CN113740878B - 用于测风雷达的平衡探测器电路 - Google Patents

用于测风雷达的平衡探测器电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于测风雷达的平衡探测器电路，其特征在于它包括平衡探测器、电阻Rg、高通滤波器、射频放大器和低通滤波器，所述平衡探测器的输出端分两路：一路通过电阻Rg接地，另一路连接高通滤波器的输入端；高通滤波器的输出端连接射频放大器的输入端，射频放大器的输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接输出Vout。本发明方案前端光电转换采用电流相减型的平衡探测结构，后端放大部分采用射频放大器，通过添加滤波器来调整带宽，改变射频放大器电路来调整系统响应参数，通过多级放大提高系统增益。通过发明能够解决激光雷达常见的回光信号饱和问题，从而提升探测距离与探测精度。

Description

用于测风雷达的平衡探测器电路
技术领域
本发明属于雷达探测领域，具体是一种用于测风雷达的平衡探测器电路。
背景技术
激光雷达(英文：Laser Radar)，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态等数据。激光雷达具有分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强、低空探测性能号、体积小、质量小等优点。现今激光雷达已成为了探测全球大气风场的强有力的手段。在区域大气风速的遥感应用中，相干测风激光雷达已显示出其优势，例如，测量飞行器的速度、湍流探测、风切变、飞机尾流等。另外，相干测风激光雷达的风速测量还可以提高风能利用的效率。但是在相干检测体制中，本振光的噪声、激光器产生的相对强度噪声(RIN)、散粒噪声和温差的影响仍无法消除，为了更好地利用本振光功率和抑制RIN，进一步提高系统的灵敏度，近来各种基于相干探测技术的平衡探测器被广泛应用于数字光纤通信领域。
图1为电流自减型平衡探测器结构框图，现阶段大部分平衡探测器均采用该结构。
在激光雷达中，调制光信号与接收端的本振光可表示为：
ES(t)＝AS(t)exp(jωSt+jθS)
ELO(t)＝ALO(t)exp(jωLOt+jθLO)
其中ES(t)为信号光，ELO(t)为本振光。在激光雷达系统光路中，经过一个180°的耦合器后，PD1和PD2的光场分别变化为：
采用平衡探测器结构后，接受的电信号最终可表示为：
其中Ps(t)为信号光功率，PLO(t)为本振光功率。
得到的光电流最终经由跨阻放大器(TIA)实现电流电压转换以及放大。最终输出电压为
Vout＝I(t)*R
其中R为跨阻放大器设置的电阻。
在激光雷达设计中，通过建立模型，进行适当的假设后，激光雷达的信噪比可以用以下公式表示
通过公式我们可以得知，要想获得更高的信噪比，提高激光输出功率是一个行之有效并且最容易实现的方法。
在一般的平衡探测器中，为了实现微弱信号的探测，跨阻放大器一般会选择增益非常大，从几十K到几百K甚至几M。当激光功率增大后，由于端面的反射现象，在激光发射时会产生一个比较强的回光信号，即上一节中提到的ES(t)和ELO(t)会瞬间增大非常多。在这种情况下，电流自减型平衡探测结构中输出的瞬间光电流会出现一个过大的电流信号，从而导致放大器直接饱和，输出出现振荡。达到饱和后，对于一般的放大器，都需要一定的时间恢复，过载恢复是运算放大器输出从饱和状态恢复为线性状态所需的时间。当放大器恢复至平衡状态后，放大器才能开始以正常压摆率进行转换。
图2为雷达中使用传统平衡探测器时得到的时域图，黑色方框内明显可以看到探测器已经饱和。过载恢复时间直接影响了测量信号可使用的时间范围，进而直接影响了激光雷达的测量盲区，使盲区扩展。若过载恢复时间过长，甚至导致雷达无法正常工作。
发明内容
为了解决上述问题，本专利提出了一种新型的后端电学设计方案。
技术方案：
一种用于测风雷达的平衡探测器电路，它包括平衡探测器、电阻Rg、高通滤波器HPF、射频放大器RFA和低通滤波器LPF，所述平衡探测器的输出端分两路：一路通过电阻Rg接地，另一路连接高通滤波器HPF的输入端；高通滤波器HPF的输出端连接射频放大器RFA的输入端，射频放大器RFA的输出端连接低通滤波器LPF的输入端，低通滤波器LPF的输出端接输出Vout。
优选的，所述高通滤波器HPF包括第一电容C1，平衡探测器的输出端通过第一电容C1连接射频放大器RFA的输入端。
优选的，所述射频放大器RFA包括第二电容C2、第一电感L1、第三电容C3、芯片U1，第六电容C6，其中：射频放大器RFA的输入端口一方面通过第二电容C2接地，射频放大器RFA的输入端口另一方面顺次通过第一电感L1、第三电容C3连接芯片U1的输入端，芯片U1的输出端通过第六电容C6连接射频放大器RFA的输出端口。
优选的，所述射频放大器RFA还包括第四电容C4和第一电阻R1，芯片U1的输入端顺次通过第四电容C4、第一电阻R1连接芯片U1的输出端。
优选的，所述射频放大器RFA还包括第二电感L2，芯片U1的输出端通过第二电感L2连接电源端Vdd。
优选的，所述射频放大器RFA还包括第五电容C5，电源端Vdd通过第五电容C5接地。
优选的，所述低通滤波器LPF为180M六阶巴特沃斯低通滤波器。
优选的，设置多级射频放大器RFA串联，以提高系统增益。
本发明的有益效果
本发明方案前端光电转换采用电流相减型的平衡探测结构，后端放大部分采用射频放大器，电路中添加无源滤波器来限制系统响应带宽，改变射频放大器外围电路来调整放大器的S参数，通过多级射频放大器串联提高系统增益。通过发明能够解决激光雷达常见的回光信号饱和问题，从而提升探测距离与探测精度。
本发明所提供的的射频放大器与高通滤波器电路，与之前传统的运算放大器相比，输出功率更大，工作频率更大。且该结构反馈结构简单，即使饱和后饱和恢复时间也会非常短，不会出现饱和振荡现象。从而克服传统方式使用跨组放大器由于其增益带宽积比较小，饱和恢复慢等问题导致的工作带宽范围小，可输入功率小的缺点。
附图说明
图1为背景技术中电流自减型平衡探测器结构框图
图2为雷达中使用传统平衡探测器饱和时得到的时域图
图3为本发明的平衡探测器单级放大电路结构框图
图4为本发明的平衡探测器电路图
图5为本发明高通滤波器与放大器电路图
图6为本发明实施例中放大器S参数示意图
图7为本发明实施例中回光信号示意图
图8为本发明的低通滤波器电路图
图9为本发明的平衡探测器单级放大电路S参数
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
结合图3，方案包括平衡探测器、电阻Rg、高通滤波器HPF、射频放大器RFA和低通滤波器LPF，所述平衡探测器的输出端分两路：一路通过电阻Rg接地，另一路连接高通滤波器HPF的输入端；高通滤波器HPF的输出端连接射频放大器RFA的输入端，射频放大器RFA的输出端连接低通滤波器LPF的输入端，低通滤波器LPF的输出端接输出Vout。
在结构中，电阻Rg用于维持两个PD两端的电位平衡，从而保证无光时两个PD中点电位为0，此处Rg阻值一般选择不低于5.1k的电阻。
射频放大器RFA输入阻抗50欧姆与Rg并联作为电流-电压转换负载，射频放大器RFA作为第一级放大器件。在其他实施例中，可设置多级射频放大器RFA串联实现多级放大，以提高系统增益。优选的实施例中，利用本专利在已有的产品上使用的平衡探测器测试中采用了三级放大结构。
在激光雷达的相干探测应用中，由于端面返回的光信号与发射光接近同频同相，因此端面返回的光信号与发射光信号混频后频差ωIF会很小，根据公式 可以得出此时的主要能量集中在低频段。为了抑制这个信号的影响，故在后端添加一个高通滤波器(HPF)滤除低频信号。在此前端添加一个隔直电容，用于实现该功能。
图4给出了本发明完整的平衡探测器电路图。
为了能够方便接收输出的电流信号，需要将该电流信号转换为电压信号。最简单实用的方法是经过高通滤波后的电流信号通过一个固定的负载来实现电流到电压的转换，即欧姆定律V＝I×R。在本设计中，将下一级放大器的输入阻抗作为该固定负载。图5为包含了高通滤波器的放大器设计。
图中C1用于完成高通滤波功能，滤除信号中的低频成分。在该结构中，输入阻抗调整为50欧姆左右，这样整个PD平衡结构的负载变为Rg//50，由于Rg>>50，此时可约为50。放大器输入的电压为Vin(t)＝I(t)×50；
使用网络分析仪测试该结构的S参数如下图6所示，图中22.5db附近的曲线为S21，表示了该结构的增益。由于前端添加的高通滤波器，30M之前的信号有比较大的衰减，30M以后的信号能够正常放大。从图中可以看到该增益平坦度约为0.1db，平坦度比较好。在激光雷达相干检测中，最后检测的为光的频率信息，对平坦度要求不严格，0.1db的增益变化几乎无影响。
采用该结构后，与之前传统的运算放大器相比，输出功率更大，输出功率可以达到39dbm，工作频率更大，可以达到1G。另外该结构反馈结构简单，即使饱和后饱和恢复时间也会非常短，不会出现饱和振荡现象。从而克服传统方式使用跨组放大器由于其增益带宽积比较小，饱和恢复慢等问题导致的工作带宽范围小，可输入功率小的缺点。
图7给出了输入功率与图2输入相同光强后的时域信号，图中看不到由于饱和引入的振荡现象。在实际使用中可以根据实际情况增加放大级数从而提高整体增益，从而提高信号功率。此时整个自研平衡探测器在带宽内输出Vout(t)＝I(t)×50×A。其中A为总的放大增益。
在激光雷达使用中，使用的干涉信号有效频率是有一定范围的，本专利的放大结构带宽较大，为了减少高频干扰信号的引入，提高系统的信噪比，因此在输出端添加一个低通滤波器LPF用于滤除不需要的高频信号。图8为设计的180M六阶巴特沃斯低通滤波器。此时自研的平衡探测器响应带宽变为30-180M。
添加该滤波器后，整个结构的S21增益如图9所示。从S21曲线可以看出，此时系统的工作带宽变为30M-180M，增益51db左右，此时可探测最小信号可低于-40dbm，能够满足一般激光雷达中使用80-120M移频信号的探测需求。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种用于测风雷达的平衡探测器电路，其特征在于它包括平衡探测器、电阻Rg、高通滤波器HPF、射频放大器RFA和低通滤波器LPF，所述平衡探测器的输出端分两路：一路通过电阻Rg接地，另一路连接高通滤波器HPF的输入端；高通滤波器HPF的输出端连接射频放大器RFA的输入端，射频放大器RFA的输出端连接低通滤波器LPF的输入端，低通滤波器LPF的输出端接输出Vout；
所述高通滤波器HPF包括第一电容C1，平衡探测器的输出端通过第一电容C1连接射频放大器RFA的输入端；
所述射频放大器RFA包括第二电容C2、第一电感L1、第三电容C3、芯片U1，第六电容C6，其中：射频放大器RFA的输入端口一方面通过第二电容C2接地，射频放大器RFA的输入端口另一方面顺次通过第一电感L1、第三电容C3连接芯片U1的输入端，芯片U1的输出端通过第六电容C6连接射频放大器RFA的输出端口；
所述射频放大器RFA还包括第二电感L2，芯片U1的输出端通过第二电感L2连接电源端Vdd；
所述射频放大器RFA还包括第五电容C5，电源端Vdd通过第五电容C5接地；
所述射频放大器RFA还包括第四电容C4和第一电阻R1，芯片U1的输入端顺次通过第四电容C4、第一电阻R1连接芯片U1的输出端。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述低通滤波器LPF为180M六阶巴特沃斯低通滤波器。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于设置多级射频放大器RFA串联，以提高系统增益。
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Address after: Building B2, Hongfeng Science Park, Kechuang Road, Nanjing Economic and Technological Development Zone, Qixia District, Nanjing City, Jiangsu Province, 210000

Applicant after: Nanjing Mulai Laser Technology Co.,Ltd.

Address before: 210000 block A1, Longgang Science Park, Hengyuan Road, Nanjing Economic and Technological Development Zone, Jiangsu Province

Applicant before: Nanjing Mulai Laser Technology Co.,Ltd.

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GR01 Patent grant
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