激光測距能量探測電路設(shè)計(jì)研究
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摘要：光電系統(tǒng)中，需要搭載高度集成化的光電監(jiān)測設(shè)備，為系統(tǒng)提供目標(biāo)參數(shù)信息。文中設(shè)計(jì)的基于激光測距的能量探測電路，具有在測量目標(biāo)距離的同時(shí)，獲取目標(biāo)對激光漫反射能量參數(shù)的功能。在激光測距接收設(shè)備的基礎(chǔ)上，針對測距用納秒級(jí)激光脈沖信號(hào)，采用窄脈沖峰值保持技術(shù)設(shè)計(jì)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(diǎn)。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)電路的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：激光測距；窄脈沖；峰值保持；目標(biāo)監(jiān)測
激光測距技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種測量技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用及軍事領(lǐng)域。而脈沖式激光測距因其快速、無合作目標(biāo)、測程遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)主要在軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，尤其在偵查探測和跟蹤測量中應(yīng)用最普遍[1-2]。通過測量激光器發(fā)出光脈沖的時(shí)刻與光脈沖到達(dá)目標(biāo)，并從目標(biāo)返回接收器的時(shí)間差，計(jì)算出目標(biāo)與激光測距設(shè)備間的距離信息。激光測距設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖見圖1所示。隨著設(shè)備的發(fā)展，對偵查探測和跟蹤測量等光電系統(tǒng)集成化、自動(dòng)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(biāo)信息，以提供光電系統(tǒng)綜合處理[3-4]。而傳統(tǒng)的激光測距設(shè)備通常為光電系統(tǒng)提供目標(biāo)的一維距離信息，不足以滿足集成化光電設(shè)備多維信息的需求。綜上，針對集成化、智能化的光電系統(tǒng)獲取目標(biāo)多維信息的需求，需要設(shè)計(jì)集成化的光電監(jiān)測設(shè)備，使其在獲得測距信息的同時(shí)，具有獲取目標(biāo)反射特性信息的能力，提升光電系統(tǒng)工作效能。因此在現(xiàn)有設(shè)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(shí)刻與能量信息。
1測距接收電路設(shè)計(jì)
PIN光電管量子效率高，內(nèi)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(tǒng)的信噪比，廣泛應(yīng)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(hào)產(chǎn)生的光電流；Fm為附加噪聲因子；B為接收系統(tǒng)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(shù)；T為絕對溫度；Fn為后級(jí)放大電路的噪聲系數(shù)；Req為等效負(fù)載電阻。通過推導(dǎo)可以得出，在信號(hào)和噪聲的增長速度相同時(shí)，接收系統(tǒng)信噪比最大，此時(shí)為探測器最佳工作點(diǎn)。電路依據(jù)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(diào)整了部分電路參數(shù)，以保證測距處理狀態(tài)穩(wěn)定。測距接收電路如圖2所示。其中R3為限流電阻，保護(hù)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(dāng)PIN管接收到測距激光在目標(biāo)上的漫反射回波脈沖后，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。運(yùn)算放大器把PIN管輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，完成電流轉(zhuǎn)電壓功能，提供給后續(xù)電路。測距時(shí)，由于測量目標(biāo)與測距設(shè)備間的距離遠(yuǎn)近不同，PIN管電路輸出的電壓信號(hào)幅度變化范圍寬。為獲得一個(gè)幅值變化較小的信號(hào)供后一級(jí)電路處理，在前置放大電路中，選用具有自動(dòng)增益控制（AGC）功能的放大器。該電路的TPG控制由后級(jí)處理器進(jìn)行編程控制，達(dá)到自動(dòng)控制放大器增益的目的。前置放大電路輸出的信號(hào)、幅度等參數(shù)還不足以滿足時(shí)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(hào)進(jìn)行整形。信號(hào)的整形處理采用比較器，比較器負(fù)端接電源，正端接輸入信號(hào)。通過電位器（R4、R5、R8）調(diào)節(jié)電壓，以提取出測距脈沖信號(hào)。
2窄脈沖峰值保持采集電路設(shè)計(jì)
測量目標(biāo)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(hào)寬度較窄，后續(xù)A/D采樣電路無法直接準(zhǔn)確讀取信號(hào)峰值電壓的幅值[10]。因此需要設(shè)計(jì)窄脈沖峰值保持電路，以獲取測距電路輸出的信號(hào)峰值電壓，并對該峰值電壓保持一段時(shí)間，以便后續(xù)A/D采樣電路采集。綜合考慮電路設(shè)計(jì)難度、測距集成化以及峰值保持效果等特點(diǎn)。針對測距脈沖寬約10～20ns的脈沖特點(diǎn)，選擇高速跨導(dǎo)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)峰值保持，為A/D采樣電路提供足夠的采集時(shí)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(dǎo)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(hào)PPre小于輸入信號(hào)Pre時(shí)，放大器D6對輸入和輸出之間的差值電壓進(jìn)行放大。放大器D6輸出的電壓經(jīng)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(dāng)D4的輸出電壓大于輸入信號(hào)時(shí)，放大器D6的電壓輸出為反向。此時(shí)，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(shí)刻；Tc為充電時(shí)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(jì)算，Vi（t）和V0（t）分別表示放大器輸入和輸出電壓信號(hào)幅值，A為放大系數(shù)，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(jí)，信號(hào)從輸入到反饋有一定的時(shí)間間隔（即回路時(shí)間t1），所以在脈沖到達(dá)峰值時(shí)，保持電容C6上電壓Vc會(huì)在回路時(shí)間t1的這段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)變化。因此，在峰值保持過程中勢必會(huì)產(chǎn)生電壓過沖，過沖電壓可通過式（3）計(jì)算。由于二極管D和電容C組成的網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)極點(diǎn)，同時(shí)運(yùn)算放大器本身也存在一個(gè)極點(diǎn)，所以整個(gè)電路的通頻帶較低，另外電壓放大系數(shù)A通常比較大，在t1的大部分時(shí)間里輸出為最大電流，使過沖較大。導(dǎo)致峰值保持電路動(dòng)態(tài)范圍小、響應(yīng)速度較慢，不利于對納秒級(jí)窄脈沖信號(hào)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(nèi)變化，為峰值保持電路提供靜態(tài)回路。使峰值保持電路具有通頻帶高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，更適用于納秒級(jí)脈沖信號(hào)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(lián)電阻等。在開斷之間二極管存在時(shí)間差，在這個(gè)時(shí)間差內(nèi)會(huì)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(shí)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(shí)間將會(huì)越短。因此，需要根據(jù)實(shí)際電路的具體需求，對電路中參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。實(shí)際電路中通過調(diào)整反饋電阻及串聯(lián)電阻（R10）的阻值，對窄脈沖峰值保持電路進(jìn)行整體調(diào)節(jié)，使其滿足系統(tǒng)使用需求，為后續(xù)采集電路提供較高電壓保持精度。不同電阻的阻值調(diào)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(lián)電阻后，可以使所設(shè)計(jì)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(shè)備在測距同時(shí)采集回波能量的需求，實(shí)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(yīng)范圍。為驗(yàn)證測距電路中窄脈沖峰值保持電路的響應(yīng)能力，針對設(shè)備工作條件及對常規(guī)目標(biāo)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(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖5所示。從圖5中可以看出，文中設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的光電監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行整機(jī)驗(yàn)證，開展不同目標(biāo)狀態(tài)下的測距及回波能量采集效果試驗(yàn)，驗(yàn)證效果如圖6所示。從圖6中可以看出，設(shè)計(jì)的基于激光測距的能量探測電路，能夠適應(yīng)測距設(shè)備在測距的同時(shí)采集回波能量值的功能，回波能量值可用于判定不同目標(biāo)的回波特性及相同目標(biāo)不同狀態(tài)下的回波特性。
4結(jié)論
在光電系統(tǒng)中，可獲得測距信息的同時(shí)具有獲取目標(biāo)反射特性信息的集成化光電監(jiān)測設(shè)備，能夠?yàn)楣怆娤到y(tǒng)提供多維信息處理的依據(jù)。通過試驗(yàn)證明了文中設(shè)計(jì)的基于激光測距的能量探測電路，能夠在對目標(biāo)進(jìn)行測距的同時(shí)，獲取目標(biāo)對激光漫反射性能的參數(shù)，能夠?yàn)楣怆娤到y(tǒng)提供多維目標(biāo)信息，可為光電系統(tǒng)提供額外的目標(biāo)信息，提升設(shè)備整體性能。
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作者：郎建華 李晨希 單位：中國電子科技集團(tuán)公司光電研究院
