姚國(guó)仲 艾麗思 申立中 雷基林 賈德文

（昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院 昆明 650500）

0 引 言

激光探測(cè)在雨雪霧等惡劣天氣、水下等環(huán)境的應(yīng)用有突出優(yōu)點(diǎn)［1－2］．但是，在惡劣環(huán)境中，對(duì)于非合作目標(biāo)探測(cè)而言，激光信號(hào)衰減非常嚴(yán)重，回波信號(hào)非常微弱，且伴隨著大量的噪聲，如何從噪聲中提取目標(biāo)信號(hào)是激光信號(hào)處理最重要也是最困難的部分．

PIN或APD等光電二極管產(chǎn)生的電流信號(hào)大小與入射光功率成正比，與光電二極管的光敏面積和入射光的能量無(wú)關(guān)［3－4］．但是，隨著光功率的增加，光電二極管會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，如果光功率繼續(xù)增加，其將失去探測(cè)能力，這就是噪聲過(guò)大會(huì)導(dǎo)致光電二極管探測(cè)能力喪失的原因［5］．光電二極管產(chǎn)生的電流信號(hào)中，除了調(diào)制激光信號(hào)（交流）外，還有大量由環(huán)境光產(chǎn)生的直流信號(hào)以及其他調(diào)制光產(chǎn)生的信號(hào)摻雜其中［6］．為了更有效地處理，在電流信號(hào)放大前將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)（簡(jiǎn)稱(chēng)流－壓轉(zhuǎn)換）．由于電壓信號(hào)傳輸損失較小，所以流－壓轉(zhuǎn)換電路是激光信號(hào)處理最重要的前端電路．設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)那岸穗娐愤_(dá)不到理想的目標(biāo)，受到的干擾非常嚴(yán)重，并且靈敏度比較低和作用距離比較短等問(wèn)題，甚至可能帶來(lái)更多的噪聲，淹沒(méi)掉目標(biāo)信號(hào)，所以激光接收處理電路是激光系統(tǒng)最基本也是關(guān)鍵的部分［7］．為此，針對(duì)強(qiáng)干擾環(huán)境條件下激光信號(hào)接收處理進(jìn)行深入研究，降低環(huán)境光及其他光產(chǎn)生的干擾的影響，提高激光探測(cè)系統(tǒng)對(duì)非合作目標(biāo)微弱激光信號(hào)的分辨率和靈敏度．

基本思路：分析和總結(jié)常見(jiàn)激光接收電路的優(yōu)缺點(diǎn)，得出激光信號(hào)前端處理的規(guī)律．基于此，設(shè)計(jì)新的接收處理電路，克服傳統(tǒng)電路的缺點(diǎn)．然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新接收電路的可行性和良好的識(shí)別能力．

1 激光接收與光學(xué)濾波

復(fù)雜環(huán)境條件下，激光回波信號(hào)微弱且伴隨大量噪聲干擾．一般利用光學(xué)接收系統(tǒng)將回波信號(hào)進(jìn)行聚焦以提高單位面積的光功率，從而提高光電二極管輸出信號(hào)的強(qiáng)度．PIN或APD光電二極管的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍一般在400～1 100nm之間，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)在900nm左右．本研究所采用是波長(zhǎng)為905nm的半導(dǎo)體激光器，該波長(zhǎng)恰好處于APD二極管的峰值響應(yīng)范圍．對(duì)于強(qiáng)后向散射介質(zhì)短程通信，所需激光能量比較高，雖然目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度比較大，但后向散射噪聲也比較大，常對(duì)目標(biāo)信號(hào)構(gòu)成致命的威脅，可能完全淹沒(méi)目標(biāo)信號(hào)或者導(dǎo)致接收系統(tǒng)飽和．對(duì)于長(zhǎng)遠(yuǎn)距離激光通信，激光回波信號(hào)的能量比較低，目標(biāo)信號(hào)易被環(huán)境噪聲淹沒(méi)掉．另外，像太陽(yáng)、LED等光源，光譜較寬，易對(duì)光電二極管造成嚴(yán)重影響．因此，在回波信號(hào)到達(dá)光電器件之前，進(jìn)行光學(xué)濾波處理對(duì)于良好的激光信號(hào)處理系統(tǒng)是必不可少的，其剔除非目標(biāo)波段光信號(hào)的影響，見(jiàn)圖1．

在圖1中，光學(xué)濾波片3只允許目標(biāo)波段的光通過(guò)，有效地濾除對(duì)接收器產(chǎn)生嚴(yán)重影響的可見(jiàn)光和其他波段的干擾光．為了防止強(qiáng)烈后向散射導(dǎo)致近場(chǎng)飽和，防近場(chǎng)飽和屏幕2阻止了大部分近場(chǎng)后向散射光，提高了系統(tǒng)的工作能力．當(dāng)然，不同的應(yīng)用環(huán)境，屏幕2的大小和位置還有待于深入研究，一般情況下，大小不能大于棱鏡尺寸的1／4．為了防止APD聚焦困難，采用棱鏡1加擴(kuò)束鏡5組合聚焦方式．圖1中視場(chǎng)光欄4有效地防止了非目標(biāo)方向反射或者照射進(jìn)入接收系統(tǒng)的光干擾．

圖1 光學(xué)空間濾波結(jié)構(gòu)

2 流－壓轉(zhuǎn)換電路

APD等光電二極管在光激勵(lì)作用下產(chǎn)生的是電流信號(hào)．為了方便放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等操作，對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理之前，通常需將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)．本節(jié)將研究幾種不同的電流電壓轉(zhuǎn)換電路（current－voltage converter，CVC），并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種更有效的調(diào)制激光信號(hào)接收電路．

2．1 高阻抗流－壓轉(zhuǎn)換電路

利用電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓是最常見(jiàn)的流壓轉(zhuǎn)換方式，見(jiàn)圖2．根據(jù)歐姆定律，負(fù)載電阻R將光電二極管的漏極電流直接轉(zhuǎn)換成電壓．C為直流濾波電容，有效地阻止直流信號(hào)對(duì)放大電路部分的影響．高阻抗流－壓轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓的大小與電阻的大小成正比．但是，其存在嚴(yán)重的缺陷：（1）要提高負(fù)載電阻R兩端的電壓，R的阻值就比較高．R的阻值太高，那么由干擾光產(chǎn)生的漏電流（信號(hào)中的直流成分）容易導(dǎo)致光電二極管（特別是PIN管）飽和，從而阻礙了激光信號(hào)的檢測(cè)（當(dāng)R兩端的電壓接近光電二極管的偏置電壓時(shí)，PIN就飽和了）．為了提取比噪聲信號(hào)小數(shù)百倍甚至數(shù)千倍的目標(biāo)信號(hào)，那么R的阻值盡可能的大以獲得最好的流－壓轉(zhuǎn)換，保證目標(biāo)信號(hào)不丟失．此二者是相互矛盾的，且很難達(dá)到一個(gè)理想的折中．（2）付出頻率響應(yīng)的代價(jià)．（3）區(qū)分信號(hào)的能力差．

圖2 高阻抗放大流壓轉(zhuǎn)換電路

2．2 電阻反饋式跨阻放大電路（TCVCC）

跨阻放大電路直接由放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，且輸出電壓大小與輸入電流的大小成正比．由于其性能比高阻抗流－壓轉(zhuǎn)換電路優(yōu)越，所以在光通信中獲得更廣泛的應(yīng)用．電阻反饋式TCVCC只是將高阻抗流－壓轉(zhuǎn)換電路（如圖2）的負(fù)載電阻R變成了反饋電阻，見(jiàn)圖3．其中，反向放大器充當(dāng)緩沖器的作用，并產(chǎn)生與光電流大小成正比的輸出電壓．該電路較高阻抗流－壓轉(zhuǎn)換電路最大優(yōu)勢(shì)就是消除了光電二極管容抗和線網(wǎng)容抗的影響，具有更高的工作頻率．但是，TCVCC利用定值反饋電阻，光電二極管仍然容易飽和，而且干擾電流信號(hào)也同目標(biāo)信號(hào)被一同放大，從而放大了噪聲信號(hào)．

圖3 電阻反饋式TCVCC

圖4給出一種性能較好的TCVCC，旁路電容C18對(duì)高頻信號(hào)有強(qiáng)烈的抑制作用，因此，其性能要比單一電阻反饋電路要優(yōu)越得多．對(duì)于低頻信號(hào)而言，該電路具備良好的流壓轉(zhuǎn)換特性．但是，對(duì)于高頻信號(hào)，即使電容較小，由于直流信號(hào)不斷地給電容充電，易使光電二極管出現(xiàn)飽和的狀況．

圖4 電阻與電容并聯(lián)跨阻放大電路

2．3 LC并聯(lián)反饋式TCVCC

對(duì)于特定的應(yīng)用系統(tǒng)，激光回波信號(hào)的頻率是固定的，因此，可以借用收音機(jī)超外差接收電路的思想，利用特定的選頻電路處理回波信號(hào)，只保留目標(biāo)頻率并濾除噪聲．將電阻反饋式TCVCC（如圖3）的電阻反饋替換為L(zhǎng)C并聯(lián)反饋，即可得到LC并聯(lián)反饋式TCVCC，見(jiàn)圖5．信號(hào)頻率越高，電感L的感抗就越大，因此，電路具備高阻抗的特性，有利實(shí)現(xiàn)流壓轉(zhuǎn)換．LC并聯(lián)反饋電路的突出優(yōu)點(diǎn)．

圖5 LC并聯(lián)反饋TCVCC

1）直接濾除掉直流信號(hào)，且只保留了特定頻率的交流信號(hào)．所以，LC并聯(lián)反饋流壓轉(zhuǎn)換電路有效地區(qū)分開(kāi)了干擾信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)，大大提高了探測(cè)能力．

2）易于提取微弱的激光回?fù)苄盘?hào)．非調(diào)制環(huán)境光產(chǎn)生大量直流成分常導(dǎo)致流壓轉(zhuǎn)換效率較低，阻礙激光信號(hào)的探測(cè)和識(shí)別，但是，利用LC選頻網(wǎng)絡(luò)接收電路，直流信號(hào)不會(huì)造成影響，光電二極管也不容易飽和．

3）隨著電路品質(zhì)因數(shù)Q的增加，LC網(wǎng)絡(luò)的阻抗也在增大，選頻特性越好．為了獲得較高的品質(zhì)因數(shù)，電感L的值要盡可能大，而電容C的值要盡可能?。捎诿總€(gè)電感都有一個(gè)與其并聯(lián)的寄生電容，所以，在電感L與其自身電容C組成的LC網(wǎng)絡(luò)諧振時(shí)電路的阻抗最高，此時(shí)選頻特性最好．

LC并聯(lián)反饋流－壓轉(zhuǎn)換電路提高了流壓轉(zhuǎn)換的效果，同時(shí)剔除了直流干擾和非選通頻段信號(hào)的干擾，可以增強(qiáng)在強(qiáng)干擾環(huán)境中微弱激光信號(hào)的探測(cè)能力．值得注意的是，為了克服較高的品質(zhì)因數(shù)導(dǎo)致電路產(chǎn)生不必要的震蕩，將反饋網(wǎng)絡(luò)替換為RLC并聯(lián)反饋，見(jiàn)圖6．電阻R4的作用降低電路的品質(zhì)因數(shù)，防止電路失去控制，但不影響電路的選頻特性．對(duì)于低占空比的調(diào)制激光信號(hào)，最好保持品質(zhì)因數(shù)為“1”．當(dāng)品質(zhì)因數(shù)為“1”，則在諧振時(shí)，LC的并聯(lián)電抗與電阻的阻抗相等．另外，品質(zhì)因數(shù)過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)產(chǎn)生多余的擾動(dòng)，反而帶來(lái)更大噪聲．

圖6 品質(zhì)因數(shù)可控的TCVCC

3 實(shí)驗(yàn)與分析

LC并聯(lián)反饋TCVCC具有較大的優(yōu)勢(shì)，下面將通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該電路的正確性以及在調(diào)制激光信號(hào)處理方面的優(yōu)越性．

圖7為帶一級(jí)放大的激光信號(hào)接收電路．電路由3個(gè)部分組成：（1）基于PIN（PC10－6）管的激光接收電路．PIN光電二極管在峰值波長(zhǎng)的光激勵(lì)下的轉(zhuǎn)換效率為0．5A／W．圖7中電流I1就相當(dāng)于光電二極管的光激勵(lì)電流信號(hào)，該信號(hào)中夾雜有非目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的噪聲．（2）流－壓轉(zhuǎn)換電路，是一個(gè)由RLC并聯(lián)的選頻網(wǎng)絡(luò)和放大器組成．其中，r為電感內(nèi)阻，R2為品質(zhì)因數(shù)調(diào)節(jié)電阻，L1和C1分別是LC選頻網(wǎng)絡(luò)的電感和電容．由于電感的內(nèi)阻r較小，所以，直流信號(hào)大部分經(jīng)過(guò)電感直接流入放大器的輸出端，不進(jìn)行流壓轉(zhuǎn)換；而交流信號(hào)則無(wú)法通過(guò)電感和電容，于是，電路只對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行了流－壓轉(zhuǎn)換．另外，LC并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)具有信號(hào)放大作用．因此，流壓轉(zhuǎn)換電路只對(duì)特定頻率的交流信號(hào)進(jìn)行放大，而阻隔了其他信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波且放到了目標(biāo)信號(hào)的功能，抑制了噪聲，提高了信號(hào)的信噪比．圖8為RLC選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性，諧振頻率約為8MHz．第三部分是電壓放大電路，其對(duì)流壓轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的放大，以便觀察或者數(shù)字化．

圖7 電感反饋式調(diào)制激光接收電路

圖8 RLC并聯(lián)的幅頻特性和相頻特性

由于PIN的頻率響應(yīng)特性，原始激光脈沖方波調(diào)制信號(hào)已經(jīng)變成正弦波信號(hào)，見(jiàn)圖9．圖10為去除直流信號(hào)后的激光信號(hào)．電流信號(hào)經(jīng)過(guò)流壓轉(zhuǎn)換變成了電壓信號(hào)，為了防止直流電壓改變電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，設(shè)置了直流阻隔電容C2．圖11為信號(hào)測(cè)試點(diǎn)在C2的右端進(jìn)行．圖12為經(jīng)過(guò)一級(jí)電壓放大后的電壓信號(hào)．

圖9 原始信號(hào)

圖10 濾除直流信號(hào)后

在大量環(huán)境光干擾的情況下，LC并聯(lián)反饋式TCVCC能夠有效地提取微弱的調(diào)制激光信號(hào)，克服了環(huán)境光產(chǎn)生的直流信號(hào)的影響，提高了電路的探測(cè)和識(shí)別能力．

圖11 流壓轉(zhuǎn)換后的信號(hào)

圖12 電壓放大以后的信號(hào)

4 結(jié) 論

1）結(jié)合激光回波信號(hào)中光干擾的特點(diǎn)和光學(xué)空間濾波方法，設(shè)計(jì)防近場(chǎng)飽和的激光接收系統(tǒng)，剔除了非目標(biāo)波段的干擾光，為后續(xù)激光信號(hào)處理降低了難度．

2）通過(guò)對(duì)高阻抗流－壓轉(zhuǎn)換電路、跨阻放大電路、LC并聯(lián)反饋放大電路等分析得出，對(duì)于調(diào)制激光信號(hào)，LC并聯(lián)反饋放大電路能夠有效地濾除回波信號(hào)的直流干擾，具有更好探測(cè)能力．

3）對(duì)LC并聯(lián)反饋式TCVCC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路能夠更有效的提取微弱調(diào)制激光信號(hào)，因此，更適合強(qiáng)干擾環(huán)境下激光信號(hào)的接收．

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