高灵敏度脉冲式激光接收电路设计

摘要：根据光电雪崩管（APD）的工作条件，设计了一种脉冲式激光测距接收电路。该电路利用环境温度以及噪声控制APD工作偏压，提高电路信噪比；采用近程增益抑制电路，解决了放大器堵塞和近距离大气后向散射干扰的问题；通过APD保护电路，降低了APD的损坏风险；最后结合软件算法设计使激光接收电路的最小探测功率达到5nW。

关键词：测距接收电路 APD保护 高灵敏度测距算法

中图分类号：TN248.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0186-02

远程激光测距中，为增大测距距离，在体积和重量的受限的情况下，提高接收灵敏度是目前较经济有效的措施。因此，设计合理的接收电路，提高回波信号的信噪比；选择有效的测距算法，测量推算出激光脉冲传播的时间差，是高灵敏度激光测距机的设计重点。

1 接收电路整体设计

脉冲激光测距的基本原理就是通过测量激光脉冲的传播时间来确定距离，接收电路原理框图如图1所示。为提高接收灵敏度，主要采取以下措施：

抑制APD供电电源噪声，利用环境温度及噪声控制APD能够工作在最佳工作偏压下，以获得较高的灵敏度和恒定的虚警率，同时设计APD保护电路，降低APD损坏风险；

在保证回波信号正常放大的情况下，尽量压缩放大器带宽，降低噪声；

选择合适的放大增益与信号阈值，提高电路信噪比，并采用近程增益抑制电路，去除高增益造成的放大器堵塞和近距离大气后向散射干扰问题；

通过整形电路和软件算法设计有效的选择提取回波信号，减少回波脉冲误测或漏测的情况。

2 器件选取及电路设计

2.1 光电探测器（APD）电路

2.1.1 APD供电电源

APD选用Perkinelmer公司的C30659，该探测器广泛应用于波长为1.064μm的激光发射接收电路。为了保证给光电探测器提供低噪声偏置电压，采用可编程高压电源MODEL 521-5-M。它的主要优点是高可靠性，较小的质量和外型尺寸，内部噪声电平小。其中光电探测器的偏压值大小根据单管特性及环境温度设置[2]。由于探测器供电电流恒定且电流小，为提高探测灵敏度，减少探测器内置前置放大器供电电源噪声，采用阻容滤波方式既抑制了噪声，减少了电源芯片数量与电路体积，又降低了电路成本。

2.1.2 APD偏压控制

设计原理框图如图1所示。激光回波进入APD，由主放大器放大输出后分两路进入高速比较器，一路为噪声阈值电路，其输出和自动温度控制电路输出一起控制APD偏置电压，使光电探测器能够工作在最佳工作偏压下，获得较高的灵敏度和恒定的虚警率；而另一路为信号阈值电路，经整形电路整形输出至信号处理。

2.1.3 APD保护

APD灵敏度越高，损坏的机率越高，直射或近距离强反射激光脉冲容易造成APD的损坏。APD集成了感光器件与前置放大器。本激光测距机，激光发射脉冲约15ns，各界面反、散射的激光脉冲能量对感光器件的作用时间极短，达不到APD感光器件的损伤阈值，受损机率较大的一般是前置放大器[2]。为避免APD的损坏，应对APD前放电源进行时序控制，其工作原理如下：

如图1所示，同步信号为APD前置放大器电源延迟信号，在激光发射前将APD前放电源电压降至低于1V，使前放停止工作，发射激光后（同步信号控制），电源电压逐渐恢复到正常工作电压，变化过程如图2所示。

2.2 放大电路

主放大器采用AD公司的双路放大器AD600。该器件具有低噪声、可变增益、高速等优点。它的低噪声特性非常适合激光接收增益放大电路。

2.2.1 放大器带宽

激光器发射脉冲脉宽约15ns，上升沿约5ns，而回波的脉冲宽度会展宽，一般在30ns以上，上升沿10ns以上，根据公式[3-1]设计带宽[6]：

式中，tr为回波脉冲的上升沿。为保证测距精度，电路设计带宽取50MHz。

2.2.2 放大器增益

放大器增益由雪崩管前放输出的最小可识别信号幅度与整形电路的阈值电压决定。而最小可识别信号取决于噪声电平，其噪声包括雪崩管前放固有噪声和背景辐射引起的噪声。

雪崩管前放固有噪：

雪崩管前放的噪声等效功率NEP典型值为50fw/Hz1/2，响应度R典型值为2×105V/W。根据公式[3-2]计算均方根噪声电压：

噪声电压为5.5×10-5V。

背景辐射引起的噪声：

背景辐射引入的均方噪声电流为：

式中：e-电子电荷，1.6×10-19C；

M-雪崩管倍增因子，取120。

K-空穴电离率对电子电力率之比取0.01；

R0-倍增因子为1时，雪崩管响应度，取0.15A/W；

B-放大器带宽，取50MHz；

Pbgr-晴朗天空环境下背景辐射，约9.6×10-10W。

则An22为0.63×10-16A2。

由于雪崩管前放传输系数约为0.8×104V/A，输出相应的噪声电压为1.05×10-5V。

输出总噪声电压根据公式[3-3]计算得为5.6×10-5V。

为使探测率达到90%以上，要求信号对均方根噪声比达到6左右。因此雪崩管前放组件输出最小可探测信号为：3.36×10-4V。

设整形电路阈值为0.38V，要求放大器增益为1130倍。

2.2.3 近程增益抑制

在激光发射瞬间，由于近程大气后向散射的激光能量相对于回波脉冲能量较大，如保持放大增益不变，会造成放大器堵塞从而不能正常测距。为解决这一问题，在激光发射瞬间，通过TPG信号控制主放大器增益，如图3所示。

在激光脉冲发射瞬间，压控增益放大器增益电压为0V，之后电压V1经过R1对C1充电，放大器增益随时间逐渐增大。通过调节TPG的脉冲宽度以及R1或C1的值控制近程保护时间tc。如图4所示，tc为放大增益增加到最大值的时长。其中T1为测量接收灵敏度时，取消近程增益控制的开关，在实际测距时，开关为打开状态。

2.3 整形电路

接收电路采用MAXIM公司的MAX912芯片实现双阈值电路，一路为信号阈值，将大于信号阈值的信号作为回波信号输出到下一级，另一路为噪声阈值，将超过噪声阈值的信号反馈，用于调节APD偏压，较好地解决了误码率低和虚警率高的矛盾[3]，提高了接收系统的稳定性。

3 软件算法设计

软件采用卡尔曼滤波算法对回波信号进行提取及距离推算[4]，设置了波门选通电路，让目标回波通过波门，非目标回波被阻塞，以减少测距的误测率。对于不能消除的固定干扰，特别是由于灵敏度高，近程增益抑制不够的情况，设计采取软件屏蔽的方式处理。即对激光照射到0m～300m内的目标、近程大气内的水气或灰尘等所产生的回波，进行屏蔽处理[5]。软件流程图如图5所示。

4 实验结果分析

采用消光比发测试，将激光测距机对准500米距离目标，经实际测量，在发射光路上加60dB衰减片，能测回正确距离。根据测距系统参数计算此时最小探测功率为5nW。

5 结语

该激光接收电路采用噪声阈值和环境温度对APD偏压控制、APD近程保护、放大器近程增益控制以及软件算法设计等方法，提高了接收信噪比，降低了APD损坏风险，解决了放大器堵塞和抑制近距离大气的后向散射干扰，实现了高灵敏度激光脉冲测距，最小探测功率达到5nw。

参考文献

[1]高宠，刘建新，张京国.基于蒙特卡罗法的激光引信云雾回波信号研究[J].航空兵器，2008（3）：50-53.

[2]T显裕.脉冲激光测距仪雪崩光电探测器最佳工作状态和接收灵敏度研究[J].光电子技术，2000，21（2）：129-137.

[3]任建国，张乐，张宝东等.激光测距中的几种虚警抑制措施[J].光学与光电技术，2005（1）：26-28.

[4]黄震.脉冲激光测距接收电路与计时方法研究[D].杭州：浙江大学，2004.

[5]王广生.激光引信云雾后向散射的特征与识别[J].探测与控制学报，2006，28（6）：20-24.

[6]熊辉丰.激光雷达[M].北京：宇航出版社，1994.