【正文】 噪聲電流通過，為幾十nA,而有光照射的時候，通過APD的電流最大能夠達到幾個uA，所以設(shè)計的高壓發(fā)生電路除160V的電壓幅值要求外，還應(yīng)有uA級得驅(qū)動能力。雪崩光電二極管APD正常工作的時候需要在陰極加一個160V左右的直流反向偏壓來驅(qū)動，使APD有足夠的增益，所以需要設(shè)計一個高壓發(fā)生電路來給APD提供160V的反向偏壓。APD具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、抗強磁場干擾和動念范圍大等優(yōu)點，尤其是它的響應(yīng)時間非常短，對微弱信號也有相當(dāng)高的靈敏度，所以既能保證激光測距系統(tǒng)的測距精度，又能擴大測距的范圍，是以APD是脈沖激光測距系統(tǒng)激光接收器件的最佳選擇。經(jīng)實驗，采用上圖電路可獲得大約上升時間為5ns、半脈寬為200ns的光脈沖。 晶體管Q3主要起加速作用，Dl、R3并聯(lián)電路是用來抑制激光器的反向脈沖，保護激光器不被損壞。 當(dāng)給TRIGER高電平時，3導(dǎo)通，電容C1經(jīng)激光器放電，此時，激光器在一個很短時間內(nèi)可通過一個峰值電流大約為20mA左右的電流脈沖，使其發(fā)出相應(yīng)峰值功率大約為20w的激光脈沖。砷化銦鎵（InGaAs）21半導(dǎo)體激光器的輸出波長為905nm，位于大氣的紅外光第一穿透區(qū)邊緣，穿透率很高，是一種常用的高功率半導(dǎo)體激光器，： 圖32 脈沖激光發(fā)射電路 當(dāng)給TRIGER低電平時，Ql、Q3截止，高壓經(jīng)過RCDl和R1并聯(lián)電路向電容C2充電，使C2兩端的電壓達到150V左右。 A 激光器 發(fā)射光束 參考信號取樣器 探測器 回波光束 B 干涉濾光片 放大器 TDCGP2計時 開始E 系統(tǒng) 計時 單 片 方波信號 結(jié)束 機 VCC 40MHz 計時F 將計時系統(tǒng)測得的時間間隔送單片機 K 圖31激光測距系統(tǒng)整體框圖 激光脈沖發(fā)射電路本設(shè)計以半導(dǎo)體激光器(LD)做為脈沖激光源，它的主要優(yōu)點在于體積小、效率高。 33 第3章脈沖激光測距系統(tǒng)的設(shè)計 脈沖激光測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 脈沖激光測距系統(tǒng)主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、激光發(fā)射電路、激光接收電路和時間間隔計時部分組成。因此，為了獲得多普勒頻移信息，這一類運動目標(biāo)要求激光本地振蕩器能快速的調(diào)頻，改變激光器的頻率有幾種方法，但目前還沒有一種令人滿意。例如，目標(biāo)相對于lμm波長激光測距儀的徑向速度為5km3)光本地振蕩頻率的方法問題。然而它們的輸出功率太小，目前只有激光器的輸出功率和頻率穩(wěn)定性能同時滿足本機振蕩器和發(fā)射機的要求，使之成為相干探測雷達和激光測距儀的理想發(fā)射器件。2)有高度穩(wěn)定的、單色的激光發(fā)射器和本機振蕩器。在混頻器表面直徑為1cm、光波長為1μm時，視場角必須小rad。外差探測的信噪比公式為： (235) 式中的分子為二次檢波后的信號與本振功率混頻后獲得的均方根電流；B為探測器后面前置放大器的帶寬。從輸出信噪比的角度看，由于本振信號強，該強信號與一弱信號混頻后可以消除探測器的內(nèi)部噪聲。來自目標(biāo)和本機振蕩器的兩束相干光入射到探測器上，并在探測器的表面混頻(此時探測器又作為混頻器)。相應(yīng)的相干探測接收有兩種，即外差探測接收和零差接收。292) 外差探測當(dāng)用雪崩光電二極管接收時，則背景噪聲是主要噪聲源，減小背景噪聲的主要措施是采用窄帶濾光片和盡量減小接收視場。若用光電倍增管接收，則探測器的噪聲主要來自光電陰極自發(fā)發(fā)射引起的散粒噪聲，即暗電流噪聲和輸出回路的熱噪聲，當(dāng)光電倍增管的放大倍數(shù)足夠大時，熱噪聲比暗電流噪聲小，可忽略；冷卻光電陰極可使暗電流降低12個數(shù)量級。激光測距儀的性能參數(shù)中，對測程起決定作用的是接收機的最小可探測信號功率，越小，接收機靈敏度越高，測程也就越遠(yuǎn)。光電探測器輸出的電信號正比于探測器接收到的光功率，不要求光信號具有相干性，因此這種探測方法又稱為非相干探測。1) 直接探測按照探測方法來分，激光接收機可分為兩類：(1)非相干或直接探測接收機；(2)相干探測或光混頻接收機。除漂移誤差外，在時刻鑒別過程中還存在時間抖動，它是由于輸入信號噪聲和來自接收通道的附加噪聲產(chǎn)生的，抖動幅度還與信號脈沖上升沿寬度、信號強度、時刻鑒別單元的帶寬以及鑒別類型有關(guān)。正由于探測器的工作機理各不相同，其對光信號波形的還原能力也不同,因此,在考慮時刻鑒別誤差時,必須結(jié)合使用的探測器和時刻鑒別類型，以及光信號波形類型分別對待。光電倍增管是利用光電發(fā)射效應(yīng)工作的，其增益M可達；PIN是利用p激光回波脈沖是先經(jīng)接收通道的光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換和前置放大后進入時刻鑒別單元的，光電探測器的光電轉(zhuǎn)換機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)。接收通道輸出的起止信號脈沖通過一高通容阻濾波線路，原來的極值點轉(zhuǎn)變?yōu)榱泓c，以此作為起止時刻點，它的誤差主要受信號脈沖在極大值附近斜率的影響。恒定比值鑒別法的原理，是將起止時刻取在脈沖高度一定比值的地方，例如恒定比值取50%，即取脈沖上升沿中半高點到達的時刻為起止時刻，如不考慮波形畸變和噪聲等其它因數(shù)的影響，由幅度變化引起的誤差，由此可見，恒定比值鑒別法能有效消除由脈沖幅度變化帶來的誤差。由脈沖幅度與形狀變化引起的漂移誤差為，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間。目前時刻鑒別的方法主要有三種：前沿鑒別、恒定比值鑒別和高通容阻鑒別。由于激光脈沖在空中傳輸過程中的衰減和畸變，導(dǎo)致接收到的脈沖與發(fā)射脈沖在幅度和形狀上有很大不同，給正確確定起止時刻帶來困難，由此引起的測量誤差稱為漂移誤差；另外，由輸入噪聲引起的時間抖動也給測量帶來誤差。數(shù)字法的時間間隔測量誤差主要來源于時鐘脈沖的上升沿與測量開始和終止脈沖的上升沿之間的時間差和所導(dǎo)致的誤差大小為其中為時鐘脈沖周期，為測得時間間隔，為實際25時間間隔。3) 數(shù)字插入法：是通過采用數(shù)字法結(jié)合各種不同的插入方法來實現(xiàn)精確測量的，可以同時得到高單脈沖測量精度和高線性，能夠適應(yīng)高速、大測量范圍和高精度的應(yīng)用領(lǐng)域。通常使用幾百兆赫茲的時鐘，精度為十納秒量級；即使頻率高達10GHz的時鐘，精度也只有百皮秒，與之對應(yīng)的距離為分米量級，測距精度顯然非常低。其優(yōu)點是線性好， 并與測量范圍無關(guān)。但由于電容充放電過程中，充放電時間之間的關(guān)系不是絕對線性的，存在非線性現(xiàn)象，其大小大致為測量范圍的萬分之一，這就限制了測量范圍，或者說隨著測量范圍的增加，精度會降低；另外，電容的充放電性能受溫度的影響非常大(達1030ps/c),對測量系統(tǒng)的溫度特性要求就非?？量獭? 1) 模擬法：即在待測時間間隔內(nèi)對一已知電容以大電流進行充電， 然后對其以小電流放電()，則放電時間為，實際測得。因為時鐘頻率誤差導(dǎo)致的計時誤差隨時間線性增加，因此距離誤差是目標(biāo)距離的線性函數(shù)，它23由下式給出： (234)式中，測距儀最大測程，時鐘頻率誤差(幾分之一個時鐘頻率)。3)距離計數(shù)器時鐘的頻率誤差因此，由此造成的距離誤差是(或回波信號幅度)、閾值及激光脈沖波形的函數(shù)。簡單閾值探測電路中的探測誤差是由激光脈沖有限上升時間以及目標(biāo)對脈沖的展寬所引起的。量化誤差因激光發(fā)射脈沖、目標(biāo)回波脈沖與時鐘脈沖不同步，在數(shù)字電路中出現(xiàn)隨機概率變化的時間誤差。因此，測距誤差主要由的測量誤差造成，主要有以下三個誤差源：1)距離計數(shù)器中的量化誤差；2)激光脈沖寬度引起的探測誤差；3)距離計數(shù)器時鐘的頻率誤差。它由和的測量誤差所決定。要獲得高的探測靈敏度，必須對接收機進行優(yōu)化設(shè)計。將代入激光測距儀接收系統(tǒng)輸出的信噪比方程得探測靈敏度為：因此，對激光測距儀測程的擬定與測試，必須要在一定外部約束條件下進行。與此同時，系統(tǒng)設(shè)計還應(yīng)考慮接收視場和光束發(fā)散角的匹配。如果在測距方程中用最小可探測功率代替接收功率，則由測距方程可得到最大探測距離： (229)由上式可以看出，激光測距儀的最大測程不僅取決于測距儀自身性能，還取決于外部測距條件： 19 最大測程由測距方程式可知，隨著目標(biāo)距離的增大，激光測距儀接收到的目標(biāo)回波功率迅速減小。為： (228)由以上各式可知，影響脈沖激光測距儀性能的主要因素有激光測距儀的本身性能、激光的大氣傳輸特性、背景輻射特性、被測目標(biāo)特性等。由上面兩式可得，激光測距儀接收系統(tǒng)輸出的信噪比為： (227) 式中，電流的倍增因子，探測器接收的信號功率，探測器的量子效率，普朗克常數(shù)，光波頻率，玻爾茲曼常數(shù)，絕對溫度，接收系統(tǒng)帶寬，等效負(fù)載電阻，管后面視頻放大器的噪聲系數(shù)，與倍增過程相關(guān)的噪聲系數(shù)，探測器接收到的目標(biāo)回波平均光功率，探測器接收到的背景光功率，管的體漏電流。若以雪崩光電二極管(APD)接收來考慮，則回波信號功率轉(zhuǎn)換成的電信號電流為： (223)目標(biāo)回波光功率和背景光功率引入的散粒噪聲電流分別為： (224)17 (225)管子暗電流也將引入散粒噪聲，考慮到探測器負(fù)載電阻和放大器引入的折合到光電探測器輸出端的熱噪聲，接收系統(tǒng)輸出的噪聲電流的有效值為： (226)探測器負(fù)載電阻和放大器熱噪聲之和可以等效于溫度升高后用一項來表示。使信號能量得到放大輸出、噪聲得到抑制。因此，在探測較窄的脈沖信號時，應(yīng)采用較寬的放大器。其特點為：1)信號能量主要集中在一定的頻帶范圍內(nèi)；2)當(dāng)脈沖持續(xù)時間減小時，頻譜中通過零點的頻率也隨之增高，頻譜寬度也增大。經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換以后，變成直流電流，被交流放大器過濾掉,而變成了電信號。 信噪比方程一般來說，直接探測光電探測系統(tǒng)大多是從信號頻譜和噪聲頻譜上的差別來抑制各種噪聲，因此主動光電探測系統(tǒng)的發(fā)射信號必須是經(jīng)過模擬或脈沖調(diào)制以后的調(diào)制信號，它的重要特性是它的頻譜。因為直接探測具有實現(xiàn)簡單和可靠性好的優(yōu)點，脈沖激光測距機等諸多光電設(shè)備一般都采用這種方法。因此，要使傳遞的信息表現(xiàn)為光功率，利用光電探測器的這種直接的光電轉(zhuǎn)換便可實現(xiàn)信息的解調(diào)，這種探測器被稱為直接探測。因此，光電探測技術(shù)在激光測距中有著重要的作用。 脈沖激光測距儀的信噪比方程如今，在光電子技術(shù)的實際應(yīng)用中，一定會涉及到將光信號轉(zhuǎn)換為可觀測信號的問題，本設(shè)計也不例外。激光測距方程直觀地描述出了到達激光測距儀接收器的光電探測器的回波功率和測距機的發(fā)射功率、激光束發(fā)散角、光學(xué)系統(tǒng)的透過率以及其接13收視場等性能參數(shù)；傳輸介質(zhì)的衰減，目標(biāo)有效反射界面與反射率等目標(biāo)特性之間的關(guān)系。式()中，為激光發(fā)射束的發(fā)散角，是激光測距系統(tǒng)的接收視場角。在此，令=，并將其與比例因子一起帶入式()中，則脈沖激光測距方程可寫為： (215) 11式中： ——激光測距系統(tǒng)的發(fā)射峰值功率 ——激光測距系統(tǒng)的接收峰值功率 ——發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的透過率 ——接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率 ——接收光學(xué)系統(tǒng)的面積 ——目標(biāo)漫反射系數(shù) ——介質(zhì)的單程透過率 ——目標(biāo)距離 ，——分別定義如下：式 ()中，是目標(biāo)的有效面積。由此可得出目標(biāo)的輻射亮度為： 7 (210)假設(shè)激光測距儀接收系統(tǒng)的接收面積為，激光所發(fā)射的光束與距其遠(yuǎn)處目標(biāo)相交的截面積為，任一面元與激光測距儀光軸夾角為，根據(jù)亮度的定義，則可得出以被測目標(biāo)作為二次光源沿著激光測距儀的光軸方向輻射到其接收立體角內(nèi)的輻射功率如式(211)所示： (211) 假設(shè)激光測距系統(tǒng)的接收視場，激光接收系統(tǒng)的透過率，依據(jù)大氣透過率，則可得出探測器所接收的光功率為： (212) 設(shè)被測目標(biāo)的有效反射截面積為： (213)如此，激光測距系統(tǒng)對于較小的目標(biāo)來說，其測距方程可改寫為： (214)為了使