CN111060897A - 一种四象限激光探测自动增益控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四象限激光探测自动增益控制电路，四象限激光探测器输出端连接至四个增益放大电路的输入端，四个增益放大电路的输出端连接至四通道高速A/D转换电路的输入端，四通道高速A/D转换电路的输出端连接至FPGA电路的DDR_LVDS接收端，FPGA电路的SPI输出接口连接至四通道高精度D/A转换电路的SPI输入接口，四通道高精度D/A转换电路的输出端连接至四通道电压跟随电路的输入端，四通道电压跟随电路的第一通道输出端、第二通道输出端、第三通道输出端和第四通道输出端对应连接至四个增益放大电路的增益控制端、第一增益参考端、第二增益参考端和偏压模块的输入端，偏压模块的输入端连接至四象限激光探测器的偏压输入端，实现对四象限激光探测信号的最佳处理。

Description

一种四象限激光探测自动增益控制电路

技术领域

本发明属于激光制导技术领域，具体涉及一种四象限激光探测自动增益控制电路。

背景技术

激光回波信号的自动增益控制电路技术是制导领域的核心技术，这项技术是对光电转换后的激光回波脉冲信号进行自适应增益控制，保证放大后的信号具有合适的幅度供后续模数转换电路中进行采样处理，在实际飞行中，激光制导武器由远及近飞向目标时激光能量也随着由弱到强变化，激光导引头能否稳定、精确的输出弹目视线偏差角信号，从而引导激光制导武器命中目标很大程度是上取决于增益控制后信号的稳定性，失真度。

目前的主流的激光回波信号调理技术是通过一级前放电路+一级主放电路+一级四象限探测器偏压控制组成，前放增益动态范围一般为20dB，主放放增益动态范围一般为26dB，四象限探测器偏压控制动态范围约15dB。实施过程中主控芯片根据激光回波信号的电压幅值大小控制模拟开关的通断来选择某一级放大电路的放大或直通，这种方案具有很大的弊端。

首先，每次前放、主放、偏压控制的衰减或放大是档位式的控制，约60dB的动态范围分3档控制，对后续的信号处理电路是严峻的考验，面对复杂多变的使用环境很容易造成饱和失真或者丢失信号，无法正常工作。其次，当探测器距离目标很近的时候，由于激光回波能量太大，即使前放、主放放大器都选择直通，后端模数转换器也会饱和失真，不能探测目标偏离角度，造成很大的盲区，导致中靶率下降。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本发明提供了一种四象限激光探测自动增益控制电路，用以克服现有技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种四象限激光探测自动增益控制电路，包括四象限激光探测器，所述四象限激光探测器的A、B、C和D象限激光脉冲信号输出端对应连接至四个增益放大电路的输入端，四个增益放大电路的输出端分别连接至一个四通道高速A/D转换电路的输入端，四通道高速A/D转换电路的输出端连接至一个FPGA电路的DDR_LVDS接收端，FPGA电路的SPI输出接口连接至四通道高精度D/A转换电路的SPI输入接口，四通道高精度D/A转换电路的输出端连接至四通道电压跟随电路的输入端，四通道电压跟随电路的第一通道输出端连接至四个增益放大电路的增益控制端，四通道电压跟随电路的第二通道输出端连接至四个增益放大电路的第一增益参考端，四通道电压跟随电路的第三通道输出端连接至四个增益放大电路的第二增益参考端，四通道电压跟随电路的第四通道输出端连接至偏压模块的输入端，偏压模块的输入端连接至四象限激光探测器的偏压输入端。

进一步地，所述四个增益放大电路包括用于放大衰减A象限激光脉冲信号的A象限增益放大电路、用于放大衰减B象限激光脉冲信号的B象限增益放大电路、用于放大衰减C象限激光脉冲信号的C象限增益放大电路和用于放大衰减D象限激光脉冲信号的D象限增益放大电路。

进一步地，所述A象限增益放大电路、B象限增益放大电路、C象限增益放大电路和D象限增益放大电路的输出端对应连接至四通道高速A/D转换电路的四个通道的输入端。

进一步地，所述DDR_LVDS接收端包括第一DDR_LVDS接收端、第二DDR_LVDS接收端、第三DDR_LVDS接收端和第四DDR_LVDS接收端，所述四通道高速A/D转换电路的四个通道的输出端对应连接至所述第一DDR_LVDS接收端、第二DDR_LVDS接收端、第三DDR_LVDS接收端和第四DDR_LVDS接收端。

进一步地，所述四通道高速A/D转换电路的采样速率为80～250MIPS。

进一步地，所述四通道电压跟随电路的第一通道输出电压为0～2V，所述四通道电压跟随电路的第二通道输出电压为0.473V，所述四通道电压跟随电路的第三通道输出电压为1.526V，所述四通道电压跟随电路的第四通道输出电压为0～3V。

进一步地，四象限激光探测自动增益控制电路还包括系统供电模块，所述系统供电模块为四象限激光探测器、四个增益放大电路、四通道高速A/D转换电路、FPGA电路、四通道高精度D/A转换电路、四通道电压跟随电路和偏压模块供电。

进一步地，所述四象限激光探测器选用四象限PIN光电二极管或四象限雪崩光电二极管。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明采用动态范围可达-20至+60dB的大动态范围增益放大电路联合输出可调的偏压模块对四象限激光探测器进行增益控制的方案，可实现对激光回波信号-20dB至+75dB总动态增益调节范围，而且整个动态范围内增益高线性度，做到平滑增益控制调节，也可按照使用环境要求对增益控制步长进行设置，从而实现对四象限激光探测信号的最佳处理。相比现有的主流方案动态范围由61dB增加至95dB，本发明的好处是探测距离更远，按照光能量强度与探测距离平方成正比的原理计算可知，使用本发明后的激光探测的距离约为现有技术方案的1.5倍，盲区是约为现有技术方案的1/3，性能有了很大的飞跃。由于使用了可变增益放大电路，可根据不同使用环境实现步长可调的高线性度自动增益控制功能，将待测信号稳定锁定增益控制在最佳采样处理的状态，保证了测量计算弹幕视线偏差角的精确性。使用了高速数模转换电路对激光脉冲信号进行采样，经FPGA电路完成识别处理后再配合高精度模数转换器对激光脉冲信号进行反馈式增益控制，使得本发明不论是作战效能还是对于真实作战环境的适用性都明显优于现有方案。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的连接示意图；

图2是FPGA电路连接示意图。

图中：1-四象限激光探测器；2-A象限增益放大电路；3-B象限增益放大电路；4-C象限增益放大电路；5-D象限增益放大电路；6-四通道高速A/D转换电路；7-FPGA电路；701-第一DDR_LVDS接收端；702-第二DDR_LVDS接收端；703-第三DDR_LVDS接收端；704-第四DDR_LVDS接收端；705-数字滤波模块；706-脉冲信号识别检测与解析模块；707-增益主控模块；708-SPI输出接口；8-四通道高精度D/A转换电路；9-四通道电压跟随电路；10-偏压模块；11-系统供电模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明的某一具体实施方式，参见图1所示，一种四象限激光探测自动增益控制电路，包括一个四象限激光探测器1、A象限增益放大电路2、B象限增益放大电路3、C象限增益放大电路4和D象限增益放大电路5、四通道高速A/D转换电路6、FPGA电路7、四通道高精度D/A转换电路8、四通道电压跟随电路9、偏压模块10和系统供电模块11。

四象限激光探测器1的A、B、C和D象限激光脉冲信号输出端对应连接至A象限增益放大电路2、B象限增益放大电路3、C象限增益放大电路4和D象限增益放大电路5的输入端，A象限增益放大电路2、B象限增益放大电路3、C象限增益放大电路4和D象限增益放大电路5的输出端对应连接至四通道高速A/D转换电路6的四个通道的输入端，四通道高速A/D转换电路6的四个通道的输出端对应连接至FPGA电路7的四个DDR_LVDS接收端，FPGA电路7的SPI输出接口连接至四通道高精度D/A转换电路8的SPI输入接口，四通道高精度D/A转换电路8的四个通道的输出端对应连接至四通道电压跟随电路9的四个通道的输入端，四通道电压跟随电路9的第一通道输出端与A象限增益放大电路2、B象限增益放大电路3、C象限增益放大电路4和D象限增益放大电路5的增益控制端连接，四通道电压跟随电路9的第二通道输出端与A象限增益放大电路2、B象限增益放大电路3、C象限增益放大电路4和D象限增益放大电路5的第一增益参考端连接，四通道电压跟随电路9的第三通道输出端与A象限增益放大电路2、B象限增益放大电路3、C象限增益放大电路4和D象限增益放大电路5的第二增益参考端连接，四通道电压跟随电路9的第四通道输出端与偏压模块10的输入端连接，偏压模块10的输入端与四象限激光探测器1的偏压输入端连接，系统供电模块11为四象限激光探测器1、四个增益放大电路、四通道高速A/D转换电路6、FPGA电路7、四通道高精度D/A转换电路8、四通道电压跟随电路9和偏压模块10供电。

四象限激光探测器是把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，常用于激光制导或激光准直应用中，是目前在光电探测系统使用范围和数量最广的多元非成像光电探测器。在本实施方式中，四象限激光探测器1选用四象限PIN光电二极管或四象限雪崩光电二极管。

四通道高速A/D转换电路6的选用采样速率为80～250MIPS范围内的四通道高速A/D电路，本实施例采用125的采样速率，采用DDR_LVDS模式输出采样结果，实现对增益控制后的A、B、C、D四象限激光脉冲信号高速采样。

如图2所示，FPGA电路7为现场可编程门阵列，它既解决了定制电路的不足，又克服了原有PAL、GAL、CPLD等可编程器件门电路数有限的缺点，本实施方式的FPGA内部逻辑电路包含2个时钟锁相环IP709、第一DDR_LVDS接收端701、第二DDR_LVDS接收端702、第三DDR_LVDS接收端703、第四DDR_LVDS接收端704、1个高速SPI接口IP708以及用户自定义的数字滤波模块705、脉冲信号识别检测与解析模块706和增益主控模块707。

时钟锁相环IP 709为FPGA内部各逻辑模块提供时钟信号；第一DDR_LVDS接收端701、第二DDR_LVDS接收端702、第三DDR_LVDS接收端703和第四DDR_LVDS接收端704分别接收四通道高速A/D电路6采集的A、B、C、D四象限激光脉冲信号数字量。第一DDR_LVDS接收端701、第二DDR_LVDS接收端702、第三DDR_LVDS接收端703和第四DDR_LVDS接收端704与数字滤波模块705的输入端连接，数字滤波模块705的输出端与脉冲信号识别检测与解析模块706的输入端连接，脉冲信号识别检测与解析模块706的输出端与增益主控模块707的输入端连接，增益主控模块707的输出端与SPI输出接口708连接。高速SPI接口IP708对四通道高精度D/A转换电路8的4个通道输出电压独立控制；数字滤波模块705用于对A、B、C、D四象限激光脉冲信号数字量进行数字滤波处理；脉冲信号识别检测与解析模块706用于识别检测激光脉冲信号，解析计算实际信号电压并求四象限激光脉冲信号电压的最大值、最小值以及和值；增益主控模块707用于将四象限的激光脉冲信号电压和值信号锁定控制在2±0.1V、将单一象限激光脉冲信号电压的最大值控制在不大于0.8V，将单一象限激光脉冲信号电压的最小值控制在不小于0.4V。

四通道高精度D/A转换电路8采用16位精度的四通道DAC芯片设计，四通道独立输出，第一通道输出电压0～2V，第一通道输出端连接至四通道电压跟随电路9的第一通道输入端；第二通道输出电压0.473V，第二通道输出端连接至四通道电压跟随电路9的第二通道输入端；第三通道输出电压1.526V，第三通道输出端连接至四通道电压跟随电路9的第三通道输入端；第四通道输出电压0～3V，第四通道输出端连接至四通道电压跟随电路9的第四通道输入端。

四通道电压跟随电路9采用低失真轨到轨四通道放大器芯片设计，四通道独立输出，四通道电压跟随电路9的第一通道输出电压为0～2V，第一通道输出端连接至A、B、C、D四象限大动态范围增益放大电路的增益控制输入端；四通道电压跟随电路9的第二通道输出电压为0.473V，第二通道输出端连接至A、B、C、D四象限大动态范围增益放大电路的第一增益参考输入端；四通道电压跟随电路9的第三通道输出电压为1.526V，第三通道输出端连接至A、B、C、D四象限大动态范围增益放大电路的第二增益参考输入端；四通道电压跟随电路9的第四通道输出电压为0～3V，第四通道输出端连接至偏压模块10的调节端。

偏压模块10输出0～-400V线性可调电源模块，调节端输入电压为0～3V，实现15dB的自动增益控制。系统供电模块11为输出5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V为各子系统电路供电。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种四象限激光探测自动增益控制电路，其特征在于，包括四象限激光探测器(1)，所述四象限激光探测器(1)的A、B、C和D象限激光脉冲信号输出端对应连接至四个增益放大电路的输入端，四个增益放大电路的输出端分别连接至一个四通道高速A/D转换电路(6)的输入端，四通道高速A/D转换电路(6)的输出端连接至一个FPGA电路(7)的DDR_LVDS接收端，FPGA电路(7)的SPI输出接口连接至四通道高精度D/A转换电路(8)的SPI输入接口，四通道高精度D/A转换电路(8)的输出端连接至四通道电压跟随电路(9)的输入端，四通道电压跟随电路(9)的第一通道输出端连接至四个增益放大电路的增益控制端，四通道电压跟随电路(9)的第二通道输出端连接至四个增益放大电路的第一增益参考端，四通道电压跟随电路(9)的第三通道输出端连接至四个增益放大电路的第二增益参考端，四通道电压跟随电路(9)的第四通道输出端连接至偏压模块(10)的输入端，偏压模块(10)的输入端连接至四象限激光探测器(1)的偏压输入端。

2.根据权利要求1所述的一种四象限激光探测自动增益控制电路，其特征在于，所述四个增益放大电路包括用于放大衰减A象限激光脉冲信号的A象限增益放大电路(2)、用于放大衰减B象限激光脉冲信号的B象限增益放大电路(3)、用于放大衰减C象限激光脉冲信号的C象限增益放大电路(4)和用于放大衰减D象限激光脉冲信号的D象限增益放大电路(5)。

3.根据权利要求2所述的一种四象限激光探测自动增益控制电路，其特征在于，所述A象限增益放大电路(2)、B象限增益放大电路(3)、C象限增益放大电路(4)和D象限增益放大电路(5)的输出端对应连接至四通道高速A/D转换电路(6)的四个通道的输入端。

4.根据权利要求3所述的一种四象限激光探测自动增益控制电路，其特征在于，所述DDR_LVDS接收端包括第一DDR_LVDS接收端(701)、第二DDR_LVDS接收端(702)、第三DDR_LVDS接收端(703)和第四DDR_LVDS接收端(704)，所述四通道高速A/D转换电路(6)的四个通道的输出端对应连接至所述第一DDR_LVDS接收端(701)、第二DDR_LVDS接收端(702)、第三DDR_LVDS接收端(703)和第四DDR_LVDS接收端(704)。

5.根据权利要求4所述的一种四象限激光探测自动增益控制电路，其特征在于，所述四通道高速A/D转换电路(6)的采样速率为80～250MIPS。

6.根据权利要求5所述的一种四象限激光探测自动增益控制电路，其特征在于，所述四通道电压跟随电路(9)的第一通道输出电压为0～2V，所述四通道电压跟随电路(9)的第二通道输出电压为0.473V，所述四通道电压跟随电路(9)的第三通道输出电压为1.526V，所述四通道电压跟随电路(9)的第四通道输出电压为0～3V。

7.根据权利要求6所述的一种四象限激光探测自动增益控制电路，其特征在于，四象限激光探测自动增益控制电路还包括系统供电模块(11)，所述系统供电模块(11)为四象限激光探测器(1)、四个增益放大电路、四通道高速A/D转换电路(6)、FPGA电路(7)、四通道高精度D/A转换电路(8)、四通道电压跟随电路(9)和偏压模块(10)供电。

8.根据权利要求7所述的一种四象限激光探测自动增益控制电路，其特征在于，所述四象限激光探测器(1)选用四象限PIN光电二极管或四象限雪崩光电二极管。

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