激光测距能量探测电路设计研究

摘要：光电系统中，需要搭载高度集成化的光电监测设备，为系统提供目标参数信息。文中设计的基于激光测距的能量探测电路，具有在测量目标距离的同时，获取目标对激光漫反射能量参数的功能。在激光测距接收设备的基础上，针对测距用纳秒级激光脉冲信号，采用窄脉冲峰值保持技术设计而成，具有高度集成测距与能量采集功能，且脉冲峰值保持精度较高等特点。最后通过试验验证了该设计电路的实用性。

关键词：激光测距；窄脉冲；峰值保持；目标监测

激光测距技术是目前应用较为广泛的一种测量技术，已经广泛应用于民用及军事领域。而脉冲式激光测距因其快速、无合作目标、测程远等优点主要在军事领域广泛应用，尤其在侦查探测和跟踪测量中应用最普遍[1-2]。通过测量激光器发出光脉冲的时刻与光脉冲到达目标，并从目标返回接收器的时间差，计算出目标与激光测距设备间的距离信息。激光测距设备结构框图见图1所示。随着设备的发展，对侦查探测和跟踪测量等光电系统集成化、自动化、智能化的需求越来越高，因此需要获取图像、光谱、距离、反射特性等更多的目标信息，以提供光电系统综合处理[3-4]。而传统的激光测距设备通常为光电系统提供目标的一维距离信息，不足以满足集成化光电设备多维信息的需求。综上，针对集成化、智能化的光电系统获取目标多维信息的需求，需要设计集成化的光电监测设备，使其在获得测距信息的同时，具有获取目标反射特性信息的能力，提升光电系统工作效能。因此在现有设备的测距电路中，增加窄脉冲峰值保持采集电路，并行处理激光测距脉冲回波的时刻与能量信息。

1测距接收电路设计

PIN光电管量子效率高，内部倍增后的噪声近似与放大器本身的热噪声电平，提高了接收系统的信噪比，广泛应用于激光测距[5-9]。光电探测信噪比定义为其中，M为探测器倍增因子；Is为信号产生的光电流；Fm为附加噪声因子；B为接收系统带宽；Ib为背景噪声电流；Id为探测器暗电流；K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；Fn为后级放大电路的噪声系数；Req为等效负载电阻。通过推导可以得出，在信号和噪声的增长速度相同时，接收系统信噪比最大，此时为探测器最佳工作点。电路依据简化电路的需要，在测距接收电路中增加窄脉冲峰值保持采集电路，并调整了部分电路参数，以保证测距处理状态稳定。测距接收电路如图2所示。其中R3为限流电阻，保护PIN管防止电流过大烧坏晶体管；C5为滤波电容，滤除高压引起的杂波。当PIN管接收到测距激光在目标上的漫反射回波脉冲后，将光信号转换为电流信号。运算放大器把PIN管输出的电流信号转换为电压信号，完成电流转电压功能，提供给后续电路。测距时，由于测量目标与测距设备间的距离远近不同，PIN管电路输出的电压信号幅度变化范围宽。为获得一个幅值变化较小的信号供后一级电路处理，在前置放大电路中，选用具有自动增益控制（AGC）功能的放大器。该电路的TPG控制由后级处理器进行编程控制，达到自动控制放大器增益的目的。前置放大电路输出的信号、幅度等参数还不足以满足时序测量电路的要求。激光测距接收电路中还需要对前置放大电路输出的信号进行整形。信号的整形处理采用比较器，比较器负端接电源，正端接输入信号。通过电位器（R4、R5、R8）调节电压，以提取出测距脉冲信号。

2窄脉冲峰值保持采集电路设计

测量目标的漫反射回波能量可通过测量测距回波脉冲的峰值电压判断。在激光测距接收电路中，测距回波的脉冲信号宽度较窄，后续A/D采样电路无法直接准确读取信号峰值电压的幅值[10]。因此需要设计窄脉冲峰值保持电路，以获取测距电路输出的信号峰值电压，并对该峰值电压保持一段时间，以便后续A/D采样电路采集。综合考虑电路设计难度、测距集成化以及峰值保持效果等特点。针对测距脉冲宽约10～20ns的脉冲特点，选择高速跨导运算放大器实现峰值保持，为A/D采样电路提供足够的采集时间，窄脉冲峰值保持采集电路见图3所示。窄脉峰值保持电路，主要由跨导放大器，二极管，保持电容和电压缓冲器组成。峰值保持电路工作原理是在输出信号PPre小于输入信号Pre时，放大器D6对输入和输出之间的差值电压进行放大。放大器D6输出的电压经过二极管V3对保持电容C6充电。D4在电路中起到输出缓冲器作用，当D4的输出电压大于输入信号时，放大器D6的电压输出为反向。此时，二极管将截止，缓冲器D4输出电压大小等于保持电容C6两端的电压。保持电容C6两端的电压可由式（2）表示。其中，It为充电电流；T0为充电起始时刻；Tc为充电时长；C为充电电容值。充电电流It可以通过公式It=A（Vi（t）-V0（t））/Z计算，Vi（t）和V0（t）分别表示放大器输入和输出电压信号幅值，A为放大系数，Z为二极管及峰值保持电容的等效阻抗和。在窄脉峰值保持电路中，电压放大器为第一级，信号从输入到反馈有一定的时间间隔（即回路时间t1），所以在脉冲到达峰值时，保持电容C6上电压Vc会在回路时间t1的这段时间内继续变化。因此，在峰值保持过程中势必会产生电压过冲，过冲电压可通过式（3）计算。由于二极管D和电容C组成的网络有一个极点，同时运算放大器本身也存在一个极点，所以整个电路的通频带较低，另外电压放大系数A通常比较大，在t1的大部分时间里输出为最大电流，使过冲较大。导致峰值保持电路动态范围小、响应速度较慢，不利于对纳秒级窄脉冲信号的峰值保持。因此，可通过外加偏压来控制放大器的工作电流大小，使放大器输出电流能在较大范围内变化，为峰值保持电路提供静态回路。使峰值保持电路具有通频带高、稳定性好的特点，更适用于纳秒级脉冲信号的峰值保持。

3窄脉冲峰值保持采集电路效果分析

影响窄脉冲峰值电压保持精度的因素有很多，如电路中二极管、保持电容、反馈电阻、串联电阻等。在开断之间二极管存在时间差，在这个时间差内会有反向漏电流，其大小直接影响电路下垂速率。在窄脉冲峰值保持电路中保持电容的容值越小，峰值保持电压上升时间越短，电压值越接近输入脉冲电压峰值；但容值越小，放电越快，保持时间将会越短。因此，需要根据实际电路的具体需求，对电路中参数进行调整。实际电路中通过调整反馈电阻及串联电阻（R10）的阻值，对窄脉冲峰值保持电路进行整体调节，使其满足系统使用需求，为后续采集电路提供较高电压保持精度。不同电阻的阻值调整后峰值保持示波器采集效果见图4所示。从图4中可以看出，电路选用5.1kΩ的反馈电阻及75Ω的串联电阻后，可以使所设计的窄脉冲峰值电压保持电路的保持精度较高。为满足测距设备在测距同时采集回波能量的需求，实际电路中的峰值保持电路需要对测距回波有较宽的电压响应范围。为验证测距电路中窄脉冲峰值保持电路的响应能力，针对设备工作条件及对常规目标测距回波能量，开展不同测距回波能量下峰值保持效果试验，试验结果见图5所示。从图5中可以看出，文中设计的窄脉冲峰值电压保持电路具有较宽范围的窄脉冲峰值保持能力，可以满足测距电路中不同测距回波能量保持的需要。使用搭载设计的光电监测设备进行整机验证，开展不同目标状态下的测距及回波能量采集效果试验，验证效果如图6所示。从图6中可以看出，设计的基于激光测距的能量探测电路，能够适应测距设备在测距的同时采集回波能量值的功能，回波能量值可用于判定不同目标的回波特性及相同目标不同状态下的回波特性。

4结论

在光电系统中，可获得测距信息的同时具有获取目标反射特性信息的集成化光电监测设备，能够为光电系统提供多维信息处理的依据。通过试验证明了文中设计的基于激光测距的能量探测电路，能够在对目标进行测距的同时，获取目标对激光漫反射性能的参数，能够为光电系统提供多维目标信息，可为光电系统提供额外的目标信息，提升设备整体性能。

参考文献

[1]黄钊.脉冲激光测距高精度关键技术研究[D].南京：南京理工大学，2012.

[2]李密，宋影松，虞静，等.高精度激光脉冲测距技术[J].红外与激光工程，2011，40（8）.

[3]陈利.半导体激光测距回波信号处理技术研究[D].长春：长春理工大学，2008.

[4]梁长垠，张彤.激光脉冲信号探测系统参数分析[J].激光与红外，2000，30（5）：283-285．

[5]钟声远，李松山.脉冲串激光测距技术研究[J].激光与红外，2006，36（9）．

[6]任明冰.半导体脉冲激光测距机的硬件电路设计[D].南京：南京理工大学，2004.

[7]应欢，王少平.提高脉冲激光测距精度的方法研究[J]．电子测量技术，2014，37（10）．

[8]徐伟，陈钱，顾国华，等.用于APD激光探测的电荷灵敏前置放大器设计[J].激光与红外，2011，41（1）．

[9]张月，王睿.光电探测器脉冲相关噪声增强效应研究[J].光电技术应用，2018，33（1）：24-29.

[10]谭威，曾文峰，王小兵，等.激光测距机脉宽测量技术研究[J].国外电子测量技术，2014，37（4）．

作者：郎建华 李晨希 单位：中国电子科技集团公司光电研究院