高靈敏度脈沖式激光接收電路設(shè)計

虞靜++藍(lán)微++魏學(xué)明

摘要：根據(jù)光電雪崩管（APD）的工作條件，設(shè)計了一種脈沖式激光測距接收電路。該電路利用環(huán)境溫度以及噪聲控制APD工作偏壓，提高電路信噪比；采用近程增益抑制電路，解決了放大器堵塞和近距離大氣后向散射干擾的問題；通過APD保護(hù)電路，降低了APD的損壞風(fēng)險；最后結(jié)合軟件算法設(shè)計使激光接收電路的最小探測功率達(dá)到5nW。

關(guān)鍵詞：測距接收電路 APD保護(hù) 高靈敏度測距算法

中圖分類號：TN248.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0186-02

遠(yuǎn)程激光測距中，為增大測距距離，在體積和重量的受限的情況下，提高接收靈敏度是目前較經(jīng)濟(jì)有效的措施。因此，設(shè)計合理的接收電路，提高回波信號的信噪比；選擇有效的測距算法，測量推算出激光脈沖傳播的時間差，是高靈敏度激光測距機(jī)的設(shè)計重點(diǎn)。

1 接收電路整體設(shè)計

脈沖激光測距的基本原理就是通過測量激光脈沖的傳播時間來確定距離，接收電路原理框圖如圖1所示。為提高接收靈敏度，主要采取以下措施：

抑制APD供電電源噪聲，利用環(huán)境溫度及噪聲控制APD能夠工作在最佳工作偏壓下，以獲得較高的靈敏度和恒定的虛警率，同時設(shè)計APD保護(hù)電路，降低APD損壞風(fēng)險；

在保證回波信號正常放大的情況下，盡量壓縮放大器帶寬，降低噪聲；

選擇合適的放大增益與信號閾值，提高電路信噪比，并采用近程增益抑制電路，去除高增益造成的放大器堵塞和近距離大氣后向散射干擾問題；

通過整形電路和軟件算法設(shè)計有效的選擇提取回波信號，減少回波脈沖誤測或漏測的情況。

2 器件選取及電路設(shè)計

2.1 光電探測器（APD）外圍電路

2.1.1 APD供電電源

APD選用Perkinelmer公司的C30659，該探測器廣泛應(yīng)用于波長為1.064μm的激光發(fā)射接收電路。為了保證給光電探測器提供低噪聲偏置電壓，采用可編程高壓電源MODEL 521-5-M。它的主要優(yōu)點(diǎn)是高可靠性，較小的質(zhì)量和外型尺寸，內(nèi)部噪聲電平小。其中光電探測器的偏壓值大小根據(jù)單管特性及環(huán)境溫度設(shè)置[2]。由于探測器供電電流恒定且電流小，為提高探測靈敏度，減少探測器內(nèi)置前置放大器供電電源噪聲，采用阻容濾波方式既抑制了噪聲，減少了電源芯片數(shù)量與電路體積，又降低了電路成本。

2.1.2 APD偏壓控制

設(shè)計原理框圖如圖1所示。激光回波進(jìn)入APD，由主放大器放大輸出后分兩路進(jìn)入高速比較器，一路為噪聲閾值電路，其輸出和自動溫度控制電路輸出一起控制APD偏置電壓，使光電探測器能夠工作在最佳工作偏壓下，獲得較高的靈敏度和恒定的虛警率；而另一路為信號閾值電路，經(jīng)整形電路整形輸出至信號處理。

2.1.3 APD保護(hù)

APD靈敏度越高，損壞的機(jī)率越高，直射或近距離強(qiáng)反射激光脈沖容易造成APD的損壞。APD集成了感光器件與前置放大器。本激光測距機(jī)，激光發(fā)射脈沖約15ns，各界面反、散射的激光脈沖能量對感光器件的作用時間極短，達(dá)不到APD感光器件的損傷閾值，受損機(jī)率較大的一般是前置放大器[2]。為避免APD的損壞，應(yīng)對APD前放電源進(jìn)行時序控制，其工作原理如下：

如圖1所示，同步信號為APD前置放大器電源延遲信號，在激光發(fā)射前將APD前放電源電壓降至低于1V，使前放停止工作，發(fā)射激光后（同步信號控制），電源電壓逐漸恢復(fù)到正常工作電壓，變化過程如圖2所示。

2.2 放大電路

主放大器采用AD公司的雙路放大器AD600。該器件具有低噪聲、可變增益、高速等優(yōu)點(diǎn)。它的低噪聲特性非常適合激光接收增益放大電路。

2.2.1 放大器帶寬

激光器發(fā)射脈沖脈寬約15ns，上升沿約5ns，而回波的脈沖寬度會展寬，一般在30ns以上，上升沿10ns以上，根據(jù)公式[3-1]設(shè)計帶寬[6]：

式中，tr為回波脈沖的上升沿。為保證測距精度，電路設(shè)計帶寬取50MHz。

2.2.2 放大器增益

放大器增益由雪崩管前放輸出的最小可識別信號幅度與整形電路的閾值電壓決定。而最小可識別信號取決于噪聲電平，其噪聲包括雪崩管前放固有噪聲和背景輻射引起的噪聲。

雪崩管前放固有噪聲：

雪崩管前放的噪聲等效功率NEP典型值為50fw/Hz1/2，響應(yīng)度R典型值為2×105V/W。根據(jù)公式[3-2]計算均方根噪聲電壓：

噪聲電壓為5.5×10-5V。

背景輻射引起的噪聲：

背景輻射引入的均方噪聲電流為：

式中：e-電子電荷，1.6×10-19C；

M-雪崩管倍增因子，取120。

K-空穴電離率對電子電力率之比取0.01；

R0-倍增因子為1時，雪崩管響應(yīng)度，取0.15A/W；

B-放大器帶寬，取50MHz；

Pbgr-晴朗天空環(huán)境下背景輻射，約9.6×10-10W。

則An22為0.63×10-16A2。

由于雪崩管前放傳輸系數(shù)約為0.8×104V/A，輸出相應(yīng)的噪聲電壓為1.05×10-5V。

輸出總噪聲電壓根據(jù)公式[3-3]計算得為5.6×10-5V。

為使探測率達(dá)到90%以上，要求信號對均方根噪聲比達(dá)到6左右。因此雪崩管前放組件輸出最小可探測信號為：3.36×10-4V。

設(shè)整形電路閾值為0.38V，要求放大器增益為1130倍。

2.2.3 近程增益抑制

在激光發(fā)射瞬間，由于近程大氣后向散射的激光能量相對于回波脈沖能量較大，如保持放大增益不變，會造成放大器堵塞從而不能正常測距。為解決這一問題，在激光發(fā)射瞬間，通過TPG信號控制主放大器增益，如圖3所示。

在激光脈沖發(fā)射瞬間，壓控增益放大器增益電壓為0V，之后電壓V1經(jīng)過R1對C1充電，放大器增益隨時間逐漸增大。通過調(diào)節(jié)TPG的脈沖寬度以及R1或C1的值控制近程保護(hù)時間tc。如圖4所示，tc為放大增益增加到最大值的時長。其中T1為測量接收靈敏度時，取消近程增益控制的開關(guān)，在實際測距時，開關(guān)為打開狀態(tài)。

2.3 整形電路

接收電路采用MAXIM公司的MAX912芯片實現(xiàn)雙閾值電路，一路為信號閾值，將大于信號閾值的信號作為回波信號輸出到下一級，另一路為噪聲閾值，將超過噪聲閾值的信號反饋，用于調(diào)節(jié)APD偏壓，較好地解決了誤碼率低和虛警率高的矛盾[3]，提高了接收系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 軟件算法設(shè)計

軟件采用卡爾曼濾波算法對回波信號進(jìn)行提取及距離推算[4]，設(shè)置了波門選通電路，讓目標(biāo)回波通過波門，非目標(biāo)回波被阻塞，以減少測距的誤測率。對于不能消除的固定干擾，特別是由于靈敏度高，近程增益抑制不夠的情況，設(shè)計采取軟件屏蔽的方式處理。即對激光照射到0m～300m內(nèi)的目標(biāo)、近程大氣內(nèi)的水氣或灰塵等所產(chǎn)生的回波，進(jìn)行屏蔽處理[5]。軟件流程圖如圖5所示。

4 實驗結(jié)果分析

采用消光比發(fā)測試，將激光測距機(jī)對準(zhǔn)500米距離目標(biāo)，經(jīng)實際測量，在發(fā)射光路上加60dB衰減片，能測回正確距離。根據(jù)測距系統(tǒng)參數(shù)計算此時最小探測功率為5nW。

5 結(jié)語

該激光接收電路采用噪聲閾值和環(huán)境溫度對APD偏壓控制、APD近程保護(hù)、放大器近程增益控制以及軟件算法設(shè)計等方法，提高了接收信噪比，降低了APD損壞風(fēng)險，解決了放大器堵塞和抑制近距離大氣的后向散射干擾，實現(xiàn)了高靈敏度激光脈沖測距，最小探測功率達(dá)到5nw。

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