TEA/CO 脉冲激光测距机的EMI对策
TEA/CO 脉冲激光测距机的EMI对策
作者:王建军;姬红兵
1 引言
CO 激光波长为10 6 m,与波长为1.06,um 的YAG 激光相比,因其显著的波长优势而较少受气象状况的影响,对战场烟雾有较强的穿透力,尤其适合火控系统和精确制导的需要。鉴于此,业界人士认为,国内现有的YAG激光测距系统市场有被TEA/CO 激光测距仪系统代替的趋势。
国内外工程实践表明,降低EMI(电磁干扰)、提高系统EMC(电磁兼容)能力已成为脉冲激光测距系统总体设计工作中最需要优先考虑的问题。本文仅就研制过程中的EMI对策进行讨论。
2 系统中的主要EMI来源
TEA/(20 激光测距机的测距体制为常规脉冲测距方式,其电系统由脉冲激光发射机、激光接收机、信号检测、测距与录取显示系统等部分构成(见图1)。其中激光发射机及其高压电源是EMI的主要来源,而激光测距机的小型化使得EMI同题更加严重 因为,发射机kV、kA级的脉冲放电与接收机vV 级的信号同机并存。
2.1 激光发射机的电结构
激光发射机的电原理图见图2。小型TEA/(2O 激光管的脉冲重复频率为20PPS,这使该测距机具有资用信号能量高及传播衰减小的优势。电感L、无感电容c 、G 和触发放电管等高压元件构成高压电脉冲调制电路。激光管在电脉冲存续期间输出激光脉冲 由测距系统产生的系统定时脉冲触发高压脉冲产生器,转换成lOkV左右的高压脉冲,使气体放电,触发管导通。无感高压电容C。中所充25kV左右的高压储能可供激光管的电极之间进行辉光放电而输出激光。
2.2发射机的EMI问题
脉冲激光测距机最强的EMI源是激光发射机。触发管导通时,各相关高压元件的端、线的电压变化率在25kV/100ns量级,主放电回路瞬时电流高选kA 级,在发射机周围空间激发极强电磁场,以辐射和传导两种形式传播。其强度可由下面实验看出:在主回路放电时,发射机腔内金属构件间相距近的端头间亦会爆出放电火花(如果其间包围了小块面积的话)。若处置不当,不仅微电子系统工作受干扰,而且容易导致微电子系统中器件的大面积损坏,使修复工作困难。
在发射机中,具体的EMI源有:① 高压脉冲产生器的开关器件导通时产生的传导干扰和高压脉冲变压器产生的脉冲电磁辐射{② 触发管阴阳极间放电电弧透过陶瓷管体的脉冲电磁辐射}③ 激光管内电极放电使其外围电路引发脉冲传导干扰及电磁辐射;④ 多只高压无感电容开放式的极间电场,各电极端子、汇流排以及高压引线等高压元件周围的电场,在放电期闻的脉冲电磁辐射;⑤ 在高压存续期间所有高压元件、端子和高压线周围的电晕产生的持续电磁辐射。
激光发射机在出光前共发生三次放电:触发脉冲产生器对触发管的触发、触发管的导通以及激光管的放电。三次放电所产生的EMI若进入微电子系统中,会激励起衰减电磁振荡,并可能会一直持续到出光时刻;若过多地泄漏到主探测器及其放大器中,则会妨碍激光主波信号的提取,从而限制测距精度。回波探测器输出信号幅值在微伏级.抗噪声措施不充分仍将导致这样的问题,即泄漏到回波探测器及其前放的各次放电脉冲干扰,使前放陷于深度饱和。若饱和期及恢复期过长,还会影响最小可探测距离3 系统的EMI对策EMC问题是国内外脉冲激光测距机的研制工作者们所面临的最棘手的问题之一,必须在整机总体设计时给予充分考虑。为此,我们采取下面措施来处理好这种kV、kA级放电与 V级信号共存的EMC问题。
3.1 发射机的EMI对策
(1)在整机结构设计时充分考虑发射机的EMI对策,必须将电系统各部份置于各自的金属腔内。 ,分别屏蔽并注意相互位置的配合及布线路径,严格避免连接低电平系统的导线(包括屏蔽电缆)途径发射机腔。J整机构架用铝合金整体铸造,在满足精密光学系统机械稳定性的同时,亦满足了EMC要求。
发射机放电电流若流经机架,会在机架其它部分相距不太远的两点间(比如两放大模块间.或其它低电平系统之间)建立起足够大的脉冲电势差,破坏电路的正常工作,甚至损坏器件。电装时容易发生的错误是;将发射机的几个元件中该接地的一端,分别固定在机架上,试图借助机架来减少引线阻抗,但该方法却破坏了整机系统的EMC性能。正确的做法应该是;采用足够宽的铜带以获取低电抗;采用足够大的横截面积以获取低电阻;建立专门的放电回路来保证激光管有足够的脉冲功率,而回路仅单点(小区域)与机架相连。另外,应尽量使放电回路所包围的面积达到最小,以减小电磁辐射。
(2)将与发射机放电回路有密切联系的、自身亦为强干扰源的高压电源、高压脉冲产生器与微电系统均采用光电耦合器隔离,以隔断传导干扰。
高压脉冲产生器的电源不能与系统微电路电源共用变压器,须对各自的绕阻内外均进行静电屏蔽。普通订制的变压器,其静电屏蔽层用一端开路的漆包线单层绕制而成,从理论分析与实践结果两方面来评估,这样做对高频信号不具备隔离作用,应当采用铜箔包绕一匝,在重叠端头处垫纸绝缘。
3.2 降低高压电源的EMI
在电源设计与制作过程中联合采用多种适用的降低噪声措施。这些措施包括:
(1)开关电噪声是开关电源电噪声的主要根源。应放弃现行的PWM 变换器结梅,采用难度较高的谐振式变换器结构,这样可以显著地降低开关时刻主开关器件所承受的电压应力与电流应力,在 降低开关功耗的同时亦降低了开关电噪声。但谐振式变换器存在的问题之一在于稳压难度大。高频谐振变换器将是未来开关电源的流行结构模式” 。
(2)对高压开关电源进行电和磁的屏蔽以降低电磁辐射。考虑到25kV高可靠高频变压器的绝缘要求与散热要求,该变压器漏感较普通低压的高频变压器漏感要太。故整个电源的屏蔽材料同时亦应具备一定的磁屏蔽能力。较合适的材料是坡莫合金 。
(3)对高低压各电源的市电进线均采用标准的共模/差模EMC滤波器,以衰减内外传导性互扰 。对25kV 高压出线采用高压LC元件隔离,防止发射机主放电期间产生的强电磁干
扰沿高压线逸出,以避免微电子系统对高压开关电源本身工作状况的干扰。
3.3 系统的EMC措施
(1)针对激光测距机重复周期长达数十ms或更高而回渡信号占据区间却不会超出1ms的特点,令高压开关电源从系统定时脉冲前开始,在lms内禁止其主回路工作则可大幅度降低激光接收机抗干扰工作的难度。在接收机工作期闻,高压电源的主要EMI来源中断.而发射机放电后,发射机与高压电源均无高压输出,故高压电晕的持续干扰亦消失。充分利用脉冲激光测距机所独具的超长休止期特点可使接收机的EMC工作能力上一个新台阶。
(2)在主波信号通道上闭塞可能出光时刻前的干扰 在出光前共有三次放电产生干扰,最后一次放电与出光间约有0.5 s的延迟可利用,但需设法减小系统触发到最后出光之间的延迟抖动。
(3)在回波信号通道上闭塞从定时脉冲开始到系统最小可测距离(盲区)间的干扰信号,
(4)对回波信号的检测采用二进制积累。这不仅能充分利用信号能量,较好地完成噪声背景下的信号检测,还可以有效地削弱大尖峰脉冲干扰的影响。我们知道,经过第一门限比较后,无论干扰幅度有多大,也只出现一个“1..信号,所产生的影响有限。而杂乱干扰脉冲重台概率小,不易产生虚警。
(5)录取时采用搜索/跟踪渡门,进一步减小各种杂散电磁干扰的影响。
(6)数字系统主频为30MHz,它会产生传导与辐射两种EMI且与模拟接收机同时工作.应谨慎对待。须注意遵守常规的EMC规范。
4 结束语
脉冲激光测距机的日趋小型化使系统对内、对外的电磁干扰愈发严重,稍有疏忽便会导致全系统工作性能降低,产生木桶效应。为了解决电磁兼容问题,我们一方面采用二进制积累的信号检测方法,设置多种电路的时序闭塞,并在目标录取时采用跟踪波f1;另一方面采取了结构性电磁屏蔽、电路隔离等电路工艺措施。其中,对高压电源采取降低噪声措施,包括采用谐振式变换器结构,充分利用脉冲激光测距独具的趋长休止期的特点,在工作区间禁止高压开关电源工作,从而可免除其对接收机的持续干扰。实践表明,这些措施均切实可行。
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