合成孔徑激光雷達(dá)中微弱信號噪聲分析與處理

王莉莉，曾曉東

(西安電子科技大學(xué)技術(shù)物理學(xué)院，陜西西安 710071)

合成孔徑激光雷達(dá)(SAL)是利用激光雷達(dá)相對于目標(biāo)的運(yùn)動，把尺寸較小的真實(shí)天線孔徑，通過數(shù)據(jù)處理的方法，合成為較大的等效天線孔徑雷達(dá)。利用激光器作輻射源的 SAL，由于工作頻率遠(yuǎn)高于微波，對于相對運(yùn)動速度相同的目標(biāo)，可產(chǎn)生更大的多普勒頻移，因此不僅克服了普通激光雷達(dá)波束窄、搜索目標(biāo)困難等缺點(diǎn)，而且能夠提供比 SAR更高的方位分辨率，適合大面積的地表成像[1]。

SAL系統(tǒng)在原理上并不復(fù)雜，然而真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，技術(shù)上還存在一定難度，主要困難是系統(tǒng)的相干問題。SAL采用相干探測體制，通過光頻相干技術(shù)檢測出多普勒頻移。但由于一般 SAL探測距離較遠(yuǎn)且激光的波長較短，相干探測實(shí)現(xiàn)起來有一定難度，這是目前研制 SAL急需解決的一大難題[2]。發(fā)展相干探測 SAL需要相應(yīng)技術(shù)的支持，包括大功率穩(wěn)頻激光器技術(shù)，光學(xué)接收技術(shù)和信號檢測技術(shù)。

1 噪聲分析及相應(yīng)的減小措施

文中論述了關(guān)于復(fù)雜背景條件下微弱信號的檢測技術(shù)。SAL主要用以探測遠(yuǎn)距離物體，目標(biāo)回波信號比較弱，容易受到噪聲的影響。而且，由于目標(biāo)和SAL之間有相對移動，目標(biāo)的動態(tài)范圍也較大，要完成對目標(biāo)的有效作用距離內(nèi)的探測，必須保證接收系統(tǒng)有足夠高的靈敏度[3]。因此，用于相干探測的光電探測器，應(yīng)有靈敏度均勻的光敏表面、足夠的高頻響應(yīng)和穩(wěn)定的量子效率，接收電路應(yīng)具有較大的動態(tài)線性范圍。

光電探測器是一種將光輻射信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓鈱W(xué)器件，其原理是基于光輻射與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)。在完成光電轉(zhuǎn)換過程中，不僅給出表征被測對象的有用信號，同時(shí)伴隨著無用的噪聲信號。光電探測器存在許多內(nèi)部噪聲，主要噪聲來源是熱噪聲和散粒噪聲[4]。

散粒噪聲是光電探測器的一個(gè)主要噪聲來源，主要由信號光、背景光和暗電流的散粒噪聲組成[5]。單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)光敏表面的光子數(shù)和由它激勵形成的光電子數(shù)是隨機(jī)離散的。在不同瞬間通過電路的電流密度也是不均勻的，它的電流平均值代表電路的電流值，相對平均值的散布形成了電路的噪聲。這種由于光載流子，電載流子形成和流動密度的漲落造成的噪聲稱為電路的散粒噪聲。光電二極管在高頻工作時(shí)，主要噪聲是散粒噪聲，取反偏工作十分有利[6]。本實(shí)驗(yàn)中光電二極管的偏置電路如圖 1所示。

圖1 PIN偏置電路

其中，V0為偏置電源電壓；R2，C2為濾波元件，防止放大器的輸出端通過光電二極管的偏置電源引線再串入放大器的輸入端，引起放大器的自激；RL為光電二極管的負(fù)載電阻，為放大器提供信號輸入；C1為耦合電容，此時(shí)光電二極管的 P極交流接地，使得放大器輸入端對地的分布電容比較小。

一般來說，光電二極管接收比較弱的光信號時(shí)，可以認(rèn)為處于熱噪聲優(yōu)勢中，熱噪聲對探測能力影響最大。熱噪聲存在于任何導(dǎo)體與半導(dǎo)體中，它來自電阻的內(nèi)部自由電子或電荷載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動。當(dāng)沒有外場時(shí)，導(dǎo)體中的電子作無規(guī)則熱運(yùn)動，無定向的遷移，因而沒有電流，但由于漲落，向兩個(gè)相反方向運(yùn)動的電子數(shù)并不完全相等，導(dǎo)致在導(dǎo)體和半導(dǎo)體中產(chǎn)生噪聲電壓，噪聲電壓均方值 U2r為

其中，K為波爾茲曼常數(shù)；T為材料的絕對溫度；R(f)為電阻隨頻率的變化關(guān)系。

由式(1)可以看出，影響探測噪聲的因素為溫度T和檢測電路的帶寬，所以可以通過降低探測器工作溫度和檢測電路帶寬來增加探測器的探測性能和系統(tǒng)的信噪比。其中降低溫度可通過低溫裝置來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)使用的是 PIN光電二極管，將光電探測器置于液氮中，以減小熱噪聲。

熱噪聲也稱為白噪聲，它與測量儀器的電子帶寬成正比，與頻率無關(guān)。本實(shí)驗(yàn)選用集成 LC帶通濾波器，中心頻率為 100 MHz，通帶帶寬 10 MHz，符合實(shí)驗(yàn)要求。通過使用帶通濾波器，可以將通帶帶寬范圍外的噪聲信號濾除掉，減小噪聲，提高信噪比。當(dāng)將集成 LC帶通濾波器放在放大器之前時(shí)，由于它給放大電路引入了插入損耗和噪聲，不利于實(shí)驗(yàn)要求，因此將帶通濾波器放在兩級放大器之后。

2 電磁屏蔽

光電檢測電路中不僅存在內(nèi)部噪聲，還有外部擾動。外部擾動包括輻射源的隨機(jī)波動，背景起伏、雜散光的入射、檢測電路所受的電磁干擾等，這些擾動可以通過穩(wěn)定輻射光源、濾波、遮斷雜光以及電磁屏蔽等措施加以改善或消除。

電磁屏蔽是抑制干擾，增強(qiáng)設(shè)備可靠性及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。電磁場在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，其場量的振幅隨距離的增加而按指數(shù)規(guī)律衰減，從能量的觀點(diǎn)看，電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)有能量損耗。導(dǎo)體表面的場量最大，越深入導(dǎo)體內(nèi)部，場量越小，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。利用趨膚效應(yīng)可以阻止高頻電磁波透入良導(dǎo)體而做成電磁屏蔽裝置，同時(shí)在金屬屏蔽殼內(nèi)部的元件或設(shè)備所產(chǎn)生的高頻電磁波也不會透出金屬殼而影響外部設(shè)備。在本實(shí)驗(yàn)中，選用生鋁制作的屏蔽盒。

本實(shí)驗(yàn)中使用聲光調(diào)制器，其調(diào)制頻率為100 MHz，為防止電磁耦合對光電二極管的影響，將聲光調(diào)制器放在屏蔽盒中，進(jìn)行電磁屏蔽，減小電磁干擾；同時(shí)，將光電探測器與偏置電路，放大器與濾波器電路放在屏蔽盒中，減小外部干擾，以提高信噪比。為使放大器的輸出信噪比最大，前置放大器和它的輸入電路需要做到噪聲匹配，即信號源內(nèi)阻應(yīng)等于放大器的最佳源電阻，此時(shí)為 50Ω。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

按照上述實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，得到如圖 2和圖 3所示的波形圖。

由圖 3可知，外差信號波形圖較為光滑，幅度較大；對于頻率譜，在 100MHz處有一明顯的尖峰，在其他頻段，尖峰相對較小，信噪比得到改善。

為了更加清楚地分析信號的噪聲來源，現(xiàn)就示波器本身的噪聲觀察如圖 4所示。

圖4 示波器本身的噪聲

從圖 4可知，在沒有輸入信號接入示波器時(shí)，示波器本身就存在一定的噪聲。放大器的輸入端不接信號，處于懸空狀態(tài)，輸出端接入示波器，得到波形如圖 5所示。

圖5 放大器本身的噪聲

由圖 5可知，噪聲的幅度相對于圖 3有所提高，可知放大器本身存在較大的噪聲。此時(shí)，示波器的顯示帶寬為全通帶。

為了驗(yàn)證帶通濾波的特性，令示波器的顯示帶寬為 200MHz，觀察波形圖，且與圖 4進(jìn)行比較，噪聲幅度有所減小。

圖6 示波器顯示帶寬 200MHz時(shí)放大器的噪聲

減小示波器的顯示帶寬至 20 MHz，噪聲幅度進(jìn)一步減小，故可以驗(yàn)證帶通濾波對噪聲有一定的抑制，可以減小噪聲。

圖7 示波器顯示帶寬 20MHz時(shí)放大器的噪聲

4 結(jié)束語

本文分析了微弱光電信號接收系統(tǒng)的噪聲來源，采用相應(yīng)的 PIN偏置電路和濾波電路來減小系統(tǒng)噪聲；同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)要求的信號頻率為 100MHz，為了降低高頻效應(yīng)的不利影響，使用電磁屏蔽來減小外界干擾。實(shí)驗(yàn)證明，對于微弱光電信號檢測系統(tǒng)來說，帶通濾波器和屏蔽盒的使用有利于系統(tǒng)減小噪聲，提高信噪比，更利于合成孔徑激光雷達(dá)中微弱光電信號的檢測。

[1]李番，鄔雙陽，鄭永超，等.合成孔徑激光雷達(dá)技術(shù)綜述[J].紅外與激光工程，2006(1):55-59.

[2]王省偉，侯天晉，周鼎富，等.合成孔徑激光雷達(dá)[J].激光技術(shù)，2008，32(1):4-7.

[3]Schneider K，Zimmermann H.H ighly Sensitive Optical Receivers[M].Germany:Springer Series in Advanced Microelectronics，2006.

[4]姜先申，韓焱.光電探測器噪聲分析及降低噪聲的方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28(4):3-4.

[5]解光勇.光電探測器噪聲特性分析[J].信息技術(shù)，2008(11):8-10.

[6]龔涵，陳浩宇.微弱光信號檢測電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)信息:科學(xué)教研，2007(27):85-87.