脉冲激光测距机恒虚警设计
脉冲激光测距机恒虚警设计
作者:韩春生;曹竞茹
脉冲激光测距仪主要指标之一是最大可测距离,最大可测距离是表征激光测距机整机性能的重要参数。相比其他手段,进行精确的恒虚警控制可以在体积、功耗、成本基本不变的情况下,大幅提高测距威力。恒虚警控制其主要功能就是对各种环境条件下的杂波进行反馈处理,以提高激光测距机的探测能力。激光测距机需要恒虚警控制,在传统的设计中常采用模拟控制,由于模拟控制缺少智能而且控制精度差,使最大测量距离的潜力得不到发挥。本文采用以ARM微控制器为核心的数字化反馈控制的方法克服了模拟控制不够智能和精准的缺点,增强了探测灵敏度,提高了最大可测距离。
2 脉冲激光测距机的工作原理及组成
2.1 脉冲激光测距机的工作原理
常规激光测距采用单脉冲发射方式,接收检测采用直接阈值检测方法来提取目标回波,信号检测采用模拟电路来实现⋯。基本组成部分包括激光发射装置(固体激光器)、激光接收装置、计数器、光学观瞄装置等。激光测距采用脉冲方式测距,即由激光测距机向目标发射一个激光脉冲,此时激光目标指示器内的计数器电路开始工作,当激光目标指示器接收到经目标反射回来的激光脉冲后,计数器停止工作,通过统计计数器内部电路所产生的脉冲个数,即可测出激光来回所用的时间,从而得到目标的距离。
2.2 激光测距机的组成
脉冲激光测距机在设计中常分为以下5个分机,如图2所示。终端机,激励源,发射机,光学,接收机组成。其中终端机实现与系统的通讯、控制激励源放电、解算主回波信号,计算距离值;激励源为发射机提供能量;发射机发射激光;接收机的功能为:经过光电转换和信号放大,将发射激光形成的主波,返回激光形成的回波传至终端机。
3 激光测距机的测距方程
当目标可以看作“点目标”的时候,目标全部被照射,最大可测距离R 与最小接收光功率P 成反比;目标的大小与发射在目标处的光斑相当,目标的形状或光束的抖动等因素使得接收功率与距离R 。成反比;当垂直光束的目标截面始终大于或等于目标处的光束截面时,方程变为接收功率与距离 成反比_3 J,即提高接收机灵敏度可有效增大测程。
4 接收机的设计
4.1 接收机概述
接收机是接收由目标漫反射回来的极弱的激光脉冲,把它转换为电脉冲信号并加以放大。接收机由接收光学系统、光电探测器、低噪声宽带放大器和整形电路组成 J。某接收机电路部分。接收机有以下几个指标很关键:
(I)灵敏度
通常灵敏度以最小可探测功率来衡量;
(2)抗干扰能力
包括阳光背景、杂散光等;
(3)接收机的稳定性
在使用过程中不应因环境条件的改变而发生变化,使工作性能变坏或不能工作 J。而满足以上条件的最佳状态就是恒虚警控制技术,所谓恒虚警(CFAR)控制技术其思想是在检测系统中检测器的增益能够适应背景杂波的变化,并使杂波起伏对虚警概率的影响最小化。
接收机恒虚警设计包含两个方面:
(1)APD(Avalanche Photo Diode)偏压电路设计;
(2)放大器增益控制电路TGC设计。
4.2 APD偏压电路设计要求
脉冲激光测距机接收机通常采用低噪声的硅雪崩二极管(SiAPD)作探测器,雪崩二极管(APD)具有体积小、速度快和可靠性高的优点,它是目前可见光和近红外区的主要探测器之一L6。雪崩光电二极管只有当倍增因子 取最佳值时才能达到较高的探测率。对于在野外工作的光电探测系统,为了在不同温度和背景辐射的情况下都能获得最佳倍增因子,偏压控制电路的设计显得尤为重要 ,而雪崩光电二极管在应用中的主要技术问题是采取恰当的工作偏压补偿措施,使它工作于最佳倍增工作状态。
温度与APD增益的关系是:当APD的温度升高时,APD的增益降低;反之,当APD的温度降低时,其增益将增加。温度升高则雪崩击穿电压也相应加大。阻挡层为100 m的硅雪崩光电二极管 的关系曲线如图4所示。传统的方法是利用热敏元件温度特性来控制电路的变换,电压随温度而发生改变,以达到对偏压的温度补偿,但这种方法通常很难实现全温度
范围内的良好补偿。
声与APD增益的关系是:当噪声增大时,需降低偏置电压;噪声减小时,提高偏置电压。传统的方法是利用对信道模拟积分的方法来反馈控制偏置电压,达到对偏置电压的噪声补偿。
4.3 放大器增益控制电路TGC设计
众所周知,以雪崩管作为探测器的激光测距机是为了解决大气近程后向散射对激光测距机测距的影响,都设计有对放大器增益进行控制的TGC(Time Gain Contro1)电路,使增益随测程增大而增大 J。当军用激光测距机发出激光后,在行程1 km左右的距离内,激光的后向散射是很严重的,因此很多设计中常采用RC延时电路,如图5所示。放大器 ,电阻尺⋯ 电容C 组成延时电路,当 。 信号传来后,由于电容的充电时间,经过6~ 8 s后,放大电路的增益才达到最大。然而该设计是有局限性的,由于TGC增益曲线形状固定,很难同时满足亮、暗背景条件下对理想曲线的拟合。白天亮背景条件下调整好的近控曲线,到晚上测距时,由于晚上光背景噪声减弱,通过APD反馈控制表现为偏压升压,因此近程控制曲线就不能很好地抑制激光束回散噪声;同理,当晚上暗背景调整到理想状态时,则白天由于APD偏压降低,使得近处目标幅值过小而无法被检测到。
4.4 恒虚警接收机设计
本文结合APD偏压控制和TGC控制的特点,采用数字反馈控制的方式,实现了测距通道量程内的恒虚警控制。
4.4.1 恒虚警控制原理
(1)APD虚警偏压控制原理
雪崩光电二极管的击穿电压本身就是背景光强和环境温度的函数,只要使偏压自动跟随击穿电压变化,并接近击穿电压就能实现对背景辐射感生的光电流 和温度 的补偿,保持 基本不变。根据雪崩击穿时噪声急剧增大的特点,可将检测到的雪崩噪声(虚警信号)去控制偏压,这就是虚警偏压控制的设计思想 J。
当APD雪崩击穿时,产生的大量噪声经放大器放大后,通过阈值比较器转换成虚警脉冲,检测这些虚警脉冲的频率,从而得到每秒噪声过阈的平均值,即:虚警率(FAR)对应于雪崩击穿的FAR往往相当大,此时光电接收系统的信噪比会大为降低,为使系统具有最大信噪比(雪崩管获得最佳倍增因子),必须在探测前使偏压下调击穿电压的8%左右,并保持不变。
(2)放大器增益控制电路AGC控制原理
采用模型参考自适应控制原理,参考模型为RC电路形成的电压控制曲线。通过测量的方法确定常温,能见度大于10 km时,由不同APD偏压对应的RC值,制作成表。当出现某偏压时,就对应输出 一 曲线。在测距过程中对1 km内的虚警进行统计,当其大于阈值上限时,就适当增大RC参数值,当其小于阈值下限时适当减小RC参数,是AGC控制曲线满足要求。
4.4.2 数控恒虚警硬件实现原理
基于恒虚警控制原理,利用微控制器便于对数据采集、处理的特点,设计了一个软硬件相结合的数控恒虚警控制电路。数控恒虚警的硬件原理框图如图6所示。其核心是NXP公司的LPC1758微控制器,LPC1758外设组件配置包括512 KB片内Flash程序存储器、64 KB片内SRAM,4个32位通用Timer,1个10位DAC,1路通用DMA控制器_l 。本设计采用主频100 MHz,可以满足精度及计算需求。其中Timer具有捕获功能,即当引脚上有上升沿(或下降沿)时,会将计数器的当前值保存到捕获寄存器CR中。这样通过连续不断的读取Tim—er,便可实现对信道中脉冲的采样,该采样信息不仅包含脉冲个数,而且包含脉冲的时间分布信息。此外,其DMA可以驱动DAC,通过这样可以在实现发射激光后的10 s内,内核读取信道脉冲的同时,而DMA驱动DAC产生AGC控制曲线。
(1)数控偏压源工作原理
APD到片内Timer构成了输入端,片内SPI到APD构成了反馈控制端。该电路具有原理结构简单、可全温度范围内精确补偿且具有高度的灵活性和适应性等特点,适合为各种APD提供偏置电压。其工作过程为:偏压先由低迅速升高,接近击穿电压时,雪崩光电探测器输出大量噪声,这些噪声经放大后送阈值电路,过阈噪声被脉冲成形电路整形、展宽为虚警脉冲再由LPC1758的Time口输入,微控制器内部的Timed),Timer1分别设置为32位的计数器和定时器,并通过程序控制单机在 的时间内使 对输入的虚警脉冲计数得到FAR,微控制器判别出最佳偏压,并给出偏压数据信号,通过片内SPI驱动D/A转换器MAX53输出偏压的数控电平,由于负反馈的作用,偏压将始终稳定在与数控电平对应的最佳工作电平上。
(2)数控AGC工作原理
APD到片内TimerO构成了输人端,片内D到放大电路构成了反馈控制端。该电路具有原理结构简单,可在各种背景条件下精确调控AGC,适合为各种放大电路提供增益控制。其工作过程为:先设Timer0为捕获工作方式由数控偏压对应的RC函数,通过查表法确定一条AGC控制曲线。当发射激光时,通过DMA驱动DA输出该AGC控制曲线,同时后向散射虚警脉冲由LPC1758的Timed)口输入,微控制器内部的imer0设置为32位的捕获工作方式,内核对该时刻的Timer0的CR0进行连续读取,获取后向散射虚警脉冲数。微控制器判断其工作状态,给出调整后的RC值,设计出下一次发射激光时的AGC控制曲线。这样由于负反馈的作用,AGC控制曲线将在最佳工作状态上。
4.4.3 数控恒虚警软件流程
首先,在收到测距指令后和发射激光的间隙进行最佳偏压 的确定,方法为:每次1 ms的时间检测虚警率FAR以判断雪崩管是否击穿,若未击穿,则使输出的偏压控制数据加5;若击穿,则以每次10 ms的时间检测FAR,并使输出的偏压控制数据减1,让偏压下调,当FAR≤ 时,程序给出最佳偏压控制数据并保持不变。片内SPI置偏压时,首次置电压为240 V,以便加快偏压建立的速度。同时对最高和最低电压有限制,超出范围时认为设备有故障。
其次,根据雪崩管偏压查表法对应出一条AGC控制曲线参数(与原RC确定的曲线功能相同,但曲线设计更灵活,更精确),放人数组A,在发射激光前启动DMA,DMA根据数组A驱动DA产生AGC控制。在启动DMA后马上发射激光,然后内核开始不断读取CR0寄存器并放人指定数组B,可以测量出1 km距离范围内噪声的数量及分布,这样就构成了反馈控制,通常发射几次激光后,就能使AGC曲线满足测距要求。
5 结束语
在研制某新型激光测距机时,将该技术进行了应用,并经历各种复杂环境试验及外场试验。结果表明:该设备性能稳定,调试简单,相对同类产品测距威力和环境适应性均有所提高。
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