CN113805244A - 一种微型激光探测装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光探测技术领域，具体涉及一种微型激光探测装置及其控制方法。包括四象限探测器、放大电路、反向比例运算反馈回路、增益控制模块和信号处理模块，每个反向比例运算反馈回路均包含并联设置的第一反馈回路和第二反馈回路；反向比例运算反馈回路用于通过第一反馈回路或第二反馈回路将放大电路输出的各路放大信号反馈至所述增益控制模块；增益控制模块用于根据各路反馈信号计算出对应的增益信号，并将各路增益信号输入至放大电路；信号处理模块用于根据采集的电压大小控制增益控制模块接通所述反向比例运算反馈回路的第一反馈回路或第二反馈回路。能够实现放大电路的高度集成，使激光探测装置的微型化设计成为可能。

Description

一种微型激光探测装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及激光探测技术领域，具体涉及一种微型激光探测装置及其控制方法。

背景技术

激光半主动制导拥有精度高，抗干扰能力强，结构较为简单，成本低，使用方便的特点，可广泛应用于实战。激光探测装置的微型化一直是各国军事领域的一个重要发展方向，具有广阔的发展前景。

现有的激光探测装置针对四象限探测器的四路信号输出，分别采用四个放大电路分别对四象限探测器的信号进行放大处理。而由于四路信号的放大电路完全独立，其体积较大，占用了较多的布线空间，不利于激光探测装置的微型化设计。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种微型激光探测装置及其控制方法，能够实现放大电路的高度集成，使激光探测装置的微型化设计成为可能。

本发明一种微型激光探测装置，其技术方案为：包括四象限探测器、放大电路、反向比例运算反馈回路、增益控制模块和信号处理模块，所述反向比例运算反馈回路的数量与四象限探测器的电压信号输出端的数量一致，每个所述反向比例运算反馈回路均包含并联设置的第一反馈回路和第二反馈回路；

所述四象限探测器用于采集光信号，并将所述光信号转换为电压信号输出至放大电路；

所述放大电路用于根据增益控制模块输入的各个增益信号对四象限探测器输入的多路电压信号进行同步放大；

所述反向比例运算反馈回路用于通过第一反馈回路或第二反馈回路将所述放大电路输出的各路放大信号反馈至所述增益控制模块；

所述增益控制模块用于根据各路反馈信号计算出对应的增益信号，并将各路增益信号输入至放大电路；

所述信号处理模块用于根据采集的电压大小控制增益控制模块接通所述反向比例运算反馈回路的第一反馈回路或第二反馈回路。

较为优选的，所述四象限探测器的多个电压信号输出端分别与所述放大电路的多个电压信号输入端连接，所述放大电路的多个放大信号输出端分别经一个反向比例运算反馈回路连接至所述增益控制模块对应的反馈信号输入端，所述增益控制模块的各个增益信号输出端分别连接至所述放大电路对应的电压信号输入端，所述信号处理模块的控制信号输出端与所述增益控制模块的控制信号输入端连接。

较为优选的，还包括

当所述信号处理模块向所述增益控制模块输入低电平控制信号时，所述益控制模块与全部反向比例运算反馈回路的第一反馈回路接通，并与全部第二反馈回路断开；

当所述信号处理模块向所述增益控制模块输入高电平控制信号时，所述益控制模块与全部反向比例运算反馈回路的第二反馈回路接通，并与全部第一反馈回路断开。

较为优选的，所述第一反馈回路包括并联设置的第一反馈电容和第一反馈电阻，所述第二反馈回路包括并联设置的第二反馈电容和第二反馈电阻，所述第一反馈电容和第二反馈电容的电容量相同，所述第一反馈电阻的阻值小于第二反馈电阻的阻值。

较为优选的，还包括缓冲电路，所述缓冲电路用于实现电压跟随，所述放大电路的放大信号输出端通过所述缓冲电路连接至所述信号处理模块，所述信号处理模块根据所述缓冲电路输入的电压大小对所述增益控制模块进行控制。

较为优选的，所述增益控制模块采用四通道单刀双掷模拟开关芯片。

较为优选的，所述缓冲电路采用轨对轨输入/输出精密运算放大器。

本发明一种微型激光探测装置的控制方法，其技术方案为，包括：

四象限探测器经放大电路输出电压信号至信号处理模块；

当所述电压信号小于所述信号处理模块设定的电压阈值时，所述信号处理模块控制增益控制模块接通全部反向比例运算反馈回路的第二反馈回路；

当所述电压信号不小于所述信号处理模块设定的电压阈值时，所述信号处理模块控制增益控制模块接通全部反向比例运算反馈回路的第一反馈回路；

其中，所述第二反馈回路的反馈电阻的阻值大于第一反馈回路的反馈电阻的阻值。

较为优选的，所有第一反馈回路或第二反馈回路均同时接通或断开。

本发明的有益效果为：

1、通过一个增益控制模块、一个放大电路进行探测器四个象限输出信号增益切换的同步控制，无需设置多路放大电路，极大地提高了电路集成度，有利于微型激光探测装置的微型设计。

2、反向比例运算反馈回路采用双反馈回路设计，并通过信号处理模块根据采集的电压大小实现反馈回路的选择性接入，从而实现放大倍数的调节。该结构使探测器能够根据探测物的远近调节放大倍数，使探测物在任意位置均能具有较佳的信号输出质量。

附图说明

图1为本发明连接原理示意图；

图2为本发明四象限探测器的示意图；

图3为本发明放大电路的示意图；

图4为本发明增益控制模块的示意图；

图5为本发明反向比例运算反馈回路的示意图；

图6为本发明缓冲模块的示意图；

图7为本发明反向比例运算放大原理示意图；

图8为四通道单刀双掷模拟开关芯片示意图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本发明一种微型激光探测装置，包括四象限探测器、放大电路、反向比例运算反馈回路、增益控制模块和信号处理模块，所述反向比例运算反馈回路的数量与四象限探测器的电压信号输出端的数量一致，每个所述反向比例运算反馈回路均包含并联设置的第一反馈回路和第二反馈回路；

所述四象限探测器用于采集光信号，并将所述光信号转换为电压信号输出至放大电路；

所述放大电路用于根据增益控制模块输入的各个增益信号对四象限探测器输入的多路电压信号进行同步放大；

所述反向比例运算反馈回路用于通过第一反馈回路或第二反馈回路将所述放大电路输出的各路放大信号反馈至所述增益控制模块；

所述增益控制模块用于根据各路反馈信号计算出对应的增益信号，并将各路增益信号输入至放大电路；

所述信号处理模块用于根据采集的电压大小控制增益控制模块接通所述反向比例运算反馈回路的第一反馈回路或第二反馈回路。

较为优选的，所述四象限探测器的多个电压信号输出端分别与所述放大电路的多个电压信号输入端连接，所述放大电路的多个放大信号输出端分别经一个反向比例运算反馈回路连接至所述增益控制模块对应的反馈信号输入端，所述增益控制模块的各个增益信号输出端分别连接至所述放大电路对应的电压信号输入端，所述信号处理模块的控制信号输出端与所述增益控制模块的控制信号输入端连接。

较为优选的，还包括

当所述信号处理模块向所述增益控制模块输入低电平控制信号时，所述益控制模块与全部反向比例运算反馈回路的第一反馈回路接通，并与全部第二反馈回路断开；

当所述信号处理模块向所述增益控制模块输入高电平控制信号时，所述益控制模块与全部反向比例运算反馈回路的第二反馈回路接通，并与全部第一反馈回路断开。

较为优选的，所述第一反馈回路包括并联设置的第一反馈电容和第一反馈电阻，所述第二反馈回路包括并联设置的第二反馈电容和第二反馈电阻，所述第一反馈电容和第二反馈电容的电容量相同，所述第一反馈电阻的阻值小于第二反馈电阻的阻值。

较为优选的，还包括缓冲电路，所述缓冲电路用于实现电压跟随，所述放大电路的放大信号输出端通过所述缓冲电路连接至所述信号处理模块，所述信号处理模块根据所述缓冲电路输入的电压大小对所述增益控制模块进行控制。

较为优选的，所述增益控制模块采用四通道单刀双掷模拟开关芯片。

较为优选的，所述缓冲电路采用轨对轨输入/输出精密运算放大器。

在模拟弹体飞行过程中，弹体相对目标由远及近飞行，接收到的激光辐射强度越来越强。在飞行过程中激光探测装置从最远能够接收激光辐射的最低响应度逐渐趋近于饱和态。基于以上情况，本装置的工作过程如下：

当处于远距离时，激光探测装置接收激光辐射能量弱，需要放大电路对输出的电信号进行放大。由增益控制电路切换反相比例运算反馈回路至第二反馈回路，提高放大电路对输出信号的放大倍数。

当探测物距离变近，激光探测装置接收激光辐射能量变强，当放大后的输出信号达到集成运放输出额定值时(实际取值会低于额定值，留有余量)，即可由增益控制电路切换反相比例运算反馈回路至第一反馈回路，降低放大电路对输出信号的放大倍数。

通过以上控制模式，能够实现探测物在不同距离下的最佳信号输出。

实施例一

本实施例结合具体的电路结构对该装置进行说明。

如图2所示，四象限探测器通过U1将光信号转化为电信号，并通过输出端输出4路电压信号AX、BX、CX、DX至放大电路。

如图3所示，放大电路的低功耗放大器D1设置4路信号输入端，该信号输入端分别接收AX、BX、CX、DX信号，并同时接收对应的增益信号INA-、INB-、INC-、IND-。D1根据输入的电压信号及增益信号实现信号的放大输出，其输出信号OUTA、OUTB、OUTC、OUTD输入至每个对应的反向比例运算反馈回路。

如图4所示，增益控制模块采用低阻模拟开关芯片D2，D2接收控制信号CTRL，通过CTRL的高/低电平，控制通道SA1-、SB1-、SC1-、SD1-接通或SA2-、SB2-、SC2-、SD2-接通。同时，其根据反向比例运算反馈回路输入的反馈信号INA1-、INB1-、INC1-、IND1-或INA2-、INB2-、INC2-、IND2-，输出增益信号INA-、INB-、INC-、IND-。

如图5所示，反向比例运算反馈回路包括4个独立回路，每个回路的电路结果完全相同，每个回路分别包括两个反馈回路。

当电压信号小于信号处理模块设定的电压阈值时，信号处理模块控制增益控制模块接通全部反向比例运算反馈回路的第二反馈回路，此时反向比例运算反馈回路输出的反馈信号为INA2-、INB2-、INC2-、IND2-；

当电压信号不小于信号处理模块设定的电压阈值时，信号处理模块控制增益控制模块接通全部反向比例运算反馈回路的第一反馈回路，此时反向比例运算反馈回路输出的反馈信号为INA1-、INB1-、INC1-、IND1-。

其中，第一反馈电容和第二反馈电容的电容量相同，本实施例取值为108pF，第一反馈电阻的阻值小于第二反馈电阻的阻值，本实施例第一反馈电阻的阻值为1kΩ，第二反馈电阻的阻值为12kΩ。

反向比例运算放大电路的原理如图7所示：

已知

V+＝0 (1)

由虚短可得

V+＝V- (2)

由于VN与V-等电位

VN＝0 (3)

I＝0 (4)

对N点进行节点电流分析有：

Ii＝-If (5)

Vi/R1＝-Vo/Rf (6)

则有：Vo＝-Vi×(Rf/R1) (7)

即，公式(7)即为根据输入电压得到到输出电压大小。

如图6所示，缓冲电路为轨对轨输入/输出精密运算放大器，用于实现电压跟随，减小信号损耗，提高信号质量。其输入信号为放大电路的输出信号OUTA、OUTB、OUTC、OUTD，输出信号为OUTAX、OUTBX、OUTCX、OUTDX，该信号输入至信号处理模块。

实施例二

如图8所示，本实施例增益控制模块的D2采用四通道单刀双掷模拟开关芯片，该芯片采用两输入单数出，若其中一路输入与输出连接，则另一路输入为断路。通过控制IN引脚的高低电平确定哪一路输入与输出连接，从而控制增益倍数(也可以通过此方法实现单刀多掷等，控制更多增益倍数)。由一个四通道单刀双掷模拟开关芯片可以进行探测器四个象限输出信号增益切换的同步控制。

四通道单刀双掷模拟开关芯片的EN#为芯片使能信号引脚，低电平有效，将此信号接地使得芯片上电即可正常工作；IN为不同通路选择的控制信号输入引脚，低电平时选择1#端(S1x)，高电平时选择2#端(S2x)，由后级信号处理板上给出的控制信号CTRL进行通道选择。

本装置在四象限探测器选择时，需要考虑敏面面积、光响应度、响应速度、噪声暗电流、通量阈值、结电容、每个象限光响应度的一致性等因素，其中最重要的是通量阈值和每个象限光响应度的一致性。这些参数将直接影响探测定位精度和制导速度。下面对主要参数进行分析：

a)光敏面面积

光敏面面积决定导引头探测视场范围，面积越大视场越大，但是光敏面大会引起探测器自身结电容过大，带来的后果就是探测器响应速度减慢。另外光敏面大，受背景光影响也就大，从而信噪比降低，所以在选择四象限探测器时，应针对光学接收系统具体应用环境，综合考虑，选择光敏面大小合适的四象限探测器。

b)光谱响应度

四象限探测器的光谱响应度的高低，决定了整个系统的接收灵敏度。四象限PIN光电二极管、四象限APD光电二极管和四象限硅光电池探测器，对以1.064μm为中心波段的激光敏感，其响应峰值从0.4μm开始并一直延伸至1.lμm处，所以要求探测器的光敏面的耗尽层厚度尽可能厚一些，但随之而来的是光生载流子渡越时间的增加以及工作偏压的提高等问题，所以也要兼顾考虑。

c)响应速度

响应速度对于制导武器来说是一个重要参数，它直接影响到制导的实时性。一般定义为输出信号从峰值的10％上升到90％所需要的时间。对于一个全耗尽的光电探测器，其响应速度主要取决于光生载流子在耗尽层中的渡越时间、RC时间常数等因素。如果要求响应速度快，则耗尽层必须薄，光敏面积要小。所以该项参数应结合光敏面积、响应度、工作反偏电压等参数综合考虑，采取折中的办法选取合适的探测器。

d)通量阈值Pth

四象限探测器的通量阈值Pth,表明了探测器所能探测到的最小光脉冲信号的功率，单位为(W)。对PIN光电二极管探测器而言，其灵敏阈值约为10-7－10-8(W)量级。

e)象元隔离性

为了提高光斑能量的利用率，象元之间的缝隙不可能做的很大，这样象元之间就存在串扰的问题。对于制导用四象限光电探测器而言，各象元间的良好隔离有利于减小系统误差，提高导引头系统的定位精度。象元之间通常都是用PN结隔离，并有一定的“盲区”，此“盲区”的大小和器件的设计水平和制作工艺有关。

f)象限光电响应度

光敏面要保证较高的光电响应一致性，对器件的材料和制作工艺要求苛刻。目前，市场上的光伏型四象限探测器，光敏面较小的不均匀性可控制在6％以内，光敏面较大的不均匀性是10％-25％。四象限探测器跟踪定位系统的非线性误差主要由探测器的不均匀性产生，为了减小非线性误差，在整个测量范围内灵敏度是一个常量，需要采取校正措施。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微型激光探测装置，其特征在于：包括四象限探测器、放大电路、反向比例运算反馈回路、增益控制模块和信号处理模块，所述反向比例运算反馈回路的数量与四象限探测器的电压信号输出端的数量一致，每个所述反向比例运算反馈回路均包含并联设置的第一反馈回路和第二反馈回路；

所述四象限探测器用于采集光信号，并将所述光信号转换为电压信号输出至放大电路；

所述放大电路用于根据增益控制模块输入的各个增益信号对四象限探测器输入的多路电压信号进行同步放大；

所述反向比例运算反馈回路用于通过第一反馈回路或第二反馈回路将所述放大电路输出的各路放大信号反馈至所述增益控制模块；

所述增益控制模块用于根据各路反馈信号计算出对应的增益信号，并将各路增益信号输入至放大电路；

所述信号处理模块用于根据采集的电压大小控制增益控制模块接通所述反向比例运算反馈回路的第一反馈回路或第二反馈回路。

2.根据权利要求1所述的微型激光探测装置，其特征在于：所述四象限探测器的多个电压信号输出端分别与所述放大电路的多个电压信号输入端连接，所述放大电路的多个放大信号输出端分别经一个反向比例运算反馈回路连接至所述增益控制模块对应的反馈信号输入端，所述增益控制模块的各个增益信号输出端分别连接至所述放大电路对应的电压信号输入端，所述信号处理模块的控制信号输出端与所述增益控制模块的控制信号输入端连接。

3.根据权利要求1所述的微型激光探测装置，其特征在于：还包括

当所述信号处理模块向所述增益控制模块输入低电平控制信号时，所述益控制模块与全部反向比例运算反馈回路的第一反馈回路接通，并与全部第二反馈回路断开；

当所述信号处理模块向所述增益控制模块输入高电平控制信号时，所述益控制模块与全部反向比例运算反馈回路的第二反馈回路接通，并与全部第一反馈回路断开。

4.根据权利要求1所述的微型激光探测装置，其特征在于：所述第一反馈回路包括并联设置的第一反馈电容和第一反馈电阻，所述第二反馈回路包括并联设置的第二反馈电容和第二反馈电阻，所述第一反馈电容和第二反馈电容的电容量相同，所述第一反馈电阻的阻值小于第二反馈电阻的阻值。

5.根据权利要求1所述的微型激光探测装置，其特征在于：还包括缓冲电路，所述缓冲电路用于实现电压跟随，所述放大电路的放大信号输出端通过所述缓冲电路连接至所述信号处理模块，所述信号处理模块根据所述缓冲电路输入的电压大小对所述增益控制模块进行控制。

6.根据权利要求1所述的微型激光探测装置，其特征在于：所述增益控制模块采用四通道单刀双掷模拟开关芯片。

7.根据权利要求5所述的微型激光探测装置，其特征在于：所述缓冲电路采用轨对轨输入/输出精密运算放大器。

8.一种根据权利要求1所述的微型激光探测装置的控制方法，其特征在于，包括：

四象限探测器经放大电路输出电压信号至信号处理模块；

当所述电压信号小于所述信号处理模块设定的电压阈值时，所述信号处理模块控制增益控制模块接通全部反向比例运算反馈回路的第二反馈回路；

当所述电压信号不小于所述信号处理模块设定的电压阈值时，所述信号处理模块控制增益控制模块接通全部反向比例运算反馈回路的第一反馈回路；

其中，所述第二反馈回路的反馈电阻的阻值大于第一反馈回路的反馈电阻的阻值。

9.如权利要求8所述的微型激光探测装置的控制方法，其特征在于，所有第一反馈回路或第二反馈回路均同时接通或断开。

Images