星载激光测距仪APO最佳雪崩增益控制技术研究
星载激光测距仪APO最佳雪崩增益控制技术研究
作者:李旭;彭欢;王春辉
作为天基测绘系统的重要组成部分,星载激光测距仪用于获取星下点到地表的倾斜距离,配合线阵测绘相机系统提高立体测绘精度,满足大比例尺测绘需求。星载激光测距仪一般采用时间飞行法脉冲测距体制,通过测量激光发射光脉冲与激光接收光脉冲的相对时间间隔,得到星下点地物距离信息。为满足大测绘幅宽的需求,星载激光测距仪一般工作在数百公里轨道,由大目标激光雷达方程可知,其数MW量级的激光发射功率经过代的距离衰减和大气双程衰减后,激光回波光功率 一 般仅为数十 nW量级,如何有效地检测并提取如此微弱的激光回波信号是激光测距系统的关键。雪崩光电二极管(APD)量子效率高,具有极高的灵敏度和极短响应时间,成为星载激光测距仪微弱信号探测的首选探测器 。为了降低激光探测系统噪声水平,提高激光探测系统信噪比,以满足测绘系统对测距精度的要求,国内外学者做了大量的研究工作。吕华等研究 了激 光 成像系统中APD恒虚警控制技术,通过对APD工作温度和探测通道噪声水平的监测结果自动调整APD增益,获得最佳增益控制,此类控制方法在高重频地面测距应用中使用广泛。Frederic Laforce C31从原理上重点研究了APD增益、偏压与工作温度的关系,给出了不同温度环境下的增益调整技术途经,以获得不同温度下的最佳增益。赵希等根据 APD 在敌我识别系统中的具体应用,设计了可控高压源,用以实现不同温度和制造工艺下的APD最佳增益控制。黄庚华等研究了远距离 、复杂背景辐射条件 下 的APD倍增因子控制方法,以获得最佳信噪比。欧阳俊华研究了激光雷达系统中的APD恒虚警控制技术,提出了 一 种 基 于 FPGA 的恒 虚警 控 制 电路 ,通过 噪声监测有效地根据背景辐射进行自适应调整,保持恒定的虚警率。不过以上研究大都适用于地面或弹载高重频激光雷达应用,针对星载低重频对地测绘的应用研究鲜见报道。
影响星载激光测距系统信噪比的主要噪声来源为云、气溶胶及目标对太阳的反射和散射引起的背景辐射噪声 ,而背景辐射的大小与目标的反射特性直接相关;由于卫星较快飞行速度(7.8 km/s)且星载激光测距系统重复频率(2-10 Hz)较低,相邻激光足印跨度较大,如2Hz重频下激光足印跨度约为3.4km,如此大跨度的激光足印下的背景辐射特性变化巨大,当前测量噪声统计特性无法准确反映下次测量噪声特性,给噪声的实时反馈控制带来极大困难和不确定性,针对星载应用,噪声的处理 一 般通 过设置多阙值比较器或高速采集系统完成对激光探测系统噪声的统计工作,并通过恒比定时或者全波形采样技术获得较高的测距精度。
此外星载激光测距系统电子学产品工作环境复杂,不仅要受到空间粒子辐射的影响,最重要的是工作环境温度变化巨大,如某型号产品电子学工作温度范围-25-60℃,而主动热控又面临巨大的功耗开销,因此需要设计温度反馈控制回路,以实现不同温度下的最佳信噪比探测。
文中分析了星载激光测距系统应用环境的特殊性,通过引入APD电流信噪比模型,分析了影响APD信噪比的关键因素,研究了APD最佳雪崩增益控制技术,并实验验证了控制技术的有效性和正确性。
1、APO最佳雪崩增益分析
作为星载激光测距仪光电探测的核心器件, APD的工作特性直接影响激光测距仪的核心指标参数,突出表现在系统的信噪比上,而系统信噪比又直接影响系统的测距精度,此为测绘系统的最重要指标。APD电流信噪比定义为信号光电流与噪声电流之比,在特定信号光下,APD电流信噪比和APD探测器噪声信号负相关,APD探测器主要噪声信号包括信号光散粒噪声、背景光噪声、背景光散粒噪声、暗电流噪声及热噪声等 。
信号光、背景光散粒噪声的产生是由人射光子的粒子性造成的,星载激光测距系统中APD电流倍增因子一般选在100左右,因此信号光、背景光散粒噪声与背景光噪声和探测器的暗电流噪声相比可以忽略不计。
APD探测器输出电流信噪比与输入光功率、电流倍增因子、温度、暗电流、器件结构参数、等效噪声带宽及负载电阻大小等有关,其中在其他特性参数一定的情况下,存在一个最佳增益即使得APD输出的电流信噪比达到最大,对应此最佳增益的偏压为APD最佳工作偏压。研究发现,APD增益与温度线性相关,文中实验得出的APD增益-偏压-温度的关系曲线可知,欲使APD保持在某一恒定增益,必须对APD的偏压进行凋整以补偿温度所造成的影响。星载激光测距系统无温控条件下的电子学产品工作温度范围-25-+60℃,必须设置高精度的温度偏压反馈模块,以满足全工作温度范围下的最佳信噪比探测和高精度测距需求。
2、APD最佳增益控制技术
某型号星载激光测距系统选用的APD的型号为C30659-1060-R8BH, 为Perkin elmer公司生产的以C30954EH为管芯的带有集成前置放大器的新产品,其内部封装有温度补偿二极管D1N914, 用以监测APD工作环境温度变化用以温度补偿。APD探测器在响应度一定的情况下保持恒定增益时偏压温度反馈系数为2.2 V/'C,25℃下APD增益为100时偏压为321 V。激光测距系统在轨工作温度范围为-25'C-60℃, 保持恒定增益为100时偏压变化范围为211-398V。
通过实时采集APO工作环境温度动态调整其反向工作偏压以获得最佳增益控制,激光测距系统温度偏压反馈控制方案中D1N914温度补偿二极管工作在恒流状态下,其两端压降和温度具有良好的线性关系和较高的灵敏度-2.1 mV/'c,采用三端稳压器LM117构成的恒流源电路示意图如图4所示,通过温度补偿二极管D1N914的电流为VREF/R, VREF=l.25 V为LM117内部基准电压。为保证全温度范围内的测温精度,电阻R选用低温漂高精度的金属膜电阻。
运算放大器电路将温度补偿二极管输出反映APD工作环境温度的直流电压信号放大至合适电压幅度送入ADC采集,运算放大器应选用低温漂、低噪声、低带宽和高共模抑制比运算放大器以降低电路噪声对温度信号的干扰。
高压电路选用高精度低温漂低纹波的可控高压电源模块521A-5, 该高压模块输入输出满足y=ax+ b的线性关系,其中a、b为和电路有关系的常数,x为高压模块控制端输入电压。实验标定高压模块输入控制电压与APD工作偏压可知,APD工作偏压与高压模块输入控制电压满足y = l21.9x+0.52 线性关 系 。控制 电压采用 DAC 编程输出,输出控制电压范围0-4.096 V, 对应APD工作偏压0-500V, 纹波系数<0.006%, 温度系数<0.05%,满足APD在轨使用要求。
温度偏压反馈控制电路在FPGA的统一调度下丁作,控制算法如图6所示,反映APD工作环境温度的输出电压信号通过高精度12bit ADC实现模数转换记录,经过补偿算法处理后FPGA输出编码驱动高精度12 bits DAC产生控制电压控制高压模块输出满足与温度适应的最佳偏压,ADC和DAC参考电压均为4.096V。
3、实验结果与分析
25℃时APD保持最佳增益时偏压HV_To=321V, 25℃时在10mA恒定驱动电流作用下温度补偿二极管DIN914标定输出电压DV _T0= 52I m V, APD偏压与高压模块输入控制电压满足高压模块输出满足HV_T=l2I.9xV_C+0.52, 得出FPGA输出DAC控制编码N和ADC采样输入编码M满足N=6 897-8.196 7xM 。
设计时通过在测温回路增加多重低通滤波器,并在反馈控制周期内对温度信号多次采样,降低电路噪声对温度采样电路的影响,提高温度偏压反馈控制准确度与精度。
针对激光测距系统在轨使用环境,将激光探测系统放入空间环境模拟器内进行真空环境下的高低温循环实验,实验过程中通过地面检测设备对激光探测系统关键参数进行监测,表2为APO探测器工作环境温度与APD工作偏压实验记录数据,APD工作环境温度与偏压实验关系曲线以及与仿真结果的对比,实验结果与仿真结果具有良好的一致性,实验数据分析结果表明,-25-+60℃温度下APD控制偏压误差标准差为0.5446V,证明了激光探测系统APD探测器最佳增益控制技术的正确性与良好的温度适应性。
此外激光探测系统设计时预留APD偏压调整功能,即根据激光测距系统在轨性能通过地面注入在轨调整APD工作偏压,调整范围丑6V, 配合其它调整手段,以适应在轨应用状态与地面实验状态的不同。
4、结论
雪崩光电二极管(APD)具有量子效率高、灵敏度高和响应速度高等特点,广泛用于激光测距系统,APD电流增益随温度变化而不同,严重影响了星载激光测距系统无温控条件下的在轨应用。利用温度补偿二极管D1N914良好的温度特性以及其在结构上、功能上的优势,结合星载激光探测系统需求,设计了数字化温度偏压反馈控制模块并实验验证了该系统在实际温度条件下的工作特性,实验结果表明该模块电路对-25℃-+60℃的在轨工作环境输入具有良好的反馈补偿效果,温度偏压控制误差为-0.5446 V, 通过监测回波信号发现-25℃-+60℃温度范围APD工作增益稳定,激光探测系统输出信噪比始终满足高精度测距需求,满足设计指标。该电路模块结构简单、工作可靠,适用千星载激光探测系统。
本文章转自爱学术(aixueshu.com),如有侵权,请联系删除