激光測距能量探測電路設計研究

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摘要：光電系統中，需要搭載高度集成化的光電監測設備，為系統提供目標參數信息。文中設計的基于激光測距的能量探測電路，具有在測量目標距離的同時，獲取目標對激光漫反射能量參數的功能。在激光測距接收設備的基礎上，針對測距用納秒級激光脈沖信號，采用窄脈沖峰值保持技術設計而成，具有高度集成測距與能量采集功能，且脈沖峰值保持精度較高等特點。最后通過試驗驗證了該設計電路的實用性。

關鍵詞：激光測距；窄脈沖；峰值保持；目標監測

激光測距技術是目前應用較為廣泛的一種測量技術，已經廣泛應用于民用及軍事領域。而脈沖式激光測距因其快速、無合作目標、測程遠等優點主要在軍事領域廣泛應用，尤其在偵查探測和跟蹤測量中應用最普遍[1-2]。通過測量激光器發出光脈沖的時刻與光脈沖到達目標，并從目標返回接收器的時間差，計算出目標與激光測距設備間的距離信息。激光測距設備結構框圖見圖1所示。隨著設備的發展，對偵查探測和跟蹤測量等光電系統集成化、自動化、智能化的需求越來越高，因此需要獲取圖像、光譜、距離、反射特性等更多的目標信息，以提供光電系統綜合處理[3-4]。而傳統的激光測距設備通常為光電系統提供目標的一維距離信息，不足以滿足集成化光電設備多維信息的需求。綜上，針對集成化、智能化的光電系統獲取目標多維信息的需求，需要設計集成化的光電監測設備，使其在獲得測距信息的同時，具有獲取目標反射特性信息的能力，提升光電系統工作效能。因此在現有設備的測距電路中，增加窄脈沖峰值保持采集電路，并行處理激光測距脈沖回波的時刻與能量信息。

1測距接收電路設計

PIN光電管量子效率高，內部倍增后的噪聲近似與放大器本身的熱噪聲電平，提高了接收系統的信噪比，廣泛應用于激光測距[5-9]。光電探測信噪比定義為其中，M為探測器倍增因子；Is為信號產生的光電流；Fm為附加噪聲因子；B為接收系統帶寬；Ib為背景噪聲電流；Id為探測器暗電流；K為玻爾茲曼常數；T為絕對溫度；Fn為后級放大電路的噪聲系數；Req為等效負載電阻。通過推導可以得出，在信號和噪聲的增長速度相同時，接收系統信噪比最大，此時為探測器最佳工作點。電路依據簡化電路的需要，在測距接收電路中增加窄脈沖峰值保持采集電路，并調整了部分電路參數，以保證測距處理狀態穩定。測距接收電路如圖2所示。其中R3為限流電阻，保護PIN管防止電流過大燒壞晶體管；C5為濾波電容，濾除高壓引起的雜波。當PIN管接收到測距激光在目標上的漫反射回波脈沖后，將光信號轉換為電流信號。運算放大器把PIN管輸出的電流信號轉換為電壓信號，完成電流轉電壓功能，提供給后續電路。測距時，由于測量目標與測距設備間的距離遠近不同，PIN管電路輸出的電壓信號幅度變化范圍寬。為獲得一個幅值變化較小的信號供后一級電路處理，在前置放大電路中，選用具有自動增益控制（AGC）功能的放大器。該電路的TPG控制由后級處理器進行編程控制，達到自動控制放大器增益的目的。前置放大電路輸出的信號、幅度等參數還不足以滿足時序測量電路的要求。激光測距接收電路中還需要對前置放大電路輸出的信號進行整形。信號的整形處理采用比較器，比較器負端接電源，正端接輸入信號。通過電位器（R4、R5、R8）調節電壓，以提取出測距脈沖信號。

2窄脈沖峰值保持采集電路設計

測量目標的漫反射回波能量可通過測量測距回波脈沖的峰值電壓判斷。在激光測距接收電路中，測距回波的脈沖信號寬度較窄，后續A/D采樣電路無法直接準確讀取信號峰值電壓的幅值[10]。因此需要設計窄脈沖峰值保持電路，以獲取測距電路輸出的信號峰值電壓，并對該峰值電壓保持一段時間，以便后續A/D采樣電路采集。綜合考慮電路設計難度、測距集成化以及峰值保持效果等特點。針對測距脈沖寬約10～20ns的脈沖特點，選擇高速跨導運算放大器實現峰值保持，為A/D采樣電路提供足夠的采集時間，窄脈沖峰值保持采集電路見圖3所示。窄脈峰值保持電路，主要由跨導放大器，二極管，保持電容和電壓緩沖器組成。峰值保持電路工作原理是在輸出信號PPre小于輸入信號Pre時，放大器D6對輸入和輸出之間的差值電壓進行放大。放大器D6輸出的電壓經過二極管V3對保持電容C6充電。D4在電路中起到輸出緩沖器作用，當D4的輸出電壓大于輸入信號時，放大器D6的電壓輸出為反向。此時，二極管將截止，緩沖器D4輸出電壓大小等于保持電容C6兩端的電壓。保持電容C6兩端的電壓可由式（2）表示。其中，It為充電電流；T0為充電起始時刻；Tc為充電時長；C為充電電容值。充電電流It可以通過公式It=A（Vi（t）-V0（t））/Z計算，Vi（t）和V0（t）分別表示放大器輸入和輸出電壓信號幅值，A為放大系數，Z為二極管及峰值保持電容的等效阻抗和。在窄脈峰值保持電路中，電壓放大器為第一級，信號從輸入到反饋有一定的時間間隔（即回路時間t1），所以在脈沖到達峰值時，保持電容C6上電壓Vc會在回路時間t1的這段時間內繼續變化。因此，在峰值保持過程中勢必會產生電壓過沖，過沖電壓可通過式（3）計算。由于二極管D和電容C組成的網絡有一個極點，同時運算放大器本身也存在一個極點，所以整個電路的通頻帶較低，另外電壓放大系數A通常比較大，在t1的大部分時間里輸出為最大電流，使過沖較大。導致峰值保持電路動態范圍小、響應速度較慢，不利于對納秒級窄脈沖信號的峰值保持。因此，可通過外加偏壓來控制放大器的工作電流大小，使放大器輸出電流能在較大范圍內變化，為峰值保持電路提供靜態回路。使峰值保持電路具有通頻帶高、穩定性好的特點，更適用于納秒級脈沖信號的峰值保持。

3窄脈沖峰值保持采集電路效果分析

影響窄脈沖峰值電壓保持精度的因素有很多，如電路中二極管、保持電容、反饋電阻、串聯電阻等。在開斷之間二極管存在時間差，在這個時間差內會有反向漏電流，其大小直接影響電路下垂速率。在窄脈沖峰值保持電路中保持電容的容值越小，峰值保持電壓上升時間越短，電壓值越接近輸入脈沖電壓峰值；但容值越小，放電越快，保持時間將會越短。因此，需要根據實際電路的具體需求，對電路中參數進行調整。實際電路中通過調整反饋電阻及串聯電阻（R10）的阻值，對窄脈沖峰值保持電路進行整體調節，使其滿足系統使用需求，為后續采集電路提供較高電壓保持精度。不同電阻的阻值調整后峰值保持示波器采集效果見圖4所示。從圖4中可以看出，電路選用5.1kΩ的反饋電阻及75Ω的串聯電阻后，可以使所設計的窄脈沖峰值電壓保持電路的保持精度較高。為滿足測距設備在測距同時采集回波能量的需求，實際電路中的峰值保持電路需要對測距回波有較寬的電壓響應范圍。為驗證測距電路中窄脈沖峰值保持電路的響應能力，針對設備工作條件及對常規目標測距回波能量，開展不同測距回波能量下峰值保持效果試驗，試驗結果見圖5所示。從圖5中可以看出，文中設計的窄脈沖峰值電壓保持電路具有較寬范圍的窄脈沖峰值保持能力，可以滿足測距電路中不同測距回波能量保持的需要。使用搭載設計的光電監測設備進行整機驗證，開展不同目標狀態下的測距及回波能量采集效果試驗，驗證效果如圖6所示。從圖6中可以看出，設計的基于激光測距的能量探測電路，能夠適應測距設備在測距的同時采集回波能量值的功能，回波能量值可用于判定不同目標的回波特性及相同目標不同狀態下的回波特性。

4結論

在光電系統中，可獲得測距信息的同時具有獲取目標反射特性信息的集成化光電監測設備，能夠為光電系統提供多維信息處理的依據。通過試驗證明了文中設計的基于激光測距的能量探測電路，能夠在對目標進行測距的同時，獲取目標對激光漫反射性能的參數，能夠為光電系統提供多維目標信息，可為光電系統提供額外的目標信息，提升設備整體性能。

參考文獻

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作者：郎建華 李晨希 單位：中國電子科技集團公司光電研究院