一种应用于高精度脉冲激光测距的自动增益控制方法
一种应用于高精度脉冲激光测距的自动增益控制方法
作者:郭颖;陈弈;黄庚华;舒嵘
脉冲激光测距仪通过测量激光脉冲往返时间来测定目标相对距离 ,在近程 (几十米 )测量中 ,其单次测量精度已经达到毫米级。作为一种可以快速获取目标精确距离信息的有效手段 ,高精度脉冲激光测距在诸如工业现场非接触测量、激光三维扫描、航天器交会对接等领域都获得了广泛应用。
脉冲激光测距仪一般用于测量非合作目标。在近程测距应用中 ,由于目标距离、反射特性等在大动态范围内变动 ,激光回波脉冲功率会发生剧烈变化。而为了保证高精度的距离测量 ,回波探测放大系统必须严格工作在线性区避免探测到的回波脉冲饱和失真 ,同时 ,其输出的信号脉冲幅度需要稳定在一定范围内以减小时刻鉴别带来的距离行走误差 。
在回波功率大幅度变化的情况下 ,实现高精度测距需要在回波接收系统中引入自动增益控制技术。传统上通常采用时变增益法补偿距离改变造成的回波功率变化 ,这种方法对增益控制响应速度要求较高 ,此外还缺乏对目标和背景的适应能力。芬兰奥鲁大学研究人员采用衰减器结合幅度探测手段对接收机进行自动增益控制 ,有效提高了近程测距精度 [ 3 ] ,但是该方法缺乏对背景光噪声变化的适应能力。本文首先分析了脉冲激光测距回波接收系统增益控制手段及范围 ,在此基础上提出了一种基于回波幅度和噪声探测的自动增益控制方法 ,给出了实现该方法所需要的关键技术解决方案 ,最后进行了实验验证。
2 回波接收系统自动增益控制原理分析
激光测距仪回波接收系统的增益由光增益和电增益两部分组成。相对于光增益 ,电增益的调整一般通过改变电路放大倍数实现 ,具有调整速度快、易集成等优点 ,便于进行自动增益控制。因此 ,本文针对接收电路增益的调整 ,讨论高精度激光测距仪的自动增益控制方法。
针对高精度脉冲激光测距所探测的光脉冲较窄 ,信号较弱的特点 , 经常选用雪崩光电二极管(APD)作为光电探测器 ,它具有内增益高、响应速度快等优点。回波接收电路应具有与所探测光信号相匹配的带宽 ,一方面保证探测到的信号脉冲不失真 ,另一方面尽可能的抑制系统噪声。为了同时满足接收带宽和放大增益的要求 ,接收放大电路通常由一级跨阻前置放大器和一级主放大器组成。图 1是基于雪崩光电二极管 (APD )的测距仪回波接收电路框图。APD将光脉冲信号转化为电流信号 ,通过跨阻前放放大为电压信号 ,再经过可变增益主放大器调整到可以进行时刻鉴别的幅度。
回波接收电路是一个多级探测放大系统。
接收电路增益控制的目的一个是使回波脉冲信号探测放大处于线性区 , 另一个是将输出信号和噪声幅度控制在高精度时刻鉴别 (通常采用恒定比值体制 )的最佳幅度范围内。式 (1)中 ,ρ是与 APD有关的固定值 ,而为了保证前放带宽和降低前放噪声 , RF 通常也是一个确定量。因此 ,对接收电路增益的调整主要依赖于 APD的倍增因子 M 和主放大器的增益 A。
主放大器是一个可变增益放大器 (VGA ) ,通常具有较大的增益调整范围 ,可以通过改变控制电压调整增益并在调整过程中维持带宽恒定。VGA 对高精度测距的主要影响是在不同的增益下 ,其对信号的群延时会有一定变化。这作为一项固定误差可以通过每次测距记录增益值的方式进行标校消除。
根据上面的分析 ,高精度脉冲激光测距自动增益控制可以通过根据信号幅度和噪声探测的结果自动调整 APD偏压和主放大器增益的方式实现。
通过调整接收电路增益的方式扩展高精度测距回波接收功率是有限度的。最小回波接收功率主要受探测系统噪声的限制 ,最大回波接收功率则同时受最大线性输出电流和跨阻前放最大线性输入电流 Iin的限制。
噪声均方根幅度除由一些固定参数决定外 , 还受背景光功率等动态参数影响。高精度测距要求回波信号具有低噪声以保证高信噪比和低虚警率。因此 ,在探测比较微弱回波信号时 ,主放大器增益 A的提高会受到输出噪声的限制 ,存在一个随背景光强度变化的动态最大增益 Amax( Pdc ) ,此时输出噪声均方根幅度达到极限值 Vth。
理论上讲 , 测距仪接收电路对峰值功率处于[ Ppm in , Ppmax ]之内的回波脉冲都可以通过增益控制的方式实现线性探测放大和满足高精度时刻鉴别 ,从而维持较高的测距精度。
3 回波接收系统自动增益控制关键技术
3. 1 接收电路自动增益控制流程
跨阻前放输出脉冲信号的幅度(记为 VP1 )和系统最终输出脉冲信号的幅度 (记为VP2 )分别由两个幅度探测电路获得 , 系统输出噪声均方根幅度 (记为 Vn )由噪声探测电路获得。通过这三项参数动态的控制 APD偏压和 VGA 增益 , 在维持低虚警率的前提下保证线性探测放大和控制输出脉冲信号幅度。
其主要思想是 , VP1未饱和情况下 , 根据温度变化进行偏压补偿使得倍增因子处于最佳值 Mop t , 若VP1出现饱和 , 则对 APD 偏压进行调整以获得一个较低的倍增因子避免前放输出饱和。同时 ,在保证Vn 未超过极限值 Vth的前提下 ,不断调整 VGA的增益 A直到 VP2处于 [VoutL , VoutH ]内。
3. 2 信号幅度探测电路的设计
为了实现自动增益控制 ,接收电路必须具备自主测量回波信号幅度的能力。回波幅度表现为电脉冲的峰值 ,是一个瞬态量 ,需要结合峰值保持和模数转换完成测量。峰值保持电路通常用保持电容来维持峰值供 ADC测量 ,主要分为电压型和跨导型两种 。针对激光回波脉冲具有窄上升沿的特点 ,结合两种方案采用两级峰值保持的方法可以在保证响应速度的同时降低下降速率 ,提高对窄脉冲信号峰值测量的精度。
第一级峰值保持器利用较小的保持电容和较短的闭环路径来提高响应速度和抑制过冲 ,再经过一级具有较大保持电容的峰值保持器可以有效地降低其下降速率 ,提高采样精度。
3. 3 噪声探测电路的设计
对输出噪声测量的主要目的是在高增益下探测较微弱信号时维持低虚警率。接收电路输出的宽带噪声可视为白噪声 ,其均方根幅度可以由阈值探测下单位时间内噪声电压过门限的的次数来衡量 。实用中 ,可以将噪声电压输入高速比较器与一定阈值比较 ,比较器输出的脉冲速率即反映了噪声电压均方根的大小。回波接收电路带宽较高 ,噪声过门限的时间一般也很短 (通常在纳秒级 ) ,所以应选用超高速的 ECL 比较器并结合脉冲整形电路来实现噪声脉冲计数。应当指出的是 ,这种噪声测量方法是基于概率统计模型的 ,并不是一种准确的测量方法 ,实际上也很难对动态变化的噪声幅度进行准确测量。因此 ,在利用噪声计数的结果判断噪声大小控制系统增益时 ,需要留有一定的余量。
4 实验系统及结果分析
自动增益控制结构和上述的关键技术 ,设计了含有自动增益控制的回波接收电路 ,其增益的改变通过调整 APD 偏压和 VGA 增益实现。通过调整偏压实现 APD倍增因子 5倍的动态范围 ,结合 VGA的增益控制 ,接收电路增益总的设计调整能力为 200倍。
首先测试了接收电路不同增益对带宽的影响。主要方法是通过手动调整的方式设置不同的接收系统增益 ,然后使用超窄脉冲激光器 (脉宽小于 1 ns)测试不同系统增益下输出响应信号的上升时间。由于测试的激光脉冲具有极窄的上升沿 ,输出响应信号的上升时间基本上可以反映接收系统带宽。表 1给出了测试结果。
从测试结果可以看出 ,在不同的系统增益下 ,系统响应上升时间变化很小。这表明 ,本文采用的增益调整方式可以在增益控制过程中维持基本恒定的带宽 ,从而避免探测回波信号失真 ,保证高精度测距。为了对回波接收系统自动增益控制效果进行测试 ,设计了实验系统如图 5所示。脉冲激光器对固定目标发射激光脉冲 ,含有自动增益控制的接收系统接收目标回波。衰减片组用来模拟回波功率的变化 ,示波器用来观测自动增益控制接收系统输出的回波脉冲信号幅度。
实验过程中 ,最佳输出信号幅度范围确定为[ 0. 5 V, 2 V ] ,一般恒定比值时刻鉴别器在此动态范围都具有很小的距离行走误差 。同时为了避免信号小的起伏以及峰值采样误差引起的增益频繁变化情况 ,将结束一次增益控制的脉冲信号幅度范围设置为 [ 1 V , 1. 5 V ]。一旦信号幅度超出[ 0. 5 V, 2 V ]范围 ,开始进行一次增益调整直至信号幅度处于 [ 1 V, 1. 5 V ]中或到达可调增益极限结束。回波功率大范围变化情况下 ,示波器观察到的经过自动增益控制后接收系统稳定输出的脉冲幅度 ,图中回波功率相对最小有效接收功率Ppm in进行了归一化处理。
从实验结果可以看出归一化回波功率从 1到300变化过程中 ,输出信号脉冲始终未饱和 ,其幅度被有效地控制在 [ 0. 5 V, 2 V ]范围内。而在归一化回波功率为 0. 5和 500时 ,由于超出了接收系统增益控制范围 ,输出信号脉冲幅度分别出现了过低和饱和现象。在最佳信号范围内幅度的起伏主要是由增益控制策略引起的 ,这种起伏造成的测距误差可以通过恒定比值时刻鉴别消除。
5 结 论
本文提出的根据信号幅度和噪声探测结果控制APD偏压和 VGA增益的自动增益控制方法可以根据回波功率和噪声的变化情况动态地调整接收系统增益 ,在回波功率大动态范围变化的条件下保证线性探测放大和控制信号输出幅度。利用这种方法 ,结合恒定比值时刻鉴别器 ,可以有效地扩展高精度测距的回波功率动态范围。
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