一种脉冲激光测距机回波放大电路的设计
一种脉冲激光测距机回波放大电路的设计
作者:宋建华
1 脉冲激光测距原理
激光测距可分为脉冲测距和相位测距,脉冲激光测距精度一般为“米”数量级,其测量距离远,广泛应用于军事以及工程测量中[1]。脉冲激光测距机测距原理示激光测距机以给定频率向待测目标发射激光脉冲,同时主波采样电路将采集到的激光主波送到数据处理单元,作为测距计时的启动信号。激光束经待测目标反射后,其回波信号被接收单元的光电探测器接收,经放大整形后变为数字信号送到数据处理单元,作为测距计时的停止信号。数据处理单元根据启动信号和停止信号计算出主、回波之间的时间间隔,进而可推算出目标距测量点的瞬时距离。
2 激光回波放大电路
激光测距机近距离测距时,进入接收通道的不仅有待测目标的反射光,同时还有大量的非目标反射光、地面反射光以及大气反射光。这些反射光的光程差很小,进入接收通道后叠加形成噪声,与待测目标反射信号混杂在一起。如果此时激光回波放大电路增益很高,将噪声和有用信号一起放大,阈值判别电路将难以区分有效回波信号,给信号处理带来很大的困难。当测距机进行远距离测距时,待测目标反射信号很弱,甚至淹没在背景噪声中,用示波器也难以观测到。这种情况下,需要将放大电路的增益升高,使有效信号幅值超过阈值判别电路设定的门限,保证后续的数据处理顺利进行。
根据上述对激光测距机近、远不同测距情况的分析,针对近、远测距的特点,可以设计一种具有时控增益技术的放大电路,以保证测距机在近距离测距和远距离测距时,都有很高的回波有效率。该放大电路由两部分构成:时控增益电路和两级放大电路。时控增益电路主要是给放大电路提供随着系统时序而改变的增益控制电压,两级放大电路负责把待测目标反射回来的小信号放大,便于后续数据处理。
2.1 时控增益电路
时控增益电路是利用测距机系统时序为放大电路提供一个增益控制电压信号,其大小随着测量距离的远近而作出相应调整,也就是测距机测量近距离目标时,放大电路增益很小甚至不放大,让放大后的噪声信号幅值小于阈值判别电路设定的门限。随着测量距离由近及远,放大电路增益由小逐渐增大,当接收通道的来自各方面反射光叠加作用可以忽略不计的时候,让放大电路增益完全放开,使有效信号幅值达到最大,超过阈值判别电路设定的门限,保证回波有效率。实际设计的时控增益电压曲线如图 2 所示,当增益控制电压最高时,放大电路增益最小,随着测距机测距指令的发出,测距开始,增益控制电压逐渐下降,放大电路增益逐渐增加,在某一时刻之后,增益达到最大。这个时刻的选择可以根据实际测距情况反复试验来设定。
2.2 两级放大电路
本文选用美国 ADI 公司生产的集成运算放大器AD603,它是一个低噪声、90MHz 带宽、增益可调的集成运放,可应用于射频自动增益放大、视频增益控制、A/D 转换量程扩展和信号测量系统[2]。AD603 增益控制接口的输入阻抗很高,在多通道或级联应用中,一个控制电压可以驱动多个运放,同时,其增益控制接口还具有差分输入能力,设计时可根据信号电平和极性选择合适的控制方案。
将两片 AD603 顺序级联,就构成了两级放大电路,原理图如图 3 所示。本电路采用顺序级联方式,即将两片 AD603 的 GPOS 端直接相连,并用增益控制电压信号驱动,而两芯片的 GNEG 端分别加一个稳定的电压。随着增益控制电压信号的变化,当第一级的增益达到最大时,第二级的增益才从最小值开始递增。该两级放大电路测试信号波形。其中,一通道为输入脉冲信号波形,二通道为一级放大信号波形,三通道为两级放大信号波形。经试验验证,该两级放大电路增益可达 58dB,能满足实际测距需要。
2.3 电路设计注意事项
由于待测目标背景复杂,激光反射回来进入测距机接收通道的信号很弱,经光电转换后信噪比仍然较低,而激光回波放大电路增益比较高,电路易被外界干扰产生自激振荡。因此需要进行一定的抗干扰措施,以减少电路的噪声,提高放大输出信号的信噪比。为此可以采取下列几种方法:
①将电路装在屏蔽盒中,避免外界的电磁干扰。
②电路采用多点接地,部分电容电阻采用贴片封装,输入级信号连线尽可能短。
③电路连到供电电源的导线使用带屏蔽的同轴电缆,将屏蔽层(金属网)接地,减少干扰。
④电路的供电电源采用 π 型滤波,电路印制板进行大面积覆铜,并将覆铜接地。
3 结语
本文从激光回波放大电路的设计角度来阐释脉冲激光测距机如何实现宽范围测距,实际应用中,还需要配合一些其他技术,诸如适时调节激光器发射能量、改变接收传感器灵敏度等方法来达到宽范围测距的目的。
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