机载脉冲式激光测距机接收电路的设计

2015-12-20陈守韦邹庆秋

电子科技 2015年2期

关键词：激光测距偏压屏蔽

陈守韦，邹庆秋

(中国人民解放军海军701工厂研发部，北京 100015)

1 机载激光测距机的战略地位

由于地面防空系统的迅速发展，对战场进行支援的飞机要获得生存，就必须隐形或采用低空、高速的攻击方式，并且要求攻击命中率足够高，脉冲式激光测距机为低空飞行的飞机提供300 m～15 km精确目标距离信息［1］。

2 接收电路原理

对目标距离的测量主要采用两种测量方法:脉冲式激光测距和相位式激光测距。在脉冲激光测距系统中，其基本原理就是通过测量激光脉冲的传播时间来确定距离。由于激光脉冲在传输过程中，会受到空气、温度、湿度等因素的影响，引起畸变和衰减。特别是在测量远距离的目标时，激光脉冲的远距离传输，其回波信号携带很大的噪声，信噪比较低。而且，由于测量距离的远近不同，回波信号的幅度变化很大。因此，设计合理的接收电路，解决回波信号幅度变化大的问题，提高回波信号的信噪比，还原出回波信号，正确测量出激光脉冲传播的时间差，是激光测距系统的一个重要部分［2］。

光背景噪声或被测目标漫反射激光经APD转变为微弱电压脉冲，经过两级低噪声可变增益放大器AD603放大后，信号变为幅度较大的电压脉冲，由可编程逻辑器件(CPLD)处理器在单位时间内收集脉冲个数，通过D/A转换电路驱动高压模块改变APD的偏压，偏压的增大/减小引起脉冲个数的减小/增大，这样组成稳定的闭环负反馈系统。激光测距接收电路原理框图如图1所示。

图1 激光测距接收电路原理框图

3 器件的选取

3.1 可编程逻辑器件MAX7000AE

由于测距机的计数功能、故障检测功能、激光电源控制功能、与上位机通讯功能均不能中断，采用可编程逻辑器件MAX7000AE［3］系列芯片，所有软件模块在一块芯片中完成，并且做到各模块间并行处理，可以提高电路设计灵活性和可靠性。

3.2 硅雪崩光电二极管

光电探测器是将光信号转变为电信号的器件。在半导体光电探测器中，入射光子激发出的光生载流子在外加偏压下进入外电路后，形成可测量的光电流［4］。APD通过“雪崩”倍增，使信号电流放大。美国Perkinelmer公司生产的C30659如图2所示。APD增益与反向偏压关系如图3所示。

图2 雪崩光电二极管

图3 APD增益与反向偏压关系

3.3 低噪声增益可程控集成运算放大器

光在大气中的衰减率是10－4，近距离和远距离被测目标的漫反射回波相差较大，以此需要增益可调放大器对激光漫反射进行放大。因此选取低噪声增益可程控集成运算放大器AD603，增益与控制电压成近似线性关系，增益在－11～+30 dB时的带宽为90 MHz［5］。在能见度高、湿气小的白天，12 km目标的原始信号如图4所示。

由图5可见，背景噪声比较小，漫反射经过APD回波信号的幅度约8 mV。经过两级AD603的放大，回波为1.2 V的三角信号，再经过整形电路，回波整形成脉冲信号输入MAX7000AE处理器。12 km目标APD输出信号经过AD603放大后的信号如图5所示。

图4 12 km目标APD输出信号

图5 12 kmAPD回波经过AD603放大后的信号

3.4 高压模块

高压模块为硅雪崩管提供偏置电源。激光测距机提供的电压是12 V，使用脉冲宽度调制(PWM)开关变压器，将功率开关和控制电路集成在一起，小型、轻量的电感升压高压模块，将12 V直流电源转换为0～600 V可调高压，提供APD探测器所需的偏置电压。

3.5 高压控制器

当MAX7000AE处理器收到激光器的主波时，高压控制器立即对高压控制器发出控制信号，使其将高压模块的电压下降约5%，使得在激光漫反射回波到来时，接收电路无噪声。

4 软件设计

背景噪声或被测目标漫反射激光经过 APD、AD603和整形电路，成为脉冲信号输入到CPLD，CPLD通过统计单位时间里脉冲个数，来控制D/A转换器，对光电探测器偏置电压闭环负反馈控制，使其维持在最佳测距的APD偏压约1.05倍［6］。CPLD处理器软件中的接收电路噪声闭环负反馈流程如图6所示。

5 电磁干扰

解决好电磁干扰问题才能保证激光测距机接收电路可靠地工作，下面介绍几种对接收电路影响大的干扰源和避免这些干扰的措施。

5.1 干扰源

图6 接收电路噪声闭环负反馈流程图

(1)激光电源高频开关干扰。目前开关电源均采用高频逆变方式，工作频率约30～100 kHz，对于脉冲动态激光电源来说，内部含储能逆变、预燃逆变、动态高压逆变3种电源，由于变压器、电感受材料影响，不可能工作在理想状态，存在漏磁现象，通过公用电网进行窜扰。(2)断电的火花干扰。继电器触点开关将产生火花放电成为噪声干扰源，触点的火花放电还能使触点损耗加剧，同时还将导致触点材料的蒸发和氧化。同时，激光测距机外部的电气设备也能产生干扰。

5.2 抗干扰的措施

对EMI通常有［7］屏蔽和滤波两种措施。屏蔽是用来防止辐射干扰，其作用是在干扰RF信号到达被保护电路之前将其衰减，而滤波是用来防止传导干扰，它具有双向功效，既能防止干扰进入也能防止漏磁。

(1)用金属机壳作电磁屏蔽。屏蔽使金属导体壳内的仪器或工作环境不受外部电场影响，也不对外部电场产生影响，APD输出信号特别弱小，容易受到外部电场干扰，因此对弱信号放大电路加屏蔽盒，如图7所示。

图7 接收电路屏蔽盒

(2)信号线的具体安排。要使干扰信号电流局限在尽量小的范围内，具体接法要注意:1)强信号的地线与弱信号的地线要单独安排，分别使之与地网只有一点相连。2)尽可能采用短而粗的地线或树枝型地线。对于树枝型地线同一地线回路不能跨接，防止互耦。3)对于高频电路印制板，尽量采用大面积接地的电路安装工艺，减小地线阻抗，提高屏蔽效果;可以采用双面印制板，一面金属层除元件孔腐蚀一圈外，其余基本保留，另一面设计布线。

(3)电网电路滤波器。对于可能经电源线发出或引入干扰的设备应加电源滤波器，这是一种被广泛采用的方法。经过大量的试验，本文确定日本村田公司的电源滤波器在电源滤波中有良好的效果。

(4)屏蔽线的接地。屏蔽线应有良好的接地。接收电路在激光测距机设备中是一个被动载体，屏蔽线的外皮是做静电屏蔽的金属导体。防止磁场穿过金属底板和屏蔽线外皮构成回路，通常应将屏蔽线尽量贴底板布线。

(5)对于不能消除的干扰，采取软件屏蔽的方式处理。对0～300 m内的目标由于后向散射，即激光照射到0～300 m内的空气上会有反射，产生虚警，出现假距离，对此在程序中对0～300 m内的目标进行屏蔽处理。

6 实验结果分析

选择能见度高的晴天，分别选择300～15 000 m的4个目标进行测距，将测距机放置于北京望京某楼顶上测距，表1为对不同距离目标分别测量10次所得到的数据，如表1所示。

表1 测量结果对照表

从表1可以看出:(1)1 523 m目标的测量值比参考值小，误差为±15 m。(2)其余3个目标，测量值较小，误差为±5 m，正负误差具有基本相等的频率。

对上述结果分析，1 500 m是接收电路第一级放大器AD603的充电电容放完电的时间点，这时放大倍数最大，经过两级放大器放大后的信号上升沿提前触发，使测量距离减小。而设计模拟目标，即模拟测距的一个主波和一个回波，来测量各个距离的误差。调整接收电路的AD603放大倍数、第一级AD603的充放电电容值、单位时间内统计虚警个数和APD偏压下降百分比，对于不可消除的误差，进行软件修正。