CN105403927A - 一种激光接收机设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种激光接收机设计方法，包括下列步骤：根据硅光电二极管探测器选定的负载，利用放大器的噪声模型式计算放大电路的噪声系数和最佳源电阻；判断是否满足预期信噪比的要求以及负载是否等于最佳源电阻；若不满足要求时，就应采取相应的耦合措施使探测器和前置放大电路的阻抗匹配；根据探测器输出信号电压的大小、响应特性以及激光发射机频率的变化范围指标来确定前置放大电路的增益和带宽。本发明旨在解决对于直接探测方式下激光探测接收机的设计关键问题，即因为硅光电二极管的输出信号很微弱，要想有效地利用，就必须对探测器输出信号进行适当地放大。

Description

一种激光接收机设计方法

技术领域

本发明涉及激光探测技术领域，且特别涉及一种激光接收机设计方法，可应用于武器系统中，如模拟导弹、智能型炮弹或火箭等武器，还可应用于民用领域中，如倒车预警，远距离测量，所有民用中需要测量距离的场合。

背景技术

和平时期的军事训练是部队提高作战水平的根本途径和重要保证。然而，实弹训练要耗费大量的武器弹药，这给军队的财政预算带来了巨大的困难，迫使部队不得不减少训练计划，从而影响了指战人员掌握一些武器的能力，特别是在以高技术为基础的现代化武器系统中，这一矛盾就更加突出了。此外，真枪实弹的训练总会存在发生意外伤亡事故的危险，发射必须在距离人工靶足够远处进行，且无法客观、公正、高效地统计和显示训练的成绩和结果。而对于更复杂和更高级的武器系统，例如导弹和智能型炮弹等，就根本不能有效地进行训练了。

然而，应用激光技术就可望使上述问题得到圆满解决。首先，激光武器模拟系统不仅可以模拟步枪、机枪一类简单武器，而且可以相当逼真地模拟导弹、智能型炮弹或火箭等武器的发射，估计其效果，并显示射手和目标的状况。其次，它可以让使用不同武器系统攻击对方目标的双方战斗人员都得到训练。最后，由于激光发射一个脉冲的费用微不足道，因而，每个战士可以进行数百次乃至上千次模拟发射，且每次发射后都能收到完整的信息，指出其操作的正确或错误所在，从而可以大大地提高指战人员的实战能力。

目前共有两种激光探测技术，即激光直接(非相干)探测技术和激光相干探测技术。其中，激光直接探测技术是将待测光信号直接入射到光探测器的光敏面上，光探测器响应于光辐射强度，并输出相应的电流或电压。激光相干探测技术则是利用两个或多个光场在探测器光敏面上交跌相干性，实现光混频，其差频保留了被探测光场信息特征的检测方法。虽然激光相干探测的灵敏度高，作用距离较远，抗干扰的能力也较强，但其设计较为复杂，成本高。所以结合本设计的应用背景，用直接探测的方法，因为其易于实现，可靠性高，成本低，技术也较为成熟。根据这种探测方式，本案给出相应的接收机的设计方法。

对于直接探测方式下激光探测接收机的设计关键是：因为硅光电二极管的输出信号很微弱，要想有效地利用，就必须对探测器输出信号进行适当地放大。然而在放大的过程中，由于原有噪声以及放大电路自身包含的噪声，所以经放大输出后的信号将包含更强的噪声，信噪比也进一步减小，甚至导致无法利用有用信号。因此，在设计前置放大电路时，应尽量减小其噪声，而这必须考虑前置放大电路和探测器的耦合问题。以下就围绕着如何设计性能良好的低噪声放大电路进行讨论。

发明内容

本发明提出一种激光接收机设计方法，以智能型反坦克地雷为研究对象，更加真实有效地模拟其训练过程且客观可靠地评估目标毁伤的程度，从而成功解决了由其训练危险性大、成本高造成长期无法正常训练的难题。

本发明旨在解决对于直接探测方式下激光探测接收机的设计关键问题，即因为硅光电二极管的输出信号很微弱，要想有效地利用，就必须对探测器输出信号进行适当地放大。然而在放大的过程中，由于原有噪声以及放大电路自身包含的噪声，所以经放大输出后的信号将包含更强的噪声，信噪比也进一步减小，甚至导致无法利用有用信号。因此，在设计前置放大电路时，应尽量减小其噪声，而这必须考虑前置放大电路和探测器的耦合问题。

为了达到上述目的，本发明提出一种激光接收机设计方法，包括下列步骤：

根据硅光电二极管探测器选定的负载，利用放大器的噪声模型式计算放大电路的噪声系数和最佳源电阻；

判断是否满足预期信噪比的要求以及负载是否等于最佳源电阻；

若不满足要求时，就应采取相应的耦合措施使探测器和前置放大电路的阻抗匹配；

根据探测器输出信号电压的大小、响应特性以及激光发射机频率的变化范围指标来确定前置放大电路的增益和带宽。

进一步的，所述放大器采用低噪声运算放大器，采取直接耦合方式使探测器和前置放大电路的阻抗匹配。

进一步的，所述放大电路的噪声系数和最佳源电阻采用以下放大器的噪声模型式计算：

$F=\frac{U_{NS}^2+U_N^2+I_N^2{R}_S^{\′2}}{U_{NS}^2}=1+\frac{U_N^2}{4{\mathrm{kTR}}_S^{\′}\mathrm{\Δ}f}+\frac{I_N^2{R}_S^{\′}}{4kT\mathrm{\Δ}f},$

$\frac{S_0}{N_0}=\frac{U_{SI}^2}{U_{NS}^2+U_N^2+I_N^2{R_S^{\′}}^2}=\frac{U_{SI}^2}{4{\mathrm{kTR}}_S^{\′}\mathrm{\Δ}f+U_N^2+I_N^2{R}_S^{\′2}},$

其中，F表示放大电路噪声系数，S₀/N₀表示放大电路输出的信噪比，R_S′表示信号源内阻，U_N表示当R_S′等于零时放大电路具有的噪声电压，I_N表示当R_S′不为零时放大电路具有的噪声电流，U_NS为信号源噪声电压，U_SI为信号电压，k为玻尔兹曼常数，k＝1.3806505×10^-23J/K，T为环境温度，其单位是开尔文，Δf表示放大器频带宽度。

进一步的，对于一个理想的无噪声放大电路，F＝1；相反，对于带有噪声的放大电路，F大于1，且F的值越大，引入的噪声也越大。

进一步的，令求得此时F取最小值，即放大电路引入的噪声最小，输出端的信噪比最大，并定义此时的信号源内阻R_S′为最佳源电阻R_SOPT，在设计放大电路时，为获得较大的信噪比，应使信号源内阻等于最佳源电阻。

进一步的，所述激光接收机的信噪比为：

其中，R_L表示负载电阻，I_P表示光电流，I_B表示有背景辐射产生的直流电流、I_D表示暗电流，q表示电子电荷，对R_L求偏导数并令其为零，即可求得R_L的最佳值。

本发明具有以下积极效果：由于实现激光顺利正确地收发是本模拟训练系统的关键，所以首先应在室内近距离条件下，对激光接收信号进行测量，验证其能正确地接收到由激光发射机发射的光信号。其次，在实现室内近距离顺利收发的基础上，在室外环境下，按距离由近至远的方法进行测试，并最终验证在规定距离要求下，接收机能正确且不失真地接收到光信号。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的激光接收机设计方法流程图。

图2所示为放大电路的噪声模型结构示意图。

图3所示为本系统接收机的噪声等效模型结构示意图。

图4所示为接收机输出的信号和噪声示意图。

图5所示为比较器电路结构示意图。

图6所示为最高工作频率时的接收机输出脉冲信号示意图。

图7所示为最高工作频率时的最宽脉冲信号示意图。

图8所示为最高工作频率时的最窄脉冲信号示意图。

图9所示为最低工作频率时的接收机输出脉冲信号示意图。

图10所示为最低工作频率时的最宽脉冲信号示意图。

图11所示为最低工作频率时的最窄脉冲信号示意图。

图12所示为另一环境最高工作频率时的接收机输出脉冲信号示意图。

图13所示为另一环境最高工作频率时的最宽脉冲信号示意图。

图14所示为另一环境最高工作频率时的最窄脉冲信号示意图。

图15所示为另一环境最低工作频率时的接收机输出脉冲信号示意图。

图16所示为另一环境最低工作频率时的最宽脉冲信号示意图。

图17所示为另一环境最低工作频率时的最窄脉冲信号示意图。

图18所示为激光发射信号的上升沿示意图。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的激光接收机设计方法流程图。本发明提出一种激光接收机设计方法，包括下列步骤：

步骤S100：根据硅光电二极管探测器选定的负载，利用放大器的噪声模型式计算放大电路的噪声系数和最佳源电阻；

步骤S200：判断是否满足预期信噪比的要求以及负载是否等于最佳源电阻；

步骤S300：若不满足要求时，就应采取相应的耦合措施使探测器和前置放大电路的阻抗匹配；

步骤S400：根据探测器输出信号电压的大小、响应特性以及激光发射机频率的变化范围指标来确定前置放大电路的增益和带宽。

根据本发明较佳实施例，对于本系统，虽然负载电阻受频率特性的限制不能过大，但由于所选的是低噪声运算放大器，由其噪声模型计算得到的最佳源电阻值近似负载电阻值，所以采用直接耦合方式使探测器和前置放大电路的阻抗匹配。

Ⅰ.前置放大器的噪声计算

要想获得低噪声的前置放大电路，首先就必须对其进行噪声的计算和分析，并根据计算和分析的结果进行设计。为了方便计算和分析放大电路的噪声，常用如图2所示的放大电路噪声模型。

图中，R_S′表示信号源内阻，U_N表示当R_S′等于零时放大电路具有的噪声电压，I_N表示当R_S′不为零时放大电路具有的噪声电流，U_NS为信号源噪声电压(一般情况下指信号源内阻的热噪声电压)，U_SI为信号电压。应用此模型进行计算和分析时，放大电路的噪声等价于U_N和I_N，而认为放大电路是一无噪声理想的放大电路。

在衡量前置放大电路噪声性能好坏时，常用噪声系数来评价，并定义如下：

由图2及式(1)可求得F为：

$F=\frac{U_{NS}^2+U_N^2+I_N^2{R}_S^{\′2}}{U_{NS}^2}=1+\frac{U_N^2}{4{\mathrm{kTR}}_S^{\′}\mathrm{\Δ}f}+\frac{I_N^2{R}_S^{\′}}{4kT\mathrm{\Δ}f}---\left(2\right)$

此时放大电路输出的信噪比S₀/N₀为：

$\frac{S_0}{N_0}=\frac{U_{SI}^2}{U_{NS}^2+U_N^2+I_N^2{R_S^{\′}}^2}=\frac{U_{SI}^2}{4{\mathrm{kTR}}_S^{\′}\mathrm{\Δ}f+U_N^2+I_N^2{R}_S^{\′2}}---\left(3\right)$

其中，k为玻尔兹曼常数，k＝1.3806505×10^-23J/K，T为环境温度，其单位是开尔文(K),K＝273.15+摄氏度，Δf表示放大器频带宽度。

式(2)表明，对于一个理想的无噪声放大电路，F＝1；相反，对于带有噪声的放大电路，F大于1，且F的值越大，引入的噪声也越大。令求得此时F取最小值，即放大电路引入的噪声最小，输出端的信噪比最大，并定义此时的信号源内阻为最佳源电阻(R_SOPT)。因此，在设计放大电路时，为获得较大的信噪比，应使信号源内阻等于最佳源电阻。对于本系统以光导模式工作的硅光电二极管，信号电压是由负载电压提供的，负载就相当于前置放大电路的R_S′。所以，在设计前置放大电路时，为获得较高的信噪比，就应使负载R_L＝R_SOPT。

Ⅱ.前置放大电路的选择与设计以及与探测器的耦合

如上所述，为得到预期的信噪比，在设计和选择本系统的前置放大电路时，首先应根据硅光电二极管探测器选定的负载，利用放大器的噪声模型式(2)和式(3)计算放大电路的噪声系数和最佳源电阻(R_SOPT)，看是否满足预期信噪比的要求以及负载是否等于最佳源电阻。若不满足要求时，就应采取相应的耦合措施使探测器和前置放大电路的阻抗匹配。对于本系统，虽然负载电阻受频率特性的限制不能过大，但由于所选的是低噪声运算放大器，由其噪声模型计算得到的最佳源电阻值近似负载电阻值，所以采用直接耦合方式。其次，根据探测器输出信号电压的大小、响应特性以及激光发射机频率的变化范围等指标来确定前置放大电路的增益和带宽。通过实际测试表明，在设计光电探测器前置放大电路时，所设计的前置放大器要具备低噪声、高增益、低输出阻抗以及要具有良好的抗干扰性能。在设计时，还要充分考虑环境噪声、输入信号的频率、运算放大器的带宽等因素对前置放大电路的影响，只有这样才能使设计出的前置放大电路的性能达到最佳。

Ⅲ.激光接收机的信噪比计算

综上所述，本系统采用的是直接探测方式，且硅光电二极管以光导模式工作，并直接耦合到运算放大器上。所以，本接收机的噪声模型可等效于图3。

由图3和上述知识可求得本系统的信噪比为：

其中，R_L表示负载电阻，I_P表示光电流，I_B表示有背景辐射产生的直流电流、I_D表示暗电流，q表示电子电荷。把式(4)对R_L求偏导数并令其为零，即可求得R_L的最佳值。然而理论计算上的最优值不一定是工程上的最佳值，所以在选取负载电阻值时可先以上述计算和分析的值为参考，并进一步通过实验的方法来最终确定本激光接收机的负载电阻值。

本发明具有以下积极效果：由于实现激光顺利正确地收发是本模拟训练系统的关键，所以首先应在室内近距离条件下，对激光接收信号进行测量，验证其能正确地接收到由激光发射机发射的光信号。其次，在实现室内近距离顺利收发的基础上，在室外环境下，按距离由近至远的方法进行测试，并最终验证在规定距离要求下，接收机是否能正确且不失真地接收到光信号。

Ⅰ.接收机输出信号的测量

如第四章所述，经接收机输出的有用信号中将包含着大量的噪声和干扰信号，这会影响本激光模拟训练系统的性能，所以为了消除噪声，就应该对接收机输出的信号进行滤波处理，但采用何种方式，就必须分析接收机输出信号和噪声的关系和特点(图4)。

如图4可知，噪声信号的幅值约为191mV，而有用信号的幅值约为415mV两者有着显著的差异，且由于后续的单片机需要输入的信号为数字脉冲信号，所以只要在接收机输出信号端加一电压比较器，通过合理地设置阈值就能达到滤除噪声和干扰的作用，并可以得到逻辑电平。通过多次实验分析，并考虑到探测灵敏度的要求，最终把阈值设为300mV。具体的比较器电路图如图5。

Ⅱ.在室内两米距离下的接收机输出波形

由于本激光发射机的重复频率和脉宽能在一定范围内可调，所以在测试接收信号时，分别对频率最高时的最宽和最窄脉冲进行了测量(图6、图7和图8)，同时也对频率最低时的最宽和最窄脉冲进行了测量(图9、图10和图11)。

由图6、图7和图8可知最高工作频率时的参数如下：

f_max＝13.7kHz

U_PK-PK＝4.0V

τ_max＝6.3μs

τ_min＝2.760μs

由图9、图10和图11可知最低工作频率时的参数如下：

f_max＝2.27kHz

U_PK-PK＝4.03V

τ_max＝6.4μs

τ_min＝2.840μs

以上测试图形验证了在室内近距离条件下，接收机能正确且不失真地接收到光信号，所以下一步可在室外远距离条件下进行测试。

Ⅲ.在室外十米距离下的接收机输出波形

如前所述，在室外十米距离下，也分别对频率最高时的最宽和最窄脉冲进行了测量(图12、图13和图14)，同时还对频率最低时的最宽和最窄脉冲进行了测量(图15、图16和图17)。

由图12、图13和图14可知最高工作频率时的参数如下：

f_max＝13.9kHz

U_PK-PK＝4.66V

τ_max＝5.9μs

τ_min＝1.720μs

由图15、图16和图17可知最高工作频率时的参数如下：

f_max＝2.30kHz

U_PK-PK＝4.63V

τ_max＝6.5μs

τ_min＝1.940μs

以上测试图形验证了在室外十米距离条件下，接收机能正确且不失真地接收到光信号。通过对比室内近距离和室外远距离条件下的波形可以发现，两者的频率、电压幅值和脉宽基本保持不变，但远距离条件下测试得到的波形却发生了明显地畸变，并出现了部分振荡。这主要由于在远距离传输时，大气以及大气中的气溶胶将对激光产生散射效应，从而破坏了激光的波形。但其仍能保持矩形波状，且具有满足要求的脉宽，所以不会影响本模拟训练系统的正常工作。

Ⅲ.其他参数的测量

由于脉冲信号的上升时间将影响整个系统的精度，所以其前沿应愈陡愈好，本系统的激光发射信号的上升时间如图18。

由图18可知τ_上升＝10.5ns，C×τ_上升＝3×10⁸×10.5×10^-9＝3.15m，便得到该系统的最大误差为3.15m，因为该值小于20m,所以能满足系统设计的要求。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种激光接收机设计方法，其特征在于，包括下列步骤：

根据硅光电二极管探测器选定的负载，利用放大器的噪声模型式计算放大电路的噪声系数和最佳源电阻；

判断是否满足预期信噪比的要求以及负载是否等于最佳源电阻；

若不满足要求时，就应采取相应的耦合措施使探测器和前置放大电路的阻抗匹配；

根据探测器输出信号电压的大小、响应特性以及激光发射机频率的变化范围指标来确定前置放大电路的增益和带宽。

2.根据权利要求1所述的激光接收机设计方法，其特征在于，所述放大器采用低噪声运算放大器，采取直接耦合方式使探测器和前置放大电路的阻抗匹配。

3.根据权利要求1所述的激光接收机设计方法，其特征在于，所述放大电路的噪声系数和最佳源电阻采用以下放大器的噪声模型式计算：

$F=\frac{U_{NS}^2+U_N^2+I_N^2{R}_S^{\′2}}{U_{NS}^2}=1+\frac{U_N^2}{4{\mathrm{kTR}}_S^{\′}\mathrm{\Δ}f}+\frac{I_N^2{R}_S^{\′}}{4kT\mathrm{\Δ}f},$

$\frac{S_0}{N_0}=\frac{U_{SI}^2}{U_{NS}^2+U_N^2+I_N^2{R}_S^{\′2}}=\frac{U_{SI}^2}{4{\mathrm{kTR}}_S^{\′}\mathrm{\Δ}f+U_N^2+I_N^2{R}_S^{\′2}},$

其中，F表示放大电路噪声系数，S₀/N₀表示放大电路输出的信噪比，R_S′表示信号源内阻，U_N表示当R_S′等于零时放大电路具有的噪声电压，I_N表示当R_S′不为零时放大电路具有的噪声电流，U_NS为信号源噪声电压，U_SI为信号电压，k为玻尔兹曼常数，k＝1.3806505×10^-23J/K，T为环境温度，其单位是开尔文，Δf表示放大器频带宽度。

4.根据权利要求3所述的激光接收机设计方法，其特征在于，对于一个理想的无噪声放大电路，F＝1；相反，对于带有噪声的放大电路，F大于1，且F的值越大，引入的噪声也越大。

5.根据权利要求3所述的激光接收机设计方法，其特征在于，令求得此时F取最小值，即放大电路引入的噪声最小，输出端的信噪比最大，并定义此时的信号源内阻R_S′为最佳源电阻R_SOPT，在设计放大电路时，为获得较大的信噪比，应使信号源内阻等于最佳源电阻。

6.根据权利要求3所述的激光接收机设计方法，其特征在于，所述激光接收机的信噪比为：

其中，R_L表示负载电阻，I_P表示光电流，I_B表示有背景辐射产生的直流电流、I_D表示暗电流，q表示电子电荷，对R_L求偏导数并令其为零，即可求得R_L的最佳值。