图5 不同太阳辐照激光信号和噪声幅值曲线Fig.5 Amplitude of laser signal and noise in different solar irradiance    下载原图

从图5可以得出, 随着阳光背景功率的增加, 激光转换电路输出信号幅值减小, 噪声幅值上升。当接收器阳光照度小于10 000 lx时, 有效信号幅值和噪声幅值比大于20, 此时噪声以电路热噪声为主, 噪声功率较小, 噪声频谱为白噪声;当接收器阳光照度大于10 000 lx时, 由阳光功率产生的散粒噪声急剧增加[24], 由于放大器的低通特性, 噪声低频能量增加, 背景光电流增加, 激光信号转换效率下降, 光电转换灵敏度降低。当照射到接收器的照度增加到111 200 lx时, 有效信号与噪声信号的比值只有4.2倍。因此激光放大电路的总体放大倍数设计为4 000倍, 此时能够满足激光接收器的接收距离要求, 并且太阳辐照度噪声对接收器的有效信号有较大的稳定裕度。振动噪声试验结果如表1所示。

表1 振动噪声测试值Table 1 Value of vibration noise                                                下载原表                                        

从表1中可以看出, 由于激光接收器振动使接收器的元件产生振动变值, 与机械振动能量相关, 主要振动噪声信号发生在平地铲上下换向时, 其振动加速度最大。当外接电感值增加, 振动噪声频率稍有降低。

4 激光接收器放大电路优化设计和田间试验

针对上述激光光电转换有效信号和噪声试验特征, 进行了激光光电转换放大电路优化设计并利用田间试验验证了优化设计的适用性。

4.1 激光接收器放大电路优化设计

激光接收器放大电路对激光转换后的光电有效信号进行选通放大, 通过比较电路进行整形后检出激光位置信息进而得到平地铲的相对高程。因此激光接收器放大电路对光电转换信号失真没有严格要求, 在放大有效信号的同时抑制噪声信号, 为了提高探测灵敏度, 尽可能采用高增益低噪声、窄带宽的放大器优化设计。

激光接收器在正常工作中不可避免受到外部噪声和内部噪声的干扰。外部噪声主要来源于汽油发动机的火花噪声、电磁阀驱动开关噪声和阳光干扰及由于接收器本体震动产生的电磁干扰;内部噪声主要来源于硅光电池暗电流、热噪声、散粒噪声、闪烁噪声和内部有效信号的串扰等。已有研究表明, 外部噪声可以通过窄带滤波、屏蔽和改进安装方式来消除或者减少[25-26], 内部噪声可以利用低噪声半导体器件的选择、电路噪声匹配设计、低噪声电子线路及其工作状态的优化设计等方法消除或者降低[27-29]。依据光电转换噪声试验结果可以得到, 当采用较窄带宽的带通滤波器并合理控制放大器的放大倍数, 能够消除由于机械振动产生的低频噪声, 保证在较大的阳光辐照强度下的激光接收器的动态信噪比。

激光转换电路的外接电感参数决定了激光光电转换后的频率值和幅值, 电感值大, 匝数多, 品质因素低, 光电转换电压峰值小, 噪声电压也相对提高;电感值小, 转换频率高, 带宽大不利于减小噪声[30], 依据光电转换信号频率特征和低频振动噪声特性, 优化设计光电转换电路电感选用100μH。

激光接收器光电转换分为中间4片硅光电池并联和上下各8片硅光电池并联2种连接方式, 为了远离低频振动噪声频谱, 依据激光光电转换频率试验结果, 选择外接电感值100μH, 与硅光电池内部等效电容将激光光电信号调制为中心频率为43.5和63.9 k Hz的交流电信号, 设计带通放大电路-3 d B带宽为8和10 k Hz。依据光电信号能量转换试验和噪声测试试验结果, 设计了1级前置放大器和2阶带通放大器, 增益分别为26、26和20 d B总计72 d B。共基极三极管放大电路对激光光电转换信号进行前置宽带放大, 无限增益多路负反馈有源二阶带通滤波器带通放大电路对光电信号进行选频放大, 利用其低频衰减特性减小由于机械振动、阳光缓变、光电转换闪烁噪声等低频干扰信号, 利用其较小的带宽和高频衰减特性降低由于太阳强辐射产生的各种高频噪声, 提高激光接收器的信噪比。优化设计后的激光信号放大电路如图6所示。

图6 优化设计激光接收放大电路图Fig.6 Optimized design of laser receiver amplification circuit    下载原图

注:R电阻;Q三极管;U运算放大器。Note:R is resistance;Q is triode;U is operational amplifier.

4.2 优化后激光接收器田间试验

采用优化设计后的激光接收器在华南农业大学实验农场进行了田间试验, 试验发射器型号为定制的福田KF308, 旋转频率为600 r/min, 接收距离为160~220 m, 天气为晴天有云, 利用TES1332A照度计记录阳光最大照度为22 900 lx左右, 利用接收器微处理器ADC分时记录各个激光接收信号通道放大信号电压。试验测试得激光接收器有效信号最大幅值为1.835 V, 最小幅值为1.64 V, 噪声电平最大为131 m V, 4片和8片并联硅光电池组的激光转换信号频率分别为63.7和42.5 k Hz, 消除了由于振动和太阳辐照噪声引起的错误定位信号, 解决了水田激光平地机推广示范中存在的问题。

5 结论

1) 本文采用试验方法研究了激光接收器的光电转换特征, 对激光接收器光电转换信号幅值与接收距离, 太阳辐照度噪声、振动噪声与有效激光信号幅值频率特性开展了相关性试验。结果表明, 随着激光接收距离增加, 接收到激光能量减小, 激光光电转换信号幅值随接收距离增加按负指数衰减;随着阳光辐照度增加, 光电转换硅光电池背景电流增加, 光电转换效率降低, 激光光电转换信号幅值按负指数衰减, 而光电转换噪声按指数规律显著增加;机械振动噪声频率特性固定在低频段。

2) 在试验分析基础上, 本文采对光电转换电路和放大电路参数进行了优化设计。用硅光电池内部等效电容和外接电感的直接光电转换电路将激光脉冲电流信号调制为交流电压信号, 优化带通放大电路参数和降低放大电路带宽对阳光辐照噪声和振动噪声进行衰减, 以提高激光接收器放大电路的信噪比。

3) 田间试验结果表明优化设计后的激光接收器消除了由于机械振动和阳光辐照噪声引起的错误定位信号, 满足了水田激光平地机的高程传感检测性能要求。