【正文】 信號(hào)強(qiáng)度、時(shí)刻鑒別單元的帶寬以及鑒別類型有關(guān)。激光回波脈沖是先經(jīng)接收通道的光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和前置放大后進(jìn)入時(shí)刻鑒別單元的，光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制以及接收通道引入的噪聲和帶寬限制都將影響回波脈沖波形的完整恢復(fù)。 圖 前沿時(shí)刻鑒定 圖 恒定比值時(shí)刻鑒定 圖 高通容阻時(shí)刻鑒定 為了有效地克服波形畸變和噪聲帶來(lái)的誤差，提出了高通容阻時(shí)刻鑒別方法，如圖 所示，接收通道輸出的起止信號(hào)脈沖（左）通過(guò)一高通容阻濾波6 線路，原來(lái)的極值點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榱泓c(diǎn)，以此作為起止時(shí)刻點(diǎn)，它的誤差主要受信號(hào)脈沖在極大值附近的斜率的影響。前沿鑒別法是通過(guò)固定閾值方式來(lái)確定起止時(shí)刻（如圖 所示），即以脈沖前沿當(dāng)中強(qiáng)度等于所設(shè)閾值的點(diǎn)到達(dá)的時(shí)刻作為起止時(shí)刻。 圖 脈沖激光測(cè)距的基本原理圖 如圖 所示，一個(gè)典型的脈沖飛行時(shí)間激光測(cè)距系 統(tǒng)通常由以下五個(gè)部分組成：激光發(fā)射 單元 、接收 單元 、時(shí)刻鑒別部件、高精度時(shí)間間隔測(cè)量部件和處理控制 單元 。分析結(jié)果用于評(píng)價(jià)電路系統(tǒng)的性能并指導(dǎo)系統(tǒng)總體和子模塊的改進(jìn)工作。 4. 計(jì)數(shù)結(jié)果輸出模塊 這一部分主要解決的問(wèn)題是如何對(duì) 15 Mb/s 計(jì)數(shù)的結(jié)果進(jìn)行高速采集。其中首要解決的問(wèn)題是如何利用高性能的光電轉(zhuǎn)換器件（ SiAPD）接收到能量達(dá)到 109W 量級(jí)的微弱回波信號(hào)（結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)）；然后是利用合適帶寬放大器對(duì)接收到的脈沖寬度約為25ns 脈沖電信號(hào)進(jìn)行放大（放大器的帶寬不能小于 80MHz，否則會(huì)導(dǎo)致放大后的波形失真，脈沖被展寬），如何提取出利用告訴比較器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除背景光和電路引起的噪聲，來(lái)獲得獲得“高純度”的脈沖觸發(fā) 信號(hào)供后續(xù)電路使用。其中高精度計(jì)數(shù)和控制模塊是超小型脈沖激光測(cè)距機(jī)的核心部分，是關(guān)鍵之所在。其中中國(guó)計(jì)量大學(xué)光電子所與國(guó)內(nèi)外合作開(kāi)發(fā)了 LD 兩種型號(hào)（一種光學(xué)三分離式的；一種接收與瞄準(zhǔn)結(jié)合的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡式的）低價(jià)、省電、便攜式的激光測(cè)距機(jī)，測(cè)距能力達(dá) 1 Km，測(cè)距精度為177。值得注意的是，美國(guó)報(bào)道的采用脈沖測(cè)距原理的高重復(fù)率激光雷達(dá)演示系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn) 10KHz 的測(cè)頻，測(cè)程 2公里，測(cè)距精度為177?？傊す饫走_(dá)在國(guó)外己經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。 七十年代， YAG 激光器技術(shù)日益成熟并開(kāi)始大量應(yīng)用于激光測(cè)距，八十年代，遠(yuǎn)程、中程、近程的激光測(cè)距主要采用的是 YAG 激光器，如：坦克、炮隊(duì)激光測(cè)距、大地測(cè)量。1 1 引 言 國(guó)內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 激光技術(shù)自六十年代以來(lái)，已經(jīng)進(jìn)入了許多軍事技術(shù)領(lǐng)域，提供了大量的裝備，顯著的提高了偵測(cè)、識(shí)別、導(dǎo)航、指揮、控制、通訊、訓(xùn)練和光電對(duì)抗等軍事技術(shù)，大大的加強(qiáng)了軍事打擊和防御能力，成為軍事“力量倍增器”。八十年代半導(dǎo)體激光二極管（ LD）技術(shù)日趨成熟，隨著半導(dǎo)體激光二極管在提高輸出功率、改進(jìn)光束方向性和提高探測(cè)器靈敏度等方面不斷取得重大進(jìn)展， LD 或 LDA（激光二極管陣列）開(kāi)始應(yīng)用于中、短程測(cè)距，它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，對(duì)人眼安全、性價(jià)比高等一系列優(yōu) 點(diǎn)。 由于國(guó)外自九十年代就已經(jīng)開(kāi)始大力發(fā)展 LD激光雷達(dá)，目前 LD激光雷達(dá)在中、遠(yuǎn)程激光雷達(dá)應(yīng)用方面有取代 YAG 激光雷達(dá)的趨勢(shì)，近年又發(fā)展了一種便攜式、對(duì) 人眼安全、無(wú)合作目標(biāo)、低價(jià)的適用家庭的 LD 激光測(cè)距儀，既能作為望遠(yuǎn)鏡又具有測(cè)距功能，如： 1996 年下半年美國(guó) Bushnell 公司推出了測(cè)距能力為400 碼的 400 型小型、輕便、省電、對(duì)人眼安全、低價(jià)的 LD 激光測(cè)距機(jī) Yardage400（ 800），已被評(píng)為 1997 年世界一百項(xiàng)重要科技成果之一； 1997 年 Bushnell 公司在網(wǎng)上又推出測(cè)距能力為 800 碼的 800 型激光測(cè)距儀； 1998 年美國(guó) Tasco 公2 司又推出測(cè)距能力為 800 碼的攝像機(jī)型 Lasersite LD 激光測(cè)距儀 [3]。 50mm，距離分辨率為177。 1m。 1. 脈沖激光的發(fā)射電路模塊的設(shè)計(jì)及研制 這一模塊主要是設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng) 850nm 波長(zhǎng)的高性能半導(dǎo)體激光二極管 SPLLL85 發(fā)射脈沖激光（結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)）。 3. 高精度計(jì)數(shù)模塊 它是決定測(cè)距精度的核心部分，也是超小型脈沖激光雷達(dá)的核心部分。分析并行口和串行口在數(shù)據(jù)傳輸上的特性和優(yōu) 缺點(diǎn)，選擇合適的數(shù)據(jù)采集形式。 4 2 半導(dǎo)體脈沖激光測(cè)距機(jī)的方案設(shè)計(jì) 激光測(cè)距原理概述 激光測(cè)距主要有三種方法：脈沖激光測(cè)距、相位激光測(cè)距和調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距。激光發(fā)射單元在 t時(shí)刻發(fā)射一激光脈沖，其中一小部分功率直接進(jìn)入回波接收單元，觸發(fā)開(kāi)始信號(hào)（ START），開(kāi)始時(shí)間間隔測(cè)量；其余功率通過(guò)發(fā)射通道向目標(biāo)發(fā)射出去，經(jīng)距離 L 到達(dá)目標(biāo)后被反射 。由脈沖幅度與形狀變化引起的漂移誤差為Δ t，其大小還與閾值的大小有關(guān)，最大值可能接近脈沖上升時(shí)間 tr 。據(jù)報(bào)道采用此方法時(shí)，漂移誤差能控制在177。目前經(jīng)常采用的光電探測(cè)器包括光電倍增管 PMT， PIN 光電二極管和雪崩光電二極管 APD 等。輸入到時(shí)刻鑒別單元的噪聲分為白噪聲和相干噪聲，它們對(duì)時(shí)間抖動(dòng)的作用是不同的。模間拍頻調(diào)制則具有高頻（幾百兆赫茲）和 100%的調(diào)制深度等優(yōu)點(diǎn)，因此它非常適合于高精度相位測(cè)距。 調(diào)頻連續(xù)波（ FMCW）激光測(cè)距 調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距主要是通過(guò)發(fā)射一頻率連續(xù)可調(diào)的激光，測(cè)量接收到激光的頻率來(lái)推算距離。由于其光學(xué)系統(tǒng)僅包含一個(gè)光源和一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單、緊湊，系統(tǒng)易準(zhǔn)直，因此倍受關(guān)注。雙 (多 )波長(zhǎng)激光測(cè)距可以避免大氣對(duì)測(cè)量精度的影 響。另外，電子噪聲特別是由 大功率調(diào)制引入的電子相干噪聲對(duì)探測(cè)精度影響很大。另一方面，要加大測(cè)距范圍，就需減小頻率惆啾率，但同時(shí)也要增加電子測(cè)量系統(tǒng)的帶寬和提高頻率測(cè)量精度，因此，在實(shí)際測(cè)量中通常要尋求帶寬和頻率測(cè)量精度的平衡以及測(cè)距范圍和測(cè)距精度的平衡。 半導(dǎo)體激光器的體型較小，本課題的測(cè)程是 250 米左右，據(jù)現(xiàn)有資料報(bào)道，要想最大測(cè)程達(dá)到或超過(guò) 250 米，脈沖 LD 的功率必須大于 10W，否則，信號(hào)將淹沒(méi)在噪聲之中而難以發(fā)現(xiàn)。我們使用高頻高功率 MOSFET 管驅(qū)動(dòng)脈沖 LD，可以獲得高效、高重復(fù)率、窄脈寬、大功率的紅外激光輸出。脈沖信號(hào)的上升時(shí)間不同，在邊沿觸發(fā)時(shí)，達(dá)到觸發(fā)電平的時(shí)間不同。對(duì)于本項(xiàng)目中規(guī)定的給后續(xù)電路以足夠的幅值和盡量好的波形。 米之內(nèi)。其次是核心計(jì)數(shù)電路的方案自身的局限性所造成的誤差，這是可通過(guò) 改進(jìn)計(jì)數(shù)方法再結(jié)合特殊的算法達(dá)到系統(tǒng)的總體要求。 通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的測(cè)距方法的討論和分析并結(jié)合項(xiàng)目的具體要求， 選用 脈沖激光測(cè)距技術(shù)可以使用體積和能耗非常小的激光二極管作為探測(cè)光源進(jìn)行測(cè)距 。最后，結(jié)合本設(shè)計(jì)所涉及項(xiàng)目的具體要求，從測(cè)距精度、功耗、體積、應(yīng)用場(chǎng)合和實(shí)現(xiàn)的難易度進(jìn)行討論，最后得出本設(shè)計(jì)所采用的解決方案，為以后各子模塊的設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)提供基本的理論依據(jù)。 驅(qū)動(dòng)芯片 激光器 圖 激光發(fā)射模塊的工作框 圖 器件選型 半導(dǎo)體激光器 激光 發(fā)射器件選擇在很大程度上與接收器件的性能有 關(guān)系。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算（詳見(jiàn)第四章，放大器的選擇），要使探測(cè)器能夠接收到回波，脈沖 激光器發(fā)射的峰值功率不能夠小于 10W。 的 測(cè)距 精度要12 求，上升沿的跳動(dòng)值不能超過(guò) 4ns 。它的突出的優(yōu)點(diǎn)峰值功率較高，因此在使用中要注意安全。 x30176。 IL = fCVS （ 3. 1） 13 其中： f 工作頻率 ； C 容性負(fù)載的大小 ； VS 工作電壓。它能產(chǎn)生 15A 的峰值電流輸出，能以一種改良的安全的操作極限來(lái)驅(qū)動(dòng)最大 MOSFET，在沒(méi)有任何外部加速電容和電阻網(wǎng)絡(luò)的情況下能接收范圍在 到 VS內(nèi)的輸入。 以下是它的一些特性： ■ BICOMS/DMOS 架構(gòu) ■ 匹配的上升和下降時(shí)間 （ 25ns） ■ 高峰值電流輸出（ 15A） ■ 寬電壓操作范圍（ 18V） ■ 高容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力（ 62021pF） ■ 低延時(shí)特性（ 30ns） ■ 低供電電流（ 450μ A） ■ 低輸出阻抗（ 1Ω） 這款芯片完全可以用來(lái)驅(qū)動(dòng) OSRAM 公司生產(chǎn)的 SPLLL85 半導(dǎo)體激光器。這樣還可以減小內(nèi)部振鈴效應(yīng)，內(nèi)部振鈴效應(yīng)會(huì) 導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載工作在和接近最大額定電壓時(shí)電壓的崩潰。 2. 像 MIC4452 這樣的高電流容量地芯片在布板地必須十分地注意。 為了獲得最好的性能，邏輯電路和電源要分開(kāi)接地，以免電源地上的干擾竄入邏輯電路。它是將模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路。 其震蕩周期 T 為 T≈ (R1+2R2)C （ ） 占空比 q為 2121 2RR RRq ??? （ ） 可以利用算出在特定輸出頻率下的連接電阻和電容的值。在本設(shè)計(jì)中主要是利用系統(tǒng)核心計(jì)數(shù)單元的 CPLD 來(lái)精確的調(diào)節(jié)占空比。 16 圖 555 時(shí)鐘發(fā)生電路 圖 脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路 圖 是利用 555 多協(xié)振蕩器來(lái)產(chǎn)生所需的時(shí)鐘信號(hào)，我們需要的周期和占空比可根據(jù)式（ ）和（ ），來(lái)改變兩個(gè)電阻和電容的值來(lái)調(diào)節(jié)。 性能測(cè)試與分析 完成了電路的設(shè)計(jì)，我們來(lái)對(duì)電路的功能進(jìn)行驗(yàn)證。采用的 示波器為 是 Tektronix Inc. TDS5000 系列數(shù)字示波器， 其 采樣率為 1GHz。通過(guò)高性能驅(qū)動(dòng)芯片 MIC4452 以同樣的頻率和占空比去驅(qū)動(dòng)SPLLL85。 圖 信號(hào)的接受流程圖 器件選型 本設(shè)計(jì)使用的主要器件有 APD，前置放大芯片，高速比較器等。圖 顯示的是一般硅、鍺光電二極管的光譜響應(yīng)特性。 二 . 響應(yīng)時(shí)間 光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)在時(shí)間上落后于作用在其上的光信號(hào)，即光電探測(cè)器的輸出相對(duì)于輸入的光信號(hào)要發(fā)生時(shí)間軸上的擴(kuò)展。 表示時(shí)間響應(yīng)特性主要有兩種方法 :脈沖響應(yīng)特性法和幅頻特性法。 2. 幅頻特性 由于光電探測(cè)器件惰性的存在，使得其響應(yīng)度不僅與入射的波長(zhǎng)有關(guān)，而且還是入射輻射調(diào)制頻率的函數(shù)。 在實(shí)驗(yàn)中可以測(cè)得探測(cè)器的輸出電壓 V（ω）為 ）（）（ ??? ?? OVV （ ） 式中， VO為探測(cè)器的入射光調(diào)制頻率為零時(shí)的輸出電壓。 NEP 的定義：當(dāng)探測(cè)器輸出的基頻信號(hào)電壓的有效值 VN等于噪聲均方根電壓 Vn時(shí)，投射到探測(cè)器上的已調(diào)制輻射功率 PN（基頻分量的均方值），稱為光電探測(cè)器的噪聲等效功率。 D越大，表明探測(cè)器的能力越強(qiáng)， D的單位為 W1。它表示探測(cè)器接收面積為 1 cm2，工作帶寬為 1Hz時(shí)，在單位入射輻射功率 照射下所輸出的信噪比。雪崩二極管是具有內(nèi)增益的光伏探測(cè)器件。只有當(dāng)外界有光照時(shí)，激發(fā)出的光生載流子才能引起22 雪崩效應(yīng)。然而在實(shí)際中是很難實(shí)現(xiàn)的，因此需要平衡 、 折中 相矛盾的設(shè)計(jì)需求，以實(shí)現(xiàn) 商用 APD 上 最優(yōu)化。倍增區(qū) M 必須足夠?qū)捯蕴峁┯杏玫脑鲆?。因此輸出的電流信?hào) Is=MR0(I) PS，其中 R0(I)是增益和波長(zhǎng)都等于 I 時(shí) APD 的固有響應(yīng)度， M是 APD 的增益， PS是相應(yīng)的光功率?；蛘咛綔y(cè)器噪聲在低壓條件下受到抑制，或者光子散粒噪聲在高壓下受到抑制。由于體漏電流 IDM在 M區(qū)得到增益放大。 23 在較強(qiáng)的光信 號(hào)作用下，探測(cè)器轉(zhuǎn)換為光子散粒噪聲抑制系統(tǒng)。然而 APD 比起 PIN 探測(cè)器能使整個(gè)系統(tǒng)有更好的信噪比，因?yàn)樾盘?hào)在 APD 的內(nèi)部得到增益，而不會(huì)明顯地 影響到總的系統(tǒng)噪聲。而且有一定的范圍，硅 APD 增益的范圍是從 100 到 1000，而 Ge 和 InGaAs APD 的增益是從 30到40。決定適用于 該 波長(zhǎng)范圍的 APD 類型。 (3)光探測(cè)器件的最終選擇 對(duì)于波長(zhǎng) 850nm 紅外光信號(hào)，使用對(duì)該波長(zhǎng)響應(yīng)度比較高的 SiAPD 作為接收器件。 其光電響應(yīng)特性是 ，暗電流小于 100nA，響應(yīng)時(shí)間小于 l0ns，反向工作電壓275425V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在許多系統(tǒng)中 (如光譜測(cè)量，光電跟蹤 )并不要求嚴(yán)格保持脈沖信號(hào)的形狀，所以為了得到好的信噪比而犧牲高頻分量。由于輸 出噪聲功率與帶寬線性增加，因而有一最佳帶寬。如圖 所示，對(duì)于矩形脈沖取 : Δ =4 時(shí)，才能保持脈沖形狀。由于我們項(xiàng)目的能耗限制，低電流工作有利于降低我們的功耗。我們假設(shè)激光管的發(fā)射功率為 E,測(cè)距距離為 L，光斑大小在測(cè)距達(dá)到一定距離可 看作點(diǎn)光源 ，接收面的半徑為 r，反射面的反射率為σ且為蘭伯特面，發(fā)射光路的透過(guò)率為 T1，接收光路的透過(guò)率為 T2,且假設(shè)反射體反射面面積大于光斑面積，不考慮大氣吸收，則 : 接收到的光能量 : 2122421 TTLrEEr ?????? ??? () 26 若 從 LD發(fā)射出的光功率 E為 10W，接收光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率 T1, T2 為 70%,反射面的反射率為 20%,測(cè)距的距離為 300m， 將 值帶入式 ()得 WEr 9222 %70%70%20)300(4