激光测距机接收放大器最佳设计的初步分析
激光测距机接收放大器最佳设计的初步分析
作者:霍联正
一、引言
激光测距仪接收机总是由光电探测器和放大器组成。放大器的作用有二:第一,将探测器输出的光电信号放大到高于系统的阈值电平;第二,限制系统的频带宽度,使系统最佳化。激光测距过程中,人们所关心的不是信号的保真度,而是信噪比。这里所说的最佳化就是使系统获得最大信噪比。本文拟用获得最大信噪比的线性滤波器或者匹配滤波器理论来确定放大器的最佳传输函数形式。
为了简化问题的处理,我们作如下假设:
(1)光电探测器是一个恒流源。常用的光电倍增管,雪崩光电二极管和pin光电二极管无疑都满足这一条件。
(2)探测器的输出信号是高斯型脉冲。如果不考虑激光在大气传输与目标反射过程中引起的畸变,并且忽略探测器的响应时间的影响,这一条件也能得到满足。
(3)在放大器的输入端仅存在“白”噪声电流。即在所考虑的带宽内,噪声电流谱密度与频率无关。
基于上述假设,我们求出了放大器的最佳传输函数和接收系统所能达到的最大信噪比,并且给出了计算激光测距机的最小接收功率公式。理论分析与实验结果比较吻合。
二、放大器最佳传输函数的一般形式
我们把激光接收机设想成由探测器、负载回路和放大器组成的系统。负载回路的传输特性使得信号电流变成了非高斯型的脉冲电压,使得噪声变成了非“白”噪声。
接收系统的放大器的最佳传输函数, 因为它表征的放大器获得了最大信噪比。第二, 随着值增大, 放大器的带宽逐渐减小, 使得输出信号逐渐加宽, 而信号能量是一定的, 所以其平均输出功率降低。输出噪声功率比信号功率减小得慢, 结果输出信噪比降低。
第三, 随着值以分数形式减小, 放大器输出脉冲逐渐出现微小的变窄, 区而输出脉冲的平均功率发生微量的增大。但是, 输出噪声功率以更快的速度增大, 结果输出信噪比减小。可见放大器的频带过宽是不适当的。
三、激光测距机的最小接收功率
根据式, 在知道对于预定探测几率所要求的最小信噪比。和放大器输入端的均方根噪声电流谱密度。之后, 便可以求出放大器的最小输入信号电流。从而求出测距系统的最小接收功率。下面对光电倍增管, 光电二极管和雪崩光电二极管作探测器的激光测距系统作一计算。
(1)光电倍增管
光电倍增管接收系统完全满足前面的三项假设条件。
系统的增益主要由光电倍增管提供, 放大器主要起限制带宽和调节系统增益的作用, 其噪声贡献可以忽略不计。
四、结束语
利用线性滤波器理论对脉冲激光测距机接收放大器设计进行了分析, 导出了放大器的最佳传输函数, 给出了光电倍增管, 光电二极管和雪崩光电二极管等三种探测器所组成的接收系统能达到的最小接收激光功率的表达式。这些公式表明, 在对微米波长辐射的探测方面, 光电倍增管略尤于光电二极管, 而雪崩光电二极管具有最高的灵敏度。鉴于高斯型脉冲的低频部分的能量较为丰富, 放大器的低频截止频率不应过高, 以略高于声噪声的转折频例如千赫千赫为宜, 以减少信号能量损失。在利用式来确定放大器带宽时, 如果不是用发射激光脉冲的半宽度, 而是用常见测距目标反射的激光脉冲半宽度, 则设计将更切合实际。
为了提高激光测距机的接收灵敏度, 使用光电倍增管和雪崩光电二极管作探测器时, 应该用窄带干涉滤光片和减小接收视场来降低背景辐射的干扰〔参考式、和〕用硅光电二极管时应该尽可能选用较大的负载电阻和利用低噪声晶体管作放大器的输入级,以便减小, 这一点也适用于雪崩管探测器。
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