机载激光测距机中的硅雪崩管接收系统
机载激光测距机中的硅雪崩管接收系统
吕传信
军用飞机攻击敌人地面设防的时候, 作战效果在很大程度上受距离数据精度的限制。在机载激光火控系统中, 由激光测距仪机提供高精度的斜距信息, 可以大大提高首次命中率, 减少攻击次数, 从而达到保卫自己消灭敌人的目的。
在机载应用中, 要求激光测距机具有体积小、重量轻、重复频率高的特点, 不但在恶劣复杂的环境条件下能稳定可靠地工作, 而且还要不受机上其它设备的干扰和不干扰机上的其它设备。要达到这些要求, 归根结底就是要减小发射功率。实践证明, 采用硅雪崩管接收,可以大大提高接收系统的灵敏度, 从而以较小的激光发射功率, 达到与使用硅光电二极管时同样的作用距离。
一、接收机的设计和调试
激光脉冲回波信号的接收可以简单地看成白噪声中信号脉冲的探测问题。它所依据的是统计检测理论, 工程上用匹配滤波和闭值探测的方法来实现, 这里所说的匹配滤波器是指满足匹配带宽的前置放大器, 而团值探测器是指具有一定触发电平的脉冲成形电路。
接收机的一般设计方法是根据火控系统对激光测距机的战术技术要求, 由探测概率‘和最大测程求出平均虚警率, 再由平均虚警率和脉冲宽度求出虚警率 , 最后根据探测概率和虚警率由图求得信噪比。所得信噪比的大小就是设计前置放大器的主要依据。应该着重指出, 当信噪比降低到和阂值噪声比相等的时候, 探测概率就下降到, 这在工程应用中是不允许的, 它只能用来衡量测距机的极限测程。我们所说的最大测程是保证的情况下的作用距离。
在前放的具体调试中, 首先要保证前放具有匹配滤波器的带宽△ 。, 并且各级主要是前级都工作在低噪声的状态下, 以降低总的输出噪声电平。在这种情况下, 再适当调整放大器的增益, 直到放大器本身的噪声贡献为总输出噪声的左右为止。最后根据峰值信号电压的大小调好输出级的动态范围, 同时兼顾到输出端的阻抗匹配。
二、电路和结构的设计特点
因为雪崩管具有高达近百倍的内增益, 它输送到前放的信号电流比光电二极管输送给前放的信号电流大将近两个数量级, 因此前放的增益可以明显地降低。增大前放输入阻抗所带来的附加输入噪声与雪崩管对前放的榆入倍增过剩噪声相比小得多, 而输入阻抗的增大有利于提高信噪比。实验证明, 输入阻抗增大到几十千欧, 系统的灵敏度有明显地提高而不会影响测距的精度。我们所用的输入级电路如下放大器通频带的低端响应在避过噪声的情况图前放的输入级下, 低端越低系统的灵敏度越高。因为频带的低端响应决定了脉冲的平顶降落, 频带的低端越低, 脉冲的顶部越平, 触发功率越大。我们在调试过程中适当加大级间祸合电容和射极交流接地电容使通带的低端响应在千赫左右。
放大器的输出端不经过电缆而直接与装在放大器屏蔽盒中的脉冲形成电路连接, 被放大的脉冲整形后再送到距离计数器的控制电路, 从而降低了电缆的传输损耗, 减小了辐射电磁干扰, 提高了系统的工作稳定性。通常, 雪崩管偿是工作在接近击穿的负偏压下, 因为在这样的工作点上, 信号电流能得到较大的倍增, 系统的灵敏度高。但是在这样的工作点附近, 倍增因子对偏压的变化率大。偏压的少量变化就会引起倍增因子的很大变化, 从而使系统的灵敏度。
忽高忽低, 甚至还可能导致雪崩管的损坏。另一方面, 即使偏压电源的稳定度很高, 但探测器的雪崩击穿电压也随着温度的变化而变化。℃ ’。这就要求我们设计的负高压电源能够随着电网电压和环境温度的变化而自动跟随上雪崩电压的变化。为此, 在电路设计一我们采取了一些措施, 除了利用前放的噪声放大检波后去控制输出电压的变化外, 自激式推挽逆变器的次级采用多级级倍压整流的形式, 从而减小了逆变器中脉冲变压器的体积脉冲变压器采用坡莫合金环形铁芯, 它的脉冲导磁率高, 激励电流小, 温度范围宽。初级比较放大的两级差分放大器采用集成差分对管, 参数对称性好, 温度补偿范围宽。初级还增加了抗脉冲干扰电路。为了减小输出纹波电压, 除增大滤波电容外, 还增加了纹波抑制网路, 从而大大减小了高压电温度范围一℃一卜℃ 系统都能稳定地工作。
雪崩管前置放大器是一个低噪声、中增益、宽频带放人器, 又是装在干扰场强很大的空间, 没有合理的结构和工艺, 即使电路程式再好, 也难以调试出性能优良的放大器。在结构设计上, 前放和时间一增益自动控电路一起装在一个长方形的盒子里, 两块互相垂直的镀银铜板把前放、主放、负高压滤波电路、自动增益控制电路分成四个空间。这样, 既防止了负高压对前放的干扰, 又能消除因放大器本身的祸合作用而产生的自激。各部分电路用“ 穿墙线” 连接, 结构紧凑, 接地合理, 调试维修方便。印制板采用双面覆铜板, 在印制线的另一面采用大面积接地工艺, 所有接地孔全部金属化镀金并涂保护层。这对消除自激振荡, 抑制干扰, 降低噪声都收到了很好的效果。一个增益为分贝, 带宽为一兆赫的前置放大器的输出噪声只有毫伏均方根值左右。
三、测距试验情况
雪崩管测距机所用光路系统如图所示。测距机的工作物质为Nd:YAG晶体, 采用LiNbO3电光晶体调Q。发射天线口径为φ60毫米, 脉冲输出功率为兆瓦接收天线口径为φ70小毫米, 窄带干涉滤光片直径为φ11毫米,峰值透过波长为1.062微米, 半带宽为170埃,峰值透过率为70%, 在微米处有次峰突起。探测器为西南技术物理所研制的166#雪崩管, 灵敏度R0=0.2微安微瓦(500伏), 当工作电压V=2141伏时M-155。前置放大器的带宽为0.05-33兆赫, 增益为70分贝, 系统的总输出噪声电压均方根值为180毫伏。
用这样一个系统在一幢建筑的六楼对一座山进行测距实验, 于1982年3月5日至20日进行多次实验。与硅光电二极管放大器进行比较的时候, 取下雪崩管放大器和滤光片, 换上硅光电二极管放大器, 测距机其它部分不变。所用硅光电二极管为。, 二微安微瓦, 偏置电压为一70伏。放大器带宽为兆赫, 增益为85分贝, 输出均方根噪声电压为180毫伏, 最大测程为8.6公里, 与1981年在某寺庙野外测距所得的结果相同。相比之下, 雪崩管的最大测程提高一倍以上。
四、例行实验情况
首先把放大器置于一88℃一十60℃的环境温度下, 用一和一观察放大器增益、带宽和输出噪声的变化, 调整放大器直流反馈网络的参数, 直到高、低温下放大器的性能指标不高于或低于常温下指标的为止。再把负高压电源置于同样的环境温度下, 监视输出电压的变化, 调整补偿网络中有关的元件值, 直到电源的温度系数接近十℃ 为止。然后就把探测器、前放、负高压电源组装在一起, 在常温下使系统达到预定的虚警率, 再把系统置于一℃一十℃的温度下, 不调整高压输出电位器, 而反复调整高压电源的有关元件的参数值, 直到高温和低温下出现的虚警率和常温下出现的虚警率相同为止。这就说明电源电压的变化跟踪上了探测器雪崩电压的变化, 从而保证系统在高低温下工作和在常温下工作具有相同的灵敏度。
我们在装配前对电子元件进行了认真和细致地老化及筛选, 使系统的高、低温试验能比较顺利地通过,由于受条件的限制, 还有一些工作, 如各种参数滤光片的仔细对比, 自动增益控制电路中, 锯齿波的参数不同对消除后向散射的影响如何等均未作仔细地分析实验, 这些间题都有待于今后在实践中去解决。
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