一种抑制脉冲激光测距机低温虚警的方法
一种抑制脉冲激光测距机低温虚警的方法
作者:张文海;李松山;王岳
脉冲激光测距仪机作为一种距离测量手段,在军事应用中被广泛地使用,虚警率是该产品的一项重要性能指标,在其研制、生产以及交付用户使用的过程中,往往会出现产品在常温及高温工作过程中都能够满足虚警率指标,而在低温工作时会出现虚警率超标的现象。
对于工程中较为常见的基于噪声闭环对雪崩管进行偏置控制的方法而言,降低低温虚警,常见的解决办法是调节雪崩管噪声闭环控制回路的门限比较电压,从而调整环路的控制参数,使雪崩管工作时的偏置电压有所降低,直到满足指标要求为止,但是采用该措施会造成在同样背景情况下,高温工作时的置电压会有所相应降低,从而降低了设备在高温工作时的探测灵敏度。在有效抑制低温虚警的同时,而不降低高温工作的探测灵敏度,是本文研究的主要内容。
2 产生虚警的原因分析
激光测距机虚警产生的原因有很多,也有专门的文献进行分析。本文所述的现象,基本排除了干扰虚警的原因,即主波形成的干扰、大气后向散射的干扰、无效测距周期满数后的干扰,问题来源于噪声虚警,主要集中在雪崩管暗电流噪声、电路热噪声以及控制电路中元器件在高低温条件下参数性能变化对噪声控制回路的影响。雪崩光电二极管工作时需要外加偏置,其电流增益( 也称作倍增因子,用 M 表示) 是偏置电压的一个函数,在某低温环境下。军用激光测距机不但工作温度范围比较大,而且工作背景也比较复杂,噪声闭环控制回路的噪声主要来自背景光噪声、雪崩管暗电流噪声、电路热噪声及过剩噪声等,而且该控制回路通常会具有一定的调节范围。
当反向偏置电压 VA 较低时( A 点以左) ,能够产生光电激发,但不产生雪崩效应。随着 VA 的增加,将引起需崩效应,倍增系数 M 增大,当 VA 足够大时,倍增系数很快增大,同时暗电流 ID也增加,这将使得噪声加大。当 VA 超过一定数值后,例如 M 曲线上的 B 点,将容易产生雪崩击穿。雪崩光电二极管一般工作在倍增系数斜率较大,而偏置电压又略低于击穿电压的区域,也就是从 A 点到 B 点,比较接近 B 点的地方,而且要低于出现POP 噪声时的电压,此,雪崩增益很高,暗电流噪声比较小[4],虚警很少,这是偏置控制电路所需要达到的设计目标。
在对雪崩管的偏置电路进行研究之后,对光电探测器进行测试,以目前激光测距机中常用雪崩光电二极管 C30950E 为例,用 APD 测试仪所测试的信号强度和噪声强度曲线设定温度为 -20 ℃,当前工作温度为 - 18 ℃,曲线 A 为信号强度,曲线 B 为噪声强度。雪崩管的增益、噪声特性与反向偏置电压的变化趋势比较吻合,当工作温度为 - 18 ℃时,偏置电压控制在 300 V 左右比较适合。出现POP 噪声时的雪崩管偏置电压与温度的变化规律,在整个工作温度范围内,该电压具有很好的线性度,变化率约为2 V /℃,与器件资料中的 2. 5 V /℃ 比较接近。当工作温度为 - 20 ℃,出现 POP 噪声时的偏置电压为350 V,因此要满足较好的信噪比,由图 2 可知,偏置电压最小要降低50 V。以固定噪声比较门限闭环控制的电路设计为例,在温度为 30 ℃ 时,出现 POP 噪声时电压为461 V,测距时降压 20 V,虚警就能满足要求,依此降压比例计算,当温度为 - 40 ℃ 时,测距时的偏置电压应为 299. 3 V,但在实际工作时,暗背景条件下,CH1 为回波信号,CH4 为偏置电压,不进行测距时都会出现噪声虚警,且随机性很强,如若测距,必然会出现虚警,由此证明要消除虚警,还需要降低偏置电压。
3 降低低温虚警的措施
具体的措施是在现有噪声闭环控制电路的基础上,增加门限控制、噪声检测电路,同时利用单片机对雪崩管工作时的温度进行采集,由程序对噪声闭环控制环路进行智能调节。系统上电初始化之后,单片机通过温度传感器对雪崩管工作环境的温度进行采集,经过数据分析,对门限控制电路输出初始比较电压,并记录噪声检测电路在固定时间间隔内出现的噪声个数,如果太少,证明偏置电压还比较低,需要继续升高电压,随着偏置电压的增加,在这个时间间隔内的虚警检测电路中噪声个数就会越来越多,达到系统的设计值后,需要下调偏置电压,但是由于 DC /DC 模块的响应速度较慢,难免会出现偏置电压过高、噪声幅度大、信噪比较差的过冲现象,此时还要调节门限控制电路的比较电压,令偏置电压降低,如此反复,从而找到一个比较好的门限值,最终实现偏置控制电路的自闭环,使虚警得到抑制,满足系统的指标要求。改进后的电路,在整个工作温度范围内,雪崩管偏置电压与温度的变化规律,当温度为 - 40 ℃ 时,在暗背景条件下,其工作信号波形回波通道噪声信号,均方根电压值比较小,而且该电路在全工作温度范围内,将噪声都控制在一个相对比较恒定范围之内。
含有上述前端接收电路的脉冲串激光测距机,在能见度一般的条件下,对飞行高度为 3 km、迎头飞来的小型战斗机最远测量距离为 37 km,具有较高的探测灵敏度; 采用该偏置控制电路设计的激光测距机,近几年来,无论是在出厂检测环节,还是在交付用户使用的过程中,在满足系统作用距离指标的前提下,均未出现低温虚警超标的情况。
4 结束语
由此可知,采用基于噪声闭环控制的智能调节方法对激光测距机低温虚警的抑制是有效的,该方法是在以往雪崩管偏置控制电路基础上的改进。由于其采用程序控制对偏置电路进行调节,而不改变信号放大部分电路的增益,因此只要将回波信号放大部分电路和偏置控制部分电路分别调试完毕后,按照信号之间的连接关系连接后,激光测距机的前端接收电路就能够正常工作,不需要再对电路参数进行其他调整,调试非常简便,而且易于进行批量化生产。由于其对噪声虚警的判别采用的是固定门限,所以对单脉冲测距体制和脉冲串测距体制,该电路都适用。当然,有效地抑制虚警和进一步提高探测灵敏度也有矛盾的一面,因此一方面还需要进一步改进偏置电路的控制算法,另一方面采用脉冲串的测距体制也是一种不错的选择。
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