CN103499819B - 一种目标视线角偏移量及距离的测量装置和方法 - Google Patents

一种目标视线角偏移量及距离的测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种目标视线角偏移量及距离的测量装置及方法，由四象限雪崩光电探测器、收发光学单元、噪声补偿电路，四路前置放大电路、视频放大电路、自动增益放大电路、峰值保持电路、AD转换电路，激光器、主波采样电路、求和电路、时刻鉴别电路、测时电路、数字处理电路构成，收发光学单元将激光器发射的窄脉冲激光经目标反射后会聚在光电探测器上形成回波光斑，经四象限雪崩光电探测器光电转换，前置、视频、自动增益放大，窄脉冲峰值保持、AD转换电路送数字处理电路提取数字化的目标视线角偏移量；对四路前置放大电路求和，连同主波采样电路，经时刻鉴别电路确定激光发射和回波到来返回时刻送测时电路测量，由数字处理电路解码出相应的距离。

Description

一种目标视线角偏移量及距离的测量装置和方法
技术领域
本发明属于光电跟踪和测量技术领域，涉及一种目标视线角偏移量及距离测量的装置和方法，尤其是能够在空间交会对接中实现目标视线角偏移量的提取和距离的测量。
背景技术
目前，对目标视线角偏移量的测量主要采用的光电探测器有电荷耦合器件(CCD)、有源像素传感器(APS)、位置敏感器(PSD)、四象限探测器(QD)等。电荷耦合器件输出的数据能够直接反应光斑在光敏面上的位置，进而根据其相对光敏面中心的偏移量得出目标视线角的偏移量，但是电荷耦合器件的像素多，需要处理的数据量大，此外，电荷耦合器件的灵敏度较低，不适合远距离、动态目标视线角的提取；有源像素传感器与电荷耦合器件像素，都是采用图像的方式进行光斑偏移量提取，所不同的是有源像素传感器集成度更高，输出的是数字信号，其灵敏度角电荷耦合器件更低，也不适合远距离目标视线角的提取；位置敏感器，其数据处理较电荷耦合器件简单得多，但是由于器件本身的参数特性，其性能不如四象限探测器。目前四象限探测器已广泛应用于视轴对准、角度测量和跟踪领域中，其中四象限雪崩光电探测器是一种可以工作于雪崩状态的四象限探测器，其灵敏度更高，探测距离更远。
在激光测量和跟踪领域中，有两种测量体制，一种是脉冲，一种是连续波，脉冲法较连续波的测量距离远，且其距离、视线角偏转量测量精度满足于中远距离的高精度测量要求，成为中远距离高精度测量设备常用的测量手段之一。
在专利“全数字化的四象限探测器检测激光光束偏转角的装置和方法”(中国专利申请，公开号：CN101158590A)中，采用四象限探测器作为光电转换器件，可以对激光光束偏转角进行测量，然而由于整个电路的带宽较低，电路没有采用峰值保持电路，不能对窄脉冲激光光束的目标视线角偏移量进行测量，因为不能应用于远距离目标视线角偏移量的测量。窄脉冲信号的峰值保持是远距离目标视线角偏移量提取的一个关键技术，峰值保持电路有三个重要的参数：响应时间；保持时间；响应范围。目前响应时间在3ns的峰值保持电路，其保持时间只有0.5us，响应最大输入幅度2v，难以满足高精度视线角偏移量的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决窄脉冲激光光束目标视线角偏移量难以提取、提取精度低，脉冲飞行时间法大范围测距精度低等问题，同时目前已有的激光跟踪设备不能完成动态测量距离和角度的问题，提供一种目标视线角偏移量和相对距离的装置和方法。
为达成所述目的，本发明的第一方面提供一种目标视线角偏移量及距离测量的装置，包括：四象限雪崩光电探测器、收发光学单元、噪声补偿电路、四路前置放大电路、四路视频放大电路、四路自动增益放大电路、四路峰值保持电路、四路AD转换电路、激光器、主波采样电路、求和电路、时刻鉴别电路、测时电路、数字处理电路构成，其中：
收发光学单元与四象限雪崩光电探测器之间具有一定距离，且收发光学单元的光轴与四象限雪崩光电探测器的光敏面中垂线同轴；
目标与激光器的光束输出端的收发光学单元具有一距离；
噪声补偿电路的输出端与四象限雪崩光电探测器的输入端连接，用于测量四象限雪崩光电探测器的温度，提供温度控制的四象限雪崩光电探测器偏压，获得四象限雪崩光电探测的第一象限输出端、第二象限输出端、第三象限输出端和第四象限输出端输出第一象限光电流、第二象限光电流、第三象限光电流和第四象限光电流；
每路前置放大电路的输入端与四象限雪崩光电探测器的对应象限输出端连接，将第一象限光电流、第二象限光电流、第三象限光电流和第四象限光电流转换为电压信号并放大，获得四个象限的放大电压信号；
每路视频放大电路的输入端与前置放大电路的对应象限输出端连接，对四路放大的电压信号继续放大，获得四个象限的视频放大电压信号；
每路自动增益放大电路的输入端与视频放大电路的对应象限输出端连接，对四个象限的视频放大电压信号进一步放大，获取四个象限的窄脉冲信号；
每路峰值保持电路的输入端与自动增益放大电路的对应象限输出端连接，保持每路窄脉冲信号的峰值，获取四个象限的窄脉冲峰值信号；
每路AD转换电路的输入端与峰值保持电路的对应象限输出端连接，将四个象限的窄脉冲峰值信号转换为数字信号；
主波采样电路位于激光器的激光光束上，对激光发射的时刻进行采样，得到激光发射时刻脉冲信号；
求和电路的输入端与前置放大电路的四个输出端连接，对四路放大的电压信号求和，得到激光回波到来时刻的脉冲信号；
时刻鉴别电路的输入端分别与主波采样电路和求和电路的输出端连接，鉴别激光发射时刻脉冲信号和激光到来时刻的脉冲信号，获得激光数字主回波脉冲信号；
测时电路的输入端与时刻鉴别电路的输出端连接，利用激光数字主回波脉冲信号，得到激光数字主回波脉冲信号飞行的时间；
数字处理电路的输入端分别与四路AD转换电路、测时电路的输出端连接，对数字信号和激光数字主回波脉冲信号飞行的时间进行解算，获得目标的视线角偏移量和偏移距离；
伺服跟踪处理系统的输入端与数字处理电路的输出端连接，根据视线角偏移量控制伺服跟踪处理系统实现对目标实时动态的跟踪。
为达成所述目的，本发明的第二方面提供一种目标视线角偏移量及距离的测量方法，测量步骤包括：
步骤S1：目标接收激光器输出的激光光束，将目标反射回来的激光的回波光束经收发光学单元汇聚到四象限雪崩光电探测器的光敏面上，调整四象限雪崩光电探测器的光敏面相对于收发光学单元的位置，使四象限雪崩光电探测器的光敏面上的成像光斑的大小能够在0.1～1倍的光敏面内接圆直径内调整，同时四象限雪崩光电探测器将接收到的激光回波信号转换为四路光电流信号；利用噪声补偿电路为四象限雪崩光电探测器提供在不同环境温度下的增益稳定性；
步骤S2：四路前置放大电路将四路光电流信号转换并获得四路放大电压信号；
步骤S3：为了保证带宽，采用四路视频放大电路对步骤S2的四路放大电压信号继续放大，获取增大信号幅度的四路视频放大电压信号，用于保证带宽、提高信噪比；
步骤S4：采用四路自动增益放大电路对步骤S3的四路视频放大电压信号进一步放大，在四路视频放大电压信号较弱时，自动增益放大电路用于提高放大倍数，在四路视频放大电压信号过强时，自动增益放大电路用于降低放大倍数，使信噪比保持在一个设定的状态，保证视线角偏移量的线性度和稳定性，利于获取四路窄脉冲信号；
步骤S5：通过四路峰值保持电路将保持步骤S4的窄脉冲信号的峰值，得到四路窄脉冲峰值信号；
步骤S6：通过四路AD转换电路将步骤S5的窄脉冲峰值信号转换为数字信号：
步骤S7：利用主波采样电路对激光器的激光发射的时刻进行采样，得到激光发射时刻脉冲信号；
步骤S8：利用求和电路对步骤S2的四路放大电压信号求和，得到激光回波到来时刻的脉冲信号；
步骤S9：利用时刻鉴别电路分别对步骤S7、S8的激光发射时刻脉冲信号和激光回波到来时刻的脉冲信号进行鉴别，鉴别出激光脉冲发射和激光回波到来的时刻，即获得激光数字主回波脉冲信号；
步骤S10：将步骤S9鉴别的激光数字主回波脉冲信号送测时电路，得到激光数字主回波脉冲飞行的时间t，根据以下公式得到目标相对于收发单元的目标视线角偏移量及距离R；
R＝ct/2，式中c为光速；
步骤S11：数字处理电路将步骤S6的数字信号和步骤S10的激光数字主回波脉冲飞行时间，送入数字处理电路中并进行视线角偏移量和距离解算，获得目标的视线角偏移量和距离；
步骤S12：根据步骤S11的视线角偏移量控制伺服跟踪处理系统进入跟踪状态，使伺服跟踪处理系统的光轴实时地指向目标，在跟踪状态下，对目标的运动参数为相对角度、距离、速度进行测量，并将目标的运动参数传输给上位机或者显示装置进行显示，实现对目标实时动态的跟踪测量。
本发明的有益效果是：相对于已有技术“全数字化的四象限探测器检测激光光束偏转角的装置和方法”而言，本发明采用了：a、四象限雪崩光电探测器，其灵敏度更高，并且设计噪声补偿电路，确保四象限雪崩光电探测器在大工作温度范围内的增益稳定性；b、宽带低噪声前置放大器的设计方法，可以确保系统带宽和低噪声设计，本实例可以完成上升时间3ns、10-7W量级激光脉冲的探测，仅比理论探测灵敏度低1倍，大大提高了系统的信噪比；c、自动增益放大电路，增益动态范围200db，可以确保由于目标远近引起探测器光敏面光强变化时，获得较好的信噪比，提高了目标视线角偏移量的解算精度；d、峰值保持电路，可以完成最小脉冲3ns脉冲的峰值保持，峰值下降到90％的保持时间可达10ms，线性输入范围0.3V～3V，大大降低AD转换电路采集脉冲峰值的难度和复杂度；e、采用以上方法，结合高速CPU+FPGA数字信号处理，目标视线角偏移量分辨率可达0.0005°，大大提高了装置的跟踪角精度。
本发明设计了一种窄脉宽(3ns)脉冲峰值保持电路，峰值保持时间可达ms量级，大大降低了窄脉冲峰值信号数字采集与处理的过程；采用自动增益放大电路，动态范围200dB，可以根据探测器信号强弱自动改变增益，克服距离远近变化带来信噪比下降导致目标偏转无法求解的问题；采用飞行时间法测量数字主回波之间的时间间隔，完成目标至装置的距离测量；采用高速CPU+FPGA的数字处理架构，高速CPU运算速度快，FPGA接口灵活，可以实时地完成目标视线角偏移量和距离原码的处理，同时将目标视线角偏移量作为伺服跟踪处理系统25的控制量，可以实现对目标的捕获和跟踪，稳定跟踪后可测量目标的运动参数。
本发明适合于窄脉冲、大距离范围的激光探测，能够克服由温度变化引起四象限雪崩光电探测器1增益的变化，导致信噪比下降或信号饱和，影响目标视线角偏移量的解算精度；采用大动态范围的自动增益放大电路，能够根据探测器输入信号的强弱自动改变增益，克服由于输入光强变化带来信噪比下降或信号饱和而导致解算精度降低的缺点；解决了窄脉冲信号的峰值保持问题，大大降低了数字处理的复杂度和难度，有利于四路峰值的同时采集，确保目标视线角偏移量的解算精度；采用CPU+FPGA的数字信号处理架构，FPGA控制灵活，CPU运算精度高，速度快，实时、快速完成目标视线角偏移量的处理。
附图说明
图1是本发明中目标视线角偏移量测量光路图。
图2是本发明中光斑在四象限雪崩光电探测器光敏面上的示意图。
图3是本发明目标视线角偏移量及距离测量装置的功能框图。
图4是本发明目标视线角偏移量及距离测量方法的流程图。
图5是噪声补偿电路的电路图。
图6是一路前置放大电路的电路图，其余三个象限前置放大电路与其相同。
图7是一路峰值保持电路的电路图，其余三个象限峰值保持电路与其相同。
附图中符号说明：
四象限雪崩光电探测器1，  收发光学单元2，
成像光斑3，              噪声补偿电路4，
四象限雪崩光电探测器1的：
第一象限5，              第二象限6，
第三象限7，              第四象限8，
第一象限电流9，          第二象限电流10，
第三象限电流11，         第四象限电流12；
前置放大电路13，         视频放大电路14，
自动增益放大电路15，     峰值保持电路16，
AD转换电路17，           激光器18，
目标19，                 主波采样电路20，
求和电路21，             时刻鉴别电路22，
测时电路23，             数字处理电路24。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
给出了模拟电路的电路图，视频放大电路、求和电路、自动增益放大电路、AD转换电路、时刻鉴别电路、CPU+FPGA数字电路，可直接在器件的Datasheet里面的应用电路进行设计，模拟电路是整个电路的核心，所以附图只给出了模拟电路部分的电路图。
下面结合附图，提供一种目标视线角偏移量和距离测量的方法，其步骤和条件如下：
在图1和图3示出本发明目标视线角偏移量及距离测量装置含有：四象限雪崩光电探测器1、收发光学单元2、成像光斑3、噪声补偿电路4、四路前置放大电路13、四路视频放大电路14、四路自动增益放大电路15、四路峰值保持电路16、四路AD转换电路17、激光器18、目标19、主波采样电路20、求和电路21、时刻鉴别电路22、测时电路23、数字处理电路24构成，图1示出目标视线角偏移量测量光路图，收发光学单元2与四象限雪崩光电探测器1之间具有一距离，距离范围0.9f～1.2f之间，其中f是收发光学单元的焦距，调整收发光学单元2的光轴与四象限雪崩光电探测器1的光敏面中垂线同轴；目标19与激光器发射光束输出端的收发光学单元具有一距离，距离范围0.3m～20km，当激光器18发射激光光束照射到目标19返回激光后，能够汇聚到四象限雪崩光电探测器1的光敏面上。调整四象限雪崩光电探测器1的光敏面相对于收发光学单元2的位置，使四象限雪崩光电探测器1的光敏面上的成像光斑3的大小能够在0.1～1倍的光敏面内接圆直径D内调整，一般认为成像光斑大小时，目标的视线角偏移量测量和跟踪性能较佳。
成像光斑3在四象限雪崩光电探测器1四个象限所产生的光电流：在图2中示出光斑在四象限雪崩光电探测器1光敏面上的示意图，目标19返回的激光光束经收发光学单元2后的成像光斑3位于四象限雪崩光电探测器1的光敏面上的第一象限5，第二象限6，第三象限7和第四象限8中，四象限雪崩光电探测器1将各个象限上的光能量转换为光电流，由于视线角的偏转导致成像光斑3在四象限雪崩光电探测器1四个象限上的分布大小不同，四象限雪崩光电探测器1产生的光电流也不同，而光电流与入射到对应四象限雪崩光电探测器1的光敏面上的光功率成正比，即：而光功率又与接收成像光斑3在四象限雪崩光电探测器1四个象限内所占的面积及光能量分布成正比，因此各象限光电流的大小直接反应了成像光斑3的能量中心相对于四象限雪崩光电探测器1的偏转量，该偏转量也是目标视线角相对于装置的偏转量。四象限雪崩光电探测器1将其四个象限上激光回波成像光斑3的位置信息转换为四路电信号：所述光电流包括第一象限电流9、第二象限电流10、第三象限电流11和第四象限电流12；
将四象限雪崩光电探测器1所产生的光电流信号转换为电压信号，并采用噪声补偿电路4保证其增益的稳定性。
噪声补偿电路4的输出端与四象限雪崩光电探测器1的输入端连接，用于测量四象限雪崩光电探测器1的温度，提供控制四象限雪崩光电探测器1的偏压，获得四象限雪崩光电探测的第一象限输出端、第二象限输出端、第三象限输出端和第四象限输出端输出的第一象限光电流9、第二象限光电流10、第三象限光电流11和第四象限光电流12；
每路前置放大电路13的输入端与四象限雪崩光电探测器1的对应象限输出端连接，将第一象限光电流9、第二象限光电流10、第三象限光电流11和第四象限光电流12转换为电压信号并放大，获得四个象限的放大的电压信号；
每路视频放大电路14的输入端与前置放大电路13的对应象限输出端连接，对四路放大的电压信号继续放大，获得四个象限的视频放大电压信号；
每路自动增益放大电路15的输入端与视频放大电路14的对应象限输出端连接，对四个象限的视频放大电压信号进一步放大，获取四个象限的窄脉冲信号；
每路峰值保持电路16的输入端与自动增益放大电路15的对应象限输出端连接，保持每路窄脉冲信号的峰值，获取四个象限的窄脉冲峰值信号；
每路AD转换电路17的输入端与峰值保持电路16的对应象限输出端连接，将四个象限的窄脉冲峰值信号转换为一路数字信号：
主波采样电路20位于激光器18激光光束线上，对激光发射的时刻进行采样，得到激光发射时刻脉冲信号；
求和电路21的输入端与前置放大电路13的四个输出端连接，对四路放大的电压信号求和，得到激光回波到来时刻的脉冲信号；
时刻鉴别电路22的输入端分别与主波采样电路20和求和电路21的输出端连接，鉴别激光发射时刻脉冲信号和激光到来时刻的脉冲信号，获得激光数字主回波脉冲信号；
测时电路23的输入端与时刻鉴别电路22的输出端连接，利用激光数字主回波脉冲信号，得到激光数字主回波脉冲信号飞行的时间t；
数字处理电路24的输入端分别与四路AD转换电路17、测时电路23的输出端连接，对数字信号和激光数字主回波脉冲信号飞行的时间进行解算，获得目标19的视线角偏移量和偏移距离；所述目标的视线角偏移量分辨率为0.0005°。
伺服跟踪处理系统25的输入端与数字处理电路24的输出端连接，根据视线角偏移量控制伺服跟踪处理系统25实现对目标实时动态的跟踪。
当激光器18发射一重频的窄脉冲激光，经目标19返回后，由收发光学系统2会聚在四象限雪崩光电探测器1上形成回波光斑3，四象限雪崩光电探测器1将光信号转换为四路光电流信号9、10、11、12，经过前置放大电路13放大转换为四路电压信号，分别经过视频放大电路14、自动增益放大电路15放大后，由峰值保持电路16对四路回波脉冲的峰值保持后，经AD转换电路17，送数字处理电路24提取数字化的目标视线角偏移量；与此同时，前置放大电路13放大的四路光电流信号，经求和电路13，连同主波采样电路20采样激光发射的时刻，经时刻鉴别电路22确定激光发射和回波到来的时刻，送测时电路23测量后，由数字处理电路24解码处相应的距离。
图4示出了一种使用所述测量装置的目标视线角偏移量及距离的测量方法，测量步骤包括如下：
步骤S1：目标19接收激光器18输出的激光光束，目标19反射回来的激光的回波光束经收发光学单元2汇聚到四象限雪崩光电探测器1的光敏面上，调整四象限雪崩光电探测器1的光敏面相对于收发光学单元2的位置，使四象限雪崩光电探测器1的光敏面上的成像光斑3的大小能够在0.1～1倍的光敏面内接圆直径D内调整，同时四象限雪崩光电探测器1将接收到的激光回波光束转换为四路光电流信号；利用噪声补偿电路4为四象限雪崩光电探测器1提供在不同环境温度下的增益稳定性；
步骤S2：四路前置放大电路13将四路光电流信号转换并获得四路放大电压信号；
步骤S3：为了保证带宽，采用四路视频放大电路14对步骤S2的四路放大电压信号继续放大，获取增大信号幅度的四路视频放大电压信号，用于保证带宽、提高信噪比；
步骤S4：采用四路自动增益放大电路15对步骤S3的四路视频放大电压信号进一步放大，在四路视频放大电压信号较弱时，自动增益放大电路15用于提高放大倍数，在四路视频放大电压信号过强时，自动增益放大电路15用于降低放大倍数，使信噪比保持在一个设定的状态，保证视线角偏移量的线性度和稳定性，用于获取四路窄脉冲信号；
步骤S5：通过四路峰值保持电路16将保持步骤S4的窄脉冲信号的峰值，得到四路窄脉冲峰值信号；
步骤S6：通过四路AD转换电路17将步骤S5的窄脉冲峰值信号转换为数字信号：
步骤S7：利用主波采样电路20对激光器18的激光发射的时刻进行采样，得到激光发射时刻脉冲信号；
步骤S8：利用求和电路21对步骤S2的四路放大电压信号求和，得到激光回波到来时刻的脉冲信号；
步骤S9：利用时刻鉴别电路22分别对步骤S7、S8的激光发射时刻脉冲信号和激光回波到来时刻的脉冲信号进行鉴别，鉴别出激光脉冲发射和激光回波到来的时刻，即获得激光数字主回波脉冲信号；
步骤S10：将步骤S9鉴别的激光数字主回波脉冲信号送测时电路23，得到激光数字主回波脉冲飞行的时间t，根据以下公式得到目标19相对于收发单元2的目标19视线角偏移量及距离R；
R＝ct/2，式中c为光速；
步骤S11：数字处理电路24将步骤S6的数字信号和步骤S10的激光数字主回波脉冲飞行时间，送入数字处理电路24中并进行视线角偏移量和距离解算，获得目标的视线角偏移量和距离；
步骤S12：根据步骤S11的视线角偏移量控制伺服跟踪处理系统25进入跟踪态，使伺服跟踪处理系统25的光轴实时地指向目标，在跟踪状态下，目标19的视线角偏移量及距离激光器18对目标19的运动参数为相对角度、距离、速度进行测量，并将目标19的运动参数传输给上位机或者显示装置进行显示，实现对目标19实时动态的跟踪测量。
所述的步骤S12中的目标的视线角偏移量，采用高速图像处理器进行处理，实时地解算出视线角偏移量，分辨率为0.0005°(1.3角秒)，大大提高了跟踪角精度，保证伺服跟踪处理系统25的闭环跟踪精度。
所述前置放大电路13根据系统带宽而设计的低噪声、宽带高速跨导型放大器，本实例在具体实施时可以完成最小上升时间3ns脉宽的探测，-3db带宽可达120MHz。前置放大电路13采用宽带高速放大器构造跨导式放大的方式，可以完成最小上升沿3ns激光脉冲的探测，将四象限雪崩光电探测器1的光电流信号转换成电压信号，同时使之放大，可以减小电路噪声，前置放大电路13共有四路，以第一象限为例，如图4所示。为了满足3ns上升时间脉冲的放大，每路前置放大电路13的带宽Bw必须满足：
Bw＝0.5/tr
tr为脉冲的上升时间。
若偏压不变，四象限雪崩光电探测器1的增益随着温度的升高而降低，需要对其增益进行温度补偿设计。噪声补偿电路4采用测温传感器测量四象限雪崩光电探测器1的温度，将测温传感器的测温信号经高压放大器放大，作为四象限雪崩光电探测器1的反偏电压。选择合理的放大参数，满足四象限雪崩光电探测器1的温度系数，可以达到控制四象限雪崩光电探测器1增益的目的。该方法不需要通过数字处理器CPU、模拟数字转换AD的数字化处理，简化了控制过程，且控制可靠，保证了四象限雪崩光电探测器1增益的稳定。
在图5是噪声补偿电路4的电路图，所述的噪声补偿电路4包括测温传感器U1、测温放大器U2、测温调理放大U3、高压放大器U4、电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6。测温传感器U1的输出端与电阻R1的一端、测温放大器U2的一个输入端相连，测温放大器U2的输出与其另一个输入端相连，构成电压跟随器。测温放大器U2的输出端与测温调理放大U3的一个输入端、R4的一端相连，测温放大器U2的另一个输入端与电阻R2、R3相连，测温放大器U2的输出端与电阻R3的另一端、高压放大器U3的基极相连，高压放大器U4的发射基通过电阻R6与地相连，高压放大器U4的集电极通过电阻R5上拉至一个固定的高压Hv，最终U4的集电极输出随温度变化的高压APD_Hv。电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6的参数根据所选用的四象限雪崩探测器的温度系数来设计，本发明的装置取R1为1kΩ，R2取3kΩ，R3取680Ω，R4取10kΩ，R5取500kΩ，R6取1kΩ。测温传感器U1测量四象限雪崩光电探测器的环境温度，转换成对应的电流信号，经测温放大器U2转换成电压信号，测温调理放大进一步放大温度电压信号，并调理成适合高压放大器U4的输入范围的电压信号，该电压信号直接控制高压放大器，产生与四象限雪崩光电探测器温度系数一致的反偏电压，达到控制反偏电压的目的。
利用测温传感器测量四象限雪崩光电探测器1的温度，所测得的温度信号经过高压放大器线性放大，控制四象限雪崩光电探测器1的偏压。由于四象限雪崩光电探测器1的增益与偏压有关，因而可以保持四象限雪崩光电探测器1增益的稳定性。该噪声补偿电路不需要通过处理器的控制，控制简单；并且可以调整高压放大器的参数，适应不同温度系数的四象限雪崩光电探测器1。
噪声补偿电路4采用测温传感器测量四象限雪崩光电探测器1的温度，将测温传感器的测温信号控制高压放大器，达到控制四象限雪崩光电探测器1的高压的目的。该方法不需要通过CPU、AD转换的数字化处理，简化了控制过程，且控制可靠，保证了四象限雪崩光电探测器1增益的稳定。
图6是一路四象限探测器第一象限前置放大电路13的电路图，本发明中采用四路前置放大电路13，每路前置放大电路13包含：随温度变化的高压APD_Hv、雪崩光电探测器第一象限光电二极管、电容C1、电阻R6、电阻R7、放大器U5，其中：雪崩光电探测器第一象限光电二极管的反向端与ADP_Hv连接，雪崩光电探测器第一象限光电二极管的正向端、电容C1的一端、电阻R6的一端与放大器U5的一输入端连接，电容C1的另一端、电阻R6的另一端与放大器U5的输出端连接，电阻R7的一端与放大器U5的另一输入端连接，电阻R7的另一端接地，+5电源、-5电源为放大器U5供电。电容C1选用1pf电容，电阻R1选用10K电阻，电阻选用10K电阻。
每路前置放大电路13使四象限雪崩光电探测器1工作于反向偏压的工作状态下，并且噪声补偿电路4，防止由于温度变化带来四象限雪崩光电探测器1增益的变化，导致前置放大电路13的信噪比变差，影响视线角偏移量的解算。
通常前置放大电路13为了保证低噪声和带宽的要求，增益不是很大，因此需要对其信号进一步放大。
采用四路视频放大电路14，每路视频放大电路14对每路前置放大电路13放大后的信号继续放大，增大信号的幅度，提高信噪比。视频放大电路14可参考所用选的视频放大器Datasheet进行设计。在对远距离目标视线角偏置量的测量中，信号通常很微弱。通常前置放大电路13的为了保证低噪声和带宽的要求，增益不是很大，因此需要对其进一步的放大。
同时，由于探测距离远近的变化，造成信号强度变化。本发明每路自动增益放大电路15根据信号强弱，实时地改变放大倍数，从而使放大后的信号幅度保持在线性的水平，能够在大的距离变化范围内保证目标视线角偏移量测量精度。此处电路图可参考所选用的每路自动增益放大电路15的Datasheet进行设计。每路自动增益放大电路15根据距离远近带来的信号强弱，实时地改变放大倍数，从而使放大后的信号幅度保持在线性的水平，能够在大的距离变化范围内提高和保证目标视线角偏移量测量精度。
在信号自动增益控制后，由于是窄脉冲信号，需要对脉冲的峰值进行保持后，才能进行采样。对信号的峰值进行保持，常用的方法有采样保持法、峰值保持法、高速AD采样法。采样保持法难以满足3ns脉宽的脉冲采样、保持时序；同时要满足3ns脉冲的AD采样，至少采用采样频率2G以上的AD，同时要对四路峰值进行采样时，数字处理的速度、复杂度较高。峰值保持可以将脉冲的峰值保持一段时间，以供AD进行采样，这样电路的复杂度下降，有利于数据的处理。
图7是一路峰值保持电路的电路图，每路峰值保持电路16包含放大器A1、放大器A2、电阻、二极管、电容，其中：电阻的一端、二极管的正向端、放大器A1的一输入端都与放大器A1的输出端连接，电阻的另一端、放大器A2的一输入端都与放大器A2的输出端连接，放大器A1的另一输入端接收自动增益放大电路15输出的窄脉冲信号脉冲信号；电容的一端和二极管的反向端与放大器A2的另一输入端连接，电容的另一端接地，放大器A2保持窄脉冲信号的峰值，并输出窄脉冲峰值信号。
峰值保持电路16有三个重要的参数：响应速度；响应范围；保持时间。目前满足3ns窄脉冲的峰值保持电路，保持时间只有500ns，响应范围0.3V～2V，难以满足本发明的应用要求。本发明采用宽带放大器和采样保持放大器，实现了一种3ns最小脉宽、峰值保持幅度下降到90％时保持时间可达10ms、线性输入响应范围在0.3V～3V的峰值保持电路，大大地降低了AD转换电路脉冲峰值采集的难度和复杂度，大大降低了数字信号的处理难度。
窄脉冲信号峰值保持后，每路AD转换电路17将模拟信号转变为数字信号：采用AD转换电路17将四路模拟信号峰值转变为数字信号ADC1、ADC2、ADC3、ADC4。在四路AD转换电路中，可根据需要的转换精度、信号电压的输入范围、通道的数量、通道转换的方式(同步转换/顺序转换)等选择合适的AD转换器。此处AD转换器选用4通道可同时采保的AD，其电路可参考器件的Datasheet进行设计。在四路AD转换电路17中，可根据峰值保持电路16的输出范围确定AD转换芯片的转换电压范围；AD转换电路17应具有同时采样保持四路AD应能同时采保，并根据激光脉冲的频率选择AD转换时间合适的芯片；根据视线角偏移量灵敏度选取AD转换的量化精度。
主波采样电路20，对激光发射的时刻进行放大采样，得到激光发射时刻的脉冲波形。采用PIN管探测发射时刻的激光，根据图4所示的前置放大电路进行设计。主波采样电路20根据发射光路分光的能量大小，确定主波采样电路的参数，便于时刻鉴别电路22的处理；
求和电路21，对前置放大电路13放大滤波的信号求和，得到目标19返回的激光到来时刻的脉冲波形。根据求和放大电路21的放大倍数，选择合理带宽的放大器，依据求和电路进行设计。
时刻鉴别电路22，对激光发射和目标19返回激光到来的时刻进行时刻鉴别，得到激光数字主回波信号。此处，采用高速比较器设计前沿鉴别电路，其电路可依据所选用的高速比较器Datasheet进行设计。时刻鉴别电路22可根据系统的信噪比、测距精度要求，选择时刻鉴别电路。
测时电路23，对激光数字主回波信号之间的时间间隔进行高精度测量时，得到激光脉冲飞行的时间，该飞行时间直接反映了目标19至装置的距离。所述的时刻鉴别电路22和测时电路23，远至数十公里近至0.3m，能满足近距离0.05m的测距精度和远距离1m的测距精度，大大提高了脉冲飞行时间法的测距精度。
数字信号处理电路24，由CPU+FPGA电路组成。利用CPU的数据处理能力和FPGA的逻辑控制能力，可以控制激光的发射、自动增益放大电路增益参数、AD转换时序等。CPU对采集到的峰值信号处理，得到目标视线角偏移量，同时对测时电路23的时间间隔进行解算，得到距离值。利用FPGA完成AD转换芯片和测时电路的时序控制，利用CPU进行偏移量的滤波处理，距离的滤波、大气折射率、气压的修正。
若将数字处理电路24得到的视线角偏移量，送伺服跟踪处理系统25，伺服跟踪处理系统25，根据数字信号处理电路24得到的目标视线角偏移量，通过伺服控制可以完成目标19的捕获和跟踪，在跟踪状态下，可以测量目标19的相对运动参数(相对角度、速度、距离)，并送上位机进行显示。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (10)

1.一种目标视线角偏移量及距离的测量装置，其特征在于包括：四象限雪崩光电探测器、收发光学单元、噪声补偿电路、四路前置放大电路、四路视频放大电路、四路自动增益放大电路、四路峰值保持电路、四路AD转换电路、激光器、主波采样电路、求和电路、时刻鉴别电路、测时电路、数字处理电路构成，其中：
收发光学单元与四象限雪崩光电探测器之间具有一距离，且收发光学单元的光轴与四象限雪崩光电探测器的光敏面中垂线同轴；
目标与激光器的光束输出端的收发光学单元具有一距离；
噪声补偿电路的输出端与四象限雪崩光电探测器的输入端连接，用于测量四象限雪崩光电探测器的温度，提供温度控制的四象限雪崩光电探测器偏压，四象限雪崩光电探测的第一象限输出端、第二象限输出端、第三象限输出端和第四象限输出端输出第一象限光电流、第二象限光电流、第三象限光电流和第四象限光电流；
每路前置放大电路的输入端与四象限雪崩光电探测器的对应象限输出端连接，将第一象限光电流、第二象限光电流、第三象限光电流和第四象限光电流转换为电压信号并放大，获得四个象限的放大电压信号；
每路视频放大电路的输入端与前置放大电路的对应象限输出端连接，对四路放大的电压信号继续放大，获得四个象限的视频放大电压信号；
每路自动增益放大电路的输入端与视频放大电路的对应象限输出端连接，对四个象限的视频放大电压信号进一步放大，获取四个象限的窄脉冲信号；
每路峰值保持电路的输入端与自动增益放大电路的对应象限输出端连接，保持每路窄脉冲信号的峰值，获取四个象限的窄脉冲峰值信号；
每路AD转换电路的输入端与峰值保持电路的对应象限输出端连接，将四个象限的窄脉冲峰值信号转换为数字信号；
主波采样电路位于激光器的激光光束上，对激光发射的时刻进行采样，得到激光发射时刻脉冲信号；
求和电路的输入端与前置放大电路的四个输出端连接，对四路放大的电压信号求和，得到激光回波到来时刻的脉冲信号；
时刻鉴别电路的输入端分别与主波采样电路和求和电路的输出端连接，鉴别激光发射时刻脉冲信号和激光到来时刻的脉冲信号，获得激光数字主回波脉冲信号；
测时电路的输入端与时刻鉴别电路的输出端连接，利用激光数字主回波脉冲信号，得到激光数字主回波脉冲信号飞行的时间；
数字处理电路的输入端分别与四路AD转换电路、测时电路的输出端连接，对数字信号和激光数字主回波脉冲信号飞行的时间进行解算，获得目标的视线角偏移量和偏移距离；
伺服跟踪处理系统的输入端与数字处理电路的输出端连接，根据视线角偏移量控制伺服跟踪处理系统实现对目标实时动态的跟踪。
2.根据权利要求1所述的目标视线角偏移量及距离的测量装置，其特征在于：所述激光器发射的激光光束照射到目标返回激光后，汇聚到四象限雪崩光电探测器的光敏面上。
3.根据权利要求1所述的目标视线角偏移量及距离的测量装置，其特征在于：所述四象限雪崩光电探测器的光敏面上成像光斑的大小在0.1～1倍的光敏面内接圆直径D内调整，调整所述成像光斑大小为
4.根据权利要求1所述的目标视线角偏移量及距离的测量装置，其特征在于，所述前置放大器是根据装置带宽而设计的低噪声、宽带高速跨导型放大器，实现最小上升时间3ns脉宽的探测，-3db带宽为120MHz。
5.根据权利要求1所述的目标视线角偏移量及距离的测量装置，其特征在于，所述前置放大电路使四象限雪崩光电探测器工作于反向偏压的工作状态下。
6.根据权利要求1所述的目标视线角偏移量及距离的测量装置，其特征在于，所述的峰值保持电路，实现最小脉宽3ns脉冲的峰值保持，峰值下降到90％的保持时间为10ms，线性输入响应范围在0.3v～3v。
7.根据权利要求1所述的目标视线角偏移量及距离的测量装置，其特征在于，所述目标视线角偏移量分辨率为0.0005°。
8.根据权利要求1所述的目标视线角偏移量及距离的测量装置，其特征在于，所述的时刻鉴别电路和测时电路在远至数十公里近至0.3m的距离，能满足近距离0.05m的测距精度和远距离1m的测距精度。
9.一种使用权利要求1所述测量装置的目标视线角偏移量及距离的测量方法，其特征在于，测量步骤包括如下：
步骤S1：目标接收激光器输出的激光光束，将目标反射回来的激光的回波光束经收发光学单元汇聚到四象限雪崩光电探测器的光敏面上，调整四象限雪崩光电探测器的光敏面相对于收发光学单元的位置，使四象限雪崩光电探测器的光敏面上的成像光斑的大小能够在0.1～1倍的光敏面内接圆直径D内调整，同时四象限雪崩光电探测器将接收到的激光回波信号转换为四路光电流信号；利用噪声补偿电路为四象限雪崩光电探测器提供在不同环境温度下的增益稳定性；
步骤S2：四路前置放大电路将四路光电流信号转换并获得四路放大电压信号；
步骤S3：为了保证带宽，采用四路视频放大电路对步骤S2的四路放大电压信号继续放大，获取增大信号幅度的四路视频放大电压信号，用于保证带宽、提高信噪比；
步骤S4：采用四路自动增益放大电路对步骤S3的四路视频放大电压信号进一步放大，在四路视频放大电压信号较弱时，自动增益放大电路用于提高放大倍数，在四路视频放大电压信号过强时，自动增益放大电路用于降低放大倍数，使信噪比保持在一个设定的状态，保证视线角偏移量的线性度和稳定性，利于获取四路窄脉冲信号；
步骤S5：通过四路峰值保持电路将保持步骤S4的窄脉冲信号的峰值，得到四路窄脉冲峰值信号；
步骤S6：通过四路AD转换电路将步骤S5的窄脉冲峰值信号转换为数字信号：
步骤S7：利用主波采样电路对激光器的激光发射的时刻进行采样，得到激光发射时刻脉冲信号；
步骤S8：利用求和电路对步骤S2的四路放大电压信号求和，得到激光回波到来时刻的脉冲信号；
步骤S9：利用时刻鉴别电路分别对步骤S7、S8的激光发射时刻脉冲信号和激光回波到来时刻的脉冲信号进行鉴别，鉴别出激光脉冲发射和激光回波到来的时刻，即获得激光数字主回波脉冲信号；
步骤S10：将步骤S9鉴别的激光数字主回波脉冲信号送测时电路，得到激光数字主回波脉冲飞行的时间t，根据以下公式得到目标相对于收发单元的目标视线角偏移量及距离R；
R＝ct/2，式中c为光速；
步骤S11：数字处理电路将步骤S6的数字信号和步骤S10的激光数字主回波脉冲飞行时间，送入数字处理电路中并进行视线角偏移量和距离解算，获得目标的视线角偏移量和距离；
步骤S12：根据步骤S11的视线角偏移量控制伺服跟踪处理系统进入跟踪态，使伺服跟踪处理系统的光轴实时地指向目标，在跟踪状态下，对目标的相对角度、距离、速度进行测量，并将目标的运动参数传输给上位机或者显示装置进行显示，实现对目标实时动态的跟踪测量。
10.根据权利要求9所述的目标视线角偏移量及距离的测量方法，其特征在于，所述的步骤S12中的目标的视线角偏移量，采用高速图像处理器进行处理，实时地解算出视线角偏移量，分辨率为0.0005°，保证伺服跟踪处理系统的闭环跟踪精度。
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