基于蓋革APD陣列的單通道激光雷達(dá)信號讀出電路設(shè)計(jì)

賈國輝，劉纏牢

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021)

0 引言

激光雷達(dá)是光電技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，由于其測量速度快，可靠性高，得到了各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1]。但隨著科技的發(fā)展各領(lǐng)域?qū)π盘柕奶綔y提出了更高的要求。APD(Avalanche Photodiode，雪崩光電二極管)，它是根據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)原理而制成的一種光電探測器，根據(jù)不同的應(yīng)用場景有兩種工作方式，當(dāng)二極管所加偏置電壓低于PN結(jié)的臨界電壓時(shí)工作在線性模式，這種方式探測輸出的電信號強(qiáng)度與接收到的光信號強(qiáng)度成正比，適合于探測近距離范圍，而且靈敏度比較低，當(dāng)二極管所加偏置電壓高于PN結(jié)的臨界電壓時(shí)工作在蓋革模式，此時(shí)探測器捕捉到單個(gè)光子時(shí)也會(huì)發(fā)生雪崩現(xiàn)象，會(huì)輸出連續(xù)大電流，所以靈敏度較高，APD陣列有極高的光電響應(yīng)速度，探測效率大大提升，而大規(guī)模的陣列探測系統(tǒng)也會(huì)帶來一些問題，更大的面積，更大的功耗，而APD陣列的信號讀出電路會(huì)直接影響后續(xù)信號的處理，所以研究APD陣列的信號讀出電路有重要的實(shí)際意義[2]。林肯實(shí)驗(yàn)室在2002年研制出32×32像元Gm-APD探測器[3]，得到了500 m外目標(biāo)的128×128像素距離像，這項(xiàng)研究系統(tǒng)解釋了測距原理和雷達(dá)成像原理，使Gm-APD從理論走向了實(shí)際。2010年，普林斯頓光波公司公開了其所研制的32×32和32×128的單光子APD陣列[4]，探測器響應(yīng)波長從920 nm到1 670 nm，實(shí)現(xiàn)了較大范圍的探測。受國外技術(shù)封鎖的影響，國內(nèi)APD探測器件的研究主要以小陣列器件為主。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王飛等人在2010年研制出一種寬脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)[5]，通過比較脈沖回波的間隔與脈沖脈寬，來判定回波信號的位置。實(shí)驗(yàn)給出了在探測距離為9.6 m處的距離像，其測距的最大誤差為1.5 m。2020年長春理工大學(xué)的楊波副教授使用以陣列APD為核心單元的多像素光子計(jì)數(shù)器(MPPC，multi-pixel photon counter)作為激光雷達(dá)的探測器[6]，設(shè)計(jì)了后端信號處理電路，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)測量范圍在30 cm～2 km之間，實(shí)際測距誤差小于45 cm。由于陣列APD是由多個(gè)APD組成的，因此對這類探測器的后端信號處理系統(tǒng)提出了更高的要求。本設(shè)計(jì)選擇蓋革模式下的APD陣列作為激光雷達(dá)的探測器，選取日本濱松公司型號為S13360—3075CS的MPPC探測器來進(jìn)行激光雷達(dá)信號讀出電路分析設(shè)計(jì)并進(jìn)行了相應(yīng)的電路仿真，實(shí)現(xiàn)了在視場角8°，探測距離為100～200 m范圍內(nèi)的脈沖式激光雷達(dá)的回波信號探測。

1 激光雷達(dá)信號處理系統(tǒng)

如圖1所示為激光雷達(dá)信號處理系統(tǒng)，激光發(fā)射模塊利用調(diào)制激光器和分光鏡將激光器發(fā)射的激光分成兩束，一束作用于目標(biāo)物產(chǎn)生回波信號用于探測器APD的接收，另一束作為參考信號作為測量的起始時(shí)刻，激光照射于被測物體上時(shí)，被測物會(huì)反射微弱回波激光信號，工作在蓋革模式下的APD探測器可將接收到的微弱回波信號由光信號轉(zhuǎn)化為電信號，輸出至信號處理電路，其中信號處理電路主要有放大電路和時(shí)刻鑒別電路，放大電路一般選用跨阻放大電路，目的是為了將輸出的雪崩電流轉(zhuǎn)化為電壓方便后續(xù)處理，并將電壓放大一定的倍數(shù)，時(shí)刻鑒別電路是為了將模擬脈沖信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號，當(dāng)回波信號被探測器接收后可以產(chǎn)生計(jì)時(shí)停止信號，使系統(tǒng)停止計(jì)時(shí)。時(shí)刻鑒別的方法主要有3種：前沿時(shí)刻鑒別法、高通阻容鑒別法和恒比鑒別法。通過對比優(yōu)缺點(diǎn)選擇前沿時(shí)刻鑒別法來設(shè)計(jì)時(shí)刻鑒別電路，并通過設(shè)定特定闕值電壓的電壓比較器來實(shí)現(xiàn)。最后通過時(shí)間測量系統(tǒng)測量激光脈沖發(fā)射的起始時(shí)間和回波信號的停止時(shí)間，計(jì)算之間的時(shí)間間隔，就可以獲得目標(biāo)物的距離信息。

圖1 激光雷達(dá)信號處理系統(tǒng)圖

2 APD探測器的選擇及特性參數(shù)計(jì)算

2.1 APD探測器的特性參數(shù)

如表1所示在溫度為25 ℃時(shí)，該款A(yù)PD探測器有如下特性參數(shù)。

表1 APD探測器特性參數(shù)

如圖2所示為探測器S13360—3075CS的光譜響應(yīng)曲線，圖3為探測器的過偏壓與量子探測效率、增益、串?dāng)_概率的關(guān)系。從圖中可看出：S13360—3075CS的光子探測效率峰值為50%，此時(shí)波長為450 nm。另外從圖中可看出APD探測器的增益、量子探測效率、串?dāng)_概率隨著探測器過偏壓的升高而升高。

圖2 S13360—3075CS的光譜響應(yīng)曲線

圖3 過偏壓與量子探測效率、增益、串?dāng)_概率的關(guān)系

2.2 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算

參考文獻(xiàn)[7]中所給出的激光雷達(dá)距離方程，見公式(1)，可以得到激光回波功率Pr與距離l和發(fā)射功率Pt等參數(shù)之間的關(guān)系。由式可知激光回波功率與距離的平方成反比。

(1)

式中，τα為激光在大氣中的單程透射率；ηr為接收光學(xué)系統(tǒng)效率；ρT為目標(biāo)反射率；Pt為激光發(fā)射功率；At為目標(biāo)照射部分投影面積Ar為有效接收面積；β為發(fā)射系統(tǒng)與目標(biāo)法向夾角；l為與目標(biāo)的距離；Al為目標(biāo)處激光光束橫截面積。

At和Al可以分別表示為：

(2)

(3)

其中：θt是探測單元的光學(xué)系統(tǒng)接收視場角；θl為激光束發(fā)散角。

當(dāng)激光束發(fā)散角與光學(xué)系統(tǒng)接收視場角近似相等時(shí)，可以得出陣列激光雷達(dá)距離方程[8]：

(4)

公式(4)可以看出影響激光雷達(dá)回波功率的主要因素有選取的光電探測器的性能，作用距離，激光脈沖的發(fā)射功率等?；夭üβ孰S著作用距離的增大而逐漸衰弱，當(dāng)激光雷達(dá)的作用距離已確定時(shí)，本文選擇在100～200 m范圍內(nèi)，影響激光雷達(dá)回波功率主要因素有：脈沖激光的發(fā)射功率、目標(biāo)反射率、大氣透射率、光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)、選取的光電探測器的性能等。

通過上述分析可得結(jié)論：選擇光電轉(zhuǎn)化性能好、速度快的光電探測器和發(fā)射功率高的脈沖激光，并設(shè)計(jì)精密的光學(xué)系統(tǒng)和低噪聲，高性能的脈沖信號處理電路，對陣列激光雷達(dá)回波信號的處理和精度提升有非常重要的作用。

在選定的作用距離內(nèi)根據(jù)脈沖式激光雷達(dá)的作用機(jī)理，下一個(gè)激光脈沖信號發(fā)出時(shí)上一個(gè)激光脈沖信號要被光電探測器所接收到，由此可以計(jì)算出在所選探測范圍內(nèi)脈沖激光器的頻率范圍：

(5)

在選定視場角為8°時(shí)根據(jù)以下公式可以計(jì)算出脈沖激光打到目標(biāo)物上形成的光斑尺寸大小為：

s1=l1tanα=200×tan8°≈28.11(m)

(6)

s2=l2tanα=100×tan8°≈14.05(m)

(7)

通過上面的公式計(jì)算可得上式計(jì)算可知，當(dāng)探測距離為200 m時(shí)目標(biāo)物形成的光斑尺寸為28.10 m×28.10 m，當(dāng)探測距離為100 m時(shí)目標(biāo)物形成的光斑尺寸14.05 m×14.05 m。

下面計(jì)算光電探測器的最小光功率，由于探測器存在暗電流[9]，即使是在無脈沖激光發(fā)射的情況下探測器也會(huì)產(chǎn)生微弱光電流，光電探測器的這種性能用暗計(jì)數(shù)特性來表征。選擇峰值波長為450 nm的調(diào)制激光器，通過暗計(jì)數(shù)可以計(jì)算出探測器所能接收到的最小光功率。

由下式計(jì)算單個(gè)光子的能量：

4.42×10-19(J)

(8)

式中，h為普朗克常數(shù)，取值為6.63×10-34J·s；c為光速，取值為3×108m/s；λ為波長。

將S13360—3075CS探測器的暗計(jì)數(shù)特性參數(shù)代入下式得到探測器所能接收并探測的最小光功率為：

Pmin=R·EP=1 500×103×4.42×10-19=

6.63×10-13(W)

(9)

式中，R為光子數(shù)；EP為單個(gè)光子能量

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，公式(4)中參數(shù)取值為τα=0.98，ηr=0.7，ρT=0.1，Pt=0.2 W，在選定視場下單通道激光雷達(dá)當(dāng)探測距離為200 m時(shí)目標(biāo)物形成的光斑尺寸為28.10 m×28.10 m，當(dāng)探測距離為100 m時(shí)目標(biāo)物形成的光斑尺寸14.05 m×14.05 m。利用陣列激光雷達(dá)距離方程可以計(jì)算出在所選范圍內(nèi)所接收到的最小光功率，100 m時(shí)計(jì)算結(jié)果見式(10)、200 m時(shí)計(jì)算結(jié)果見式(11)。

8.449×10-5(W)

(10)

8.455×10-5(W)

(11)

結(jié)合式(9)～(11)所得出的計(jì)算結(jié)果，可以看出：探測器所能接收并探測的最小光功率遠(yuǎn)小于在所選范圍內(nèi)所接收到的最小光功率，所以選擇的探測器可以滿足探測的要求。根據(jù)圖2和圖3 APD探測器參數(shù)特性曲線可知：當(dāng)過偏壓為5 V該探測器單個(gè)APD像素的增益為4×106，典型響應(yīng)波長為450 nm，此時(shí)器件的光子探測效率為50%。根據(jù)響應(yīng)度公式(12)可得單個(gè)APD的響應(yīng)度為：

(12)

式中，e為單個(gè)電子的電荷量；ν接收到的脈沖激光的頻率；h為普朗克常數(shù)；ηe為APD探測器的量子探測效率；M為增益。

由式(13)可以計(jì)算得到當(dāng)探測距離為200 m時(shí)，單個(gè)APD像素輸出光電流為：

iSO=RiPr=0.725 8×1.320 0×10-6≈

9.58×10-7(A)

(13)

則整個(gè)探測器在200 m探測范圍內(nèi)接收到的總電流為：

i總=iSO×Nonr=9.58×10-7×1 600=

1.532 8×10-3(A)

(14)

通過上面的參數(shù)計(jì)算可知，當(dāng)與目標(biāo)物作用距離為200 m時(shí)，APD探測器會(huì)輸出在1.53×10-3A的光電流，后續(xù)電路主要將對幅值為1.53×10-3A的電流脈沖信號進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

3 信號處理電路設(shè)計(jì)

3.1 電路的帶寬

在電路設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)回波信號的上升時(shí)間和脈沖寬度選擇合適的電路帶寬，表征為設(shè)計(jì)的電路是否能夠?qū)μ綔y器輸出的光電流做出迅速回應(yīng)，所選擇的脈沖激光的上升時(shí)間為5 ns，回波信號遠(yuǎn)距離傳輸后信號會(huì)衰減，需要進(jìn)行增益放大，但是較高增益和帶寬會(huì)使電路復(fù)雜，功耗增大，會(huì)帶來高噪聲，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)，既要保證信號有合適的電路帶寬，也要使電路有較高的信噪比，減低電路噪聲，下面將分析電路帶寬與激光脈寬之間的關(guān)系

激光脈沖的波形可以近似為高斯脈沖或鐘形脈沖[11]，波形可由以下函數(shù)表示：

(15)

其中：E為激光脈沖能量振幅；其中τω為脈沖峰值的半峰寬度。對上式作傅里葉變換，可得：

(16)

激光脈沖的能量為：

(17)

通過上式計(jì)算可以得出，激光脈沖信號的能量大多都集中在Δf=0.45/τ內(nèi)。在此帶寬范圍內(nèi)設(shè)計(jì)的電路有較高的信噪比。

根據(jù)實(shí)際使用和相關(guān)參考文獻(xiàn)[12-15]，對最佳信噪比頻率響應(yīng)的分析顯示，當(dāng)ω=(0.35～0.44)/τ時(shí)，信噪比較好，所選用的脈沖激光器的光脈沖上升時(shí)間5 ns，計(jì)算所需設(shè)計(jì)的放大電路的帶寬F

(18)

通過計(jì)算結(jié)果可知：所要設(shè)計(jì)微弱信號探測模塊電路的帶寬范圍滿足70～88 MHz。

3.2 放大電路設(shè)計(jì)

APD探測器輸出光電流后與前置放大器[15]直接相連，主要是將輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并對信號放大，是電路設(shè)計(jì)的最前端，前置放大器的性能會(huì)影響電路整體性能，因此至關(guān)重要。設(shè)計(jì)電路時(shí)要關(guān)注電路的增益帶寬積和信噪比，前置放大器的噪聲要足夠低，以防止比較器錯(cuò)誤翻轉(zhuǎn)和輸出錯(cuò)誤結(jié)果。

使用前置放大器的目的是為了將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，為電路信號的后續(xù)處理做準(zhǔn)備。最簡單的方法是通過電阻轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，根據(jù)此原理有3種電路實(shí)現(xiàn)方法如圖4所示，分別為低阻抗放大器、高阻抗放大器、跨阻放大器。低阻抗放大器和高阻抗放大器的結(jié)構(gòu)相同，在探測器后面連接對地電阻，當(dāng)電流流過電阻時(shí)分壓產(chǎn)生壓降從而使電流轉(zhuǎn)換為電壓，電阻上的電壓節(jié)后面其他放大器實(shí)現(xiàn)放大。低阻抗放大器電阻值較低，但低阻值引入了高的熱噪聲，放大器靈敏度不高，在高阻抗放大器中，電阻較高會(huì)影響電路帶寬使電路響應(yīng)速度變慢。結(jié)合以上兩種放大器的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用TIA跨阻放大器[16-17]，有良好的增益帶寬積(GBP)且噪聲低。通過對市場上的跨阻放大器調(diào)研分析，對比參數(shù)選擇了TI公司的OPA855跨阻放大器作為此電路的前置放大器。主要特性有高達(dá)8 GHz的增益帶寬積，低輸入的電壓噪聲0.98 nV/√Hz，壓擺率為2 750 V/μs。

圖4 APD前置放大器的類別

選定了APD探測器則寄生電容也就確定了，選定了放大器運(yùn)放增益帶寬積也是固定的，根據(jù)增益和帶寬之間的關(guān)系?？缱璺糯笃鞯?3 dB帶寬計(jì)算如下：

(19)

式中，Rf為反饋電阻，Cs為輸入寄生電容。本設(shè)計(jì)所用的APD探測器，Cs為320 pF。

將所選放大器的增益帶寬積代入公式(20)可以計(jì)算出該放大電路的反饋電阻為：

(20)

把跨阻放大電路設(shè)計(jì)分析為二階閉環(huán)傳遞函數(shù)，跨阻放大器的噪聲和信號電流增益關(guān)系圖[18-19]如圖5所示。

圖5 跨阻放大器的噪聲和信號電流增益關(guān)系

跨阻放大器為微分電路，反饋電阻、寄生電容和運(yùn)算放大器構(gòu)成的環(huán)路會(huì)形成相位移動(dòng)造成運(yùn)放不穩(wěn)定，容易引起自激振蕩。根據(jù)巴克豪森穩(wěn)定性判據(jù)，通過加入補(bǔ)償電容[20]CF，引入一定的相位裕度來可以穩(wěn)定電路。在實(shí)際應(yīng)用和相關(guān)文獻(xiàn)中有如下公式描述可計(jì)算出補(bǔ)償電容為：

(21)

在放大電路使用過程中，趨向于使用反向放大電路，這是因?yàn)榉聪蚍糯箅娐份斎攵藳]有共模信號，因此反向操作的轉(zhuǎn)換速率較高，電路失真情況也會(huì)得到改善，根據(jù)電路優(yōu)勢，此電路選擇反向放大的方法輸出信號。

3.3 時(shí)刻鑒別電路設(shè)計(jì)

激光脈沖在大氣中傳播時(shí)會(huì)受到折射、散射等因素的影響，接收到的回波信號會(huì)發(fā)生衰減導(dǎo)致信號發(fā)生畸變，發(fā)射的脈沖與接收到的脈沖在幅值和形狀上有很大的不同，這給準(zhǔn)確確定脈沖的起始時(shí)間造成困難，另外由放大電路輸入噪聲引起的時(shí)間抖動(dòng)也給波形時(shí)刻的確定帶來誤差。通過設(shè)計(jì)時(shí)刻鑒別電路消除時(shí)間抖動(dòng)，準(zhǔn)確確定脈沖的起始時(shí)刻可減小測量誤差。所以，脈沖時(shí)刻鑒別電路是激光雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

目前主要有3種鑒別脈沖時(shí)刻的方法[21]：目前時(shí)刻鑒別的方法主要有3種：前沿鑒別(LED，leading edge discriminator)、恒定比值鑒別(CFD，constant fraction discriminator)和高通容阻鑒別(CR-High pass Discriminator)。

前沿時(shí)刻鑒別法如圖6所示，它通過事先確定一個(gè)特定的闕值電壓來確定脈沖信號的起始時(shí)刻，當(dāng)脈沖前沿的幅值大于或者等于設(shè)定的闕值電壓時(shí)輸出數(shù)字脈沖信號，該時(shí)刻稱之為起始時(shí)刻，通過脈沖前沿的幅值來判斷起始時(shí)間。由于脈沖幅值和波形的不同，當(dāng)脈沖幅度與形狀變化時(shí)會(huì)引起的漂移誤差誤差的大小與確定的閾值有關(guān)，但最大值不會(huì)超過脈沖的上升時(shí)間。

圖6 前沿鑒別法

恒定比值鑒別法，原理如圖7所示，恒定比值指的是通過選取脈沖幅值的一定比例來確定脈沖時(shí)刻，如可以選取脈沖上升至最高點(diǎn)一半時(shí)間的時(shí)刻作為起始時(shí)刻，由于這種方法不考慮波形畸變和噪聲等其它因素的影響，消除了由于脈沖幅值變化引起的誤差。

圖7 恒定比值鑒別法

高通阻容鑒別法，如圖8所示，是將輸入信號接入一個(gè)阻容濾波電路，阻容濾波電路是一種微分電路，電路利用了一個(gè)電容與電阻進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)對輸入信號的微分轉(zhuǎn)換。經(jīng)放大電路放大的信號經(jīng)過這個(gè)阻容濾波電路后輸出的是雙極性信號，原來的極值點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榱泓c(diǎn)，以此作為起止時(shí)刻點(diǎn)，它的誤差主要受信號脈沖在極大值附近斜率的影響，它能有效地克服波形畸變和噪聲帶來的誤差。

圖8 高通阻容鑒別法

時(shí)刻鑒別電路的穩(wěn)定性和精度會(huì)影響輸出信號的頻率，最終會(huì)引起測量誤差。為了減小時(shí)刻鑒別電路所帶來的誤差，一方面要選擇合適的時(shí)刻鑒別方法，另一方面就是減小激光脈沖的寬度，激光脈沖的寬度越小時(shí)刻鑒別電路的精度和穩(wěn)定性越高。時(shí)刻鑒別電路的誤差除了與選的鑒別方法外還與選擇的探測器的類型有關(guān)，回波信號有光電探測器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換經(jīng)由放大電路后才輸入至?xí)r刻鑒別電路，探測器輸入的噪聲會(huì)產(chǎn)生時(shí)間抖動(dòng)影響脈沖波形，所以本設(shè)計(jì)選擇蓋革模式下的APD作為微弱信號的探測器來減小測量誤差。

比較3種時(shí)刻鑒別的方法，前沿時(shí)刻鑒別法在電路實(shí)現(xiàn)上比較方便，但是會(huì)存在一定的誤差，恒比鑒別法雖然在一定程度上消除了由于脈沖幅值變化引起的誤差，不考慮波形畸變和噪聲因素帶來的影響，但是需要設(shè)計(jì)復(fù)雜電路來實(shí)現(xiàn)，高通阻容鑒別法會(huì)受到信號脈沖在極大值附近斜率的影響，而且電路設(shè)計(jì)比較龐大，本設(shè)計(jì)的測量精度不是太高，而且誤差在可接受的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)本著精密化、小型化的方向發(fā)展，電路設(shè)計(jì)不易復(fù)雜，龐大的電路會(huì)帶來更多的噪聲干擾，所以采用前沿時(shí)刻鑒別法。

采用前沿時(shí)刻鑒別法需要提前確定一個(gè)合適的電壓閾值，而電壓比較器就具有這一功能。因此本文采用電壓比較器實(shí)現(xiàn)時(shí)刻鑒別的功能。在信噪比一定的情況下，閾值電壓選擇越大則探測概率越低，因此電壓比較器的閾值電壓不能選取過大，否則探測概率過低，但也不能選取太低，太低則會(huì)受到噪聲的影響，虛警會(huì)過大，同樣不利于真實(shí)回波信號的探測。實(shí)際使用中可通過比較電壓比較器的指標(biāo)選擇合適的電壓比較器。

4 仿真結(jié)果與分析

利用使用TI公司的TINA仿真軟件對所設(shè)計(jì)TIA電路進(jìn)行仿真，為電路有稍大的帶寬選擇反饋電阻為R4為510 Ω，R2為510 mΩ，將電路輸入信號放大了1 000倍。通過電流信號發(fā)生器輸入信號為幅值1.53 mA，脈沖寬度為10 ns的脈沖信號來模擬APD探測器接收到的回波信號，TIA電路芯片選擇TI公司的OPA855作為電路的前置放大器，有良好的增益帶寬積且噪聲低，在工作時(shí)需要連接直流電源，輸出的信號中有直流分量，通過一個(gè)10 nF的濾波電容得到交流信號。TIA電路仿真圖如圖9所示。

圖9 TIA電路仿真圖

TIA電路的交流傳輸特性曲線如圖10所示。從圖中可以看到，設(shè)計(jì)完成的TIA放大電路在70～88 MHz頻段內(nèi)的增益達(dá)到了約54 dB。通過TIA將電流脈沖信號轉(zhuǎn)化為電壓脈沖信號，并將電壓信號幅值進(jìn)行了一定的放大。

圖10 TIA電路交流傳輸特性曲線

TIA電路的輸出瞬態(tài)波形如圖11所示。從圖中可以看出對于輸入為1.53 mA的脈沖信號，輸出信號的幅值有362 mV，說明該電路可以將信號有效放大。

圖11 TIA電路瞬態(tài)波形圖

光電探測器APD將接收到的回波信號經(jīng)由跨阻放大器將電流信號轉(zhuǎn)化電壓信號并放大后，輸送到時(shí)刻鑒別電路，時(shí)刻鑒別電路產(chǎn)生數(shù)字邏輯信號，得到回波信號的相關(guān)信息。目前的時(shí)刻鑒別方法主要有3種：前沿時(shí)刻鑒別法、恒比定時(shí)鑒別法和高通容阻鑒別法，通過對3種方法分析研究選擇前沿時(shí)刻鑒別法來進(jìn)行時(shí)刻鑒別，選擇TI公司的電壓比較器TLV3501來實(shí)現(xiàn)。該比較器具有4.5 ns的低延遲時(shí)間，且可以直接輸出COMS或TTL邏輯電平。通過阻值匹配，設(shè)定闕值電壓為330 mV，可以輸出3.3 V的CMOS邏輯電平。如圖12所示為放大電路和時(shí)刻鑒別電路總體仿真圖。

圖12 電路總體仿真圖

圖13為總體電路瞬時(shí)響應(yīng)仿真圖，電路輸出了3.3 V的COMS邏輯電平。

圖13 總體電路瞬時(shí)響應(yīng)仿真圖

5 結(jié)束語

本文通過深入研究激光雷達(dá)信號處理技術(shù)，對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了總結(jié)，設(shè)計(jì)了基于改革模式下的APD陣列雪崩二極管作為激光雷達(dá)的探測器的信號讀出電路，在探測距離為100～200 m、接收到的回波信號經(jīng)由TIA電路，時(shí)刻鑒別電路，最后輸出3.3 V的COMS邏輯電平。設(shè)計(jì)通過計(jì)算相關(guān)電路參數(shù)，用TINA仿真軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明帶寬為70～88 MHz范圍內(nèi)TIA放大器的增益動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了54 dB，總體電路延遲約為10 ns。通過分析仿真結(jié)果，所設(shè)計(jì)電路可以對微小回波信號進(jìn)行探測。今后的改進(jìn)方向?yàn)椋?)進(jìn)一步提高測量精度，縮短電路延遲時(shí)間。2)電路向集成化，精密化方向發(fā)展。3)減低電路噪聲，減小電路串?dāng)_，提高電路穩(wěn)定性。