CN207502725U - 差分信号链路方式的激光外差探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种差分信号链路方式的激光外差探测系统，包括两个光源、干涉单元、光电检测电路、全差分信号放大电路、滤波电路、ADC采样电路、数据处理电路、模拟开关、三角波调谐电路和激光器；光电检测电路依次经过全差分信号放大电路、滤波电路、ADC采样电路、数据处理电路、模拟开关、三角波调谐电路与激光器电连接；两个光源分别通过光路与光电检测电路相连接，干涉单元设置在光路上。本实用新型提高了探测灵敏度，且可同时探测目标的距离和速度，抑制外界电磁干扰和系统本身的共模干扰，提高输出信噪比，适合于微弱光信号的检测。

Description

差分信号链路方式的激光外差探测系统

技术领域

本实用新型属于激光探测技术领域，具体涉及一种差分信号链路方式的激光外差探测系统。

背景技术

激光探测系统的作用是将接收的激光信号变化变成电信号，也就是说将光信息转换成电信息，并通过不同的信息处理方法来获取不同的信息并实现探测目的。激光探测技术按探测器方式分为直接探测和外差探测两种,目前绝大多数激光探测采用直接探测方式，其利用光的强度携带信息，将光的强度转换为电信号，解调电路检出信息，如激光火控测量系统、激光测距系统、激光侦察系统、大气雷达等，

目前的直接探测技术主要采用激光发射系统发射一串重复周期一定的激光窄脉冲，是典型的非相干测距雷达，可探测目标的距离、方位、仰角，很难探测到目标的相对速度。直接探测的主要缺点还有：不适用于输入信噪比小于1或微弱光信号的检测，因不能改善输入信噪比，只适宜于较强光信号的探测，相同发射光功率下，信噪比比外差探测小20db。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种差分信号链路方式的激光外差探测系统，解决了由于外界电磁干扰和系统本身的共模干扰，导致其对微弱光信号较难检测的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种差分信号链路方式的激光外差探测系统，包括两个光源、干涉单元、光电检测电路、全差分信号放大电路、滤波电路、ADC采样电路、数据处理电路、模拟开关、三角波调谐电路和激光器；

所述两个光源分别通过光路与光电检测电路相连接，所述干涉单元设置在光路上；

所述光电检测电路依次经过全差分信号放大电路、滤波电路、ADC采样电路、数据处理电路、模拟开关、三角波调谐电路与激光器电连接。

进一步地，还包括通信接口电路和上位机，所述数据处理电路通过通信接口电路与上位机电连接。

进一步地，所述光电检测电路包括第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2和跨阻运放电路；

所述第一光信号输入第一光电二极管PD1的负极端，第一光电二极管PD1的正极端与跨阻运放电路相连接；

所述第二光信号输入第二光电二极管PD2的负极端，第二光电二极管PD2的正极端与跨阻运放电路相连接。

进一步地，所述全差分信号放大电路包括三级或4级放大电路。

进一步地，所述ADC采样电路包括驱动电路。

本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)本实用新型的探测能力强，可以还原信号光信息，即同时探测光信号的振幅、频率、相位，而直接探测只能探测光信号的光强；

(2)本实用新型的灵敏度高，转换增益高，适合探测微弱信号；输出信噪比高、探测精度高，并可以对目标进行测速，滤波性好，稳定性和可靠性高。

附图说明

图1是本实用新型装置的结构示意图；

图2是本实用新型装置的工作原理图；

图3是本实用新型装置的电路图；

图4是本实用新型中干涉单元的结构示意图。

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本实用新型中的干涉单元是通过对两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新的波形，例如改变波的相位或幅值等。

本实用新型中的数据处理电路指具有数据处理功能的控制芯片，如FPGA、ARM或ECU等具有计算功能的主控芯片，通过上述控制芯片产生调制波。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例：

遵从上述技术方案，如图1所示，本实施例给出一种差分信号链路方式的激光外差探测系统，包括两个光源、干涉单元、光电检测电路、全差分信号放大电路、滤波电路、ADC采样电路、数据处理电路、模拟开关、三角波调谐电路和激光器；

光电检测电路依次经过全差分信号放大电路、滤波电路、滤波电路、ADC采样电路、数据处理电路、模拟开关、三角波调谐电路与激光器电连接；

两个光源分别通过光路与光电检测电路相连接，所述干涉单元设置在光路上。

如图2所示，两个光源发射的光信号分别通过干涉单元进行干涉，得到第一光信号和第二光信号，所述第一光信号和第二信号的相位相差180°，即第一光信号和第二光信号为差分光信号；本实施例中的干涉单元指的是现有技术中常见的干涉模块，其能够对光源反射的光信号进行干涉，本实施例采用的是如图4所示的干涉模块。该干涉模块的电路光路是收发共路平衡探测光路，可以实现PD1和PD2上的本振光完全相等，回波信号光和本振光混频后的两路差频交流信号的振幅、频率相等，相位相反。

其中光电检测电路采集第一光信号和第二光信号组成的差分光信号，通过光电检测电路将差分光信号分别转换为差分电流信号，再将差分电流信号通过全差分信号放大电路转换为差分电压信号，然后通过滤波处理后，将差分电压信号转换为数字信号，输入至数据处理电路中生产调制波控制模拟开关的关断，从而在三角波调谐电路中生成三角波，最后调制激光器的发射激光。

本实施例中的光源指任何LED或红外光源。

为了便于实时对数据处理后的调制信号进行监控，本实施例还包括通信接口电路和上位机，数据处理电路通过通信接口电路与上位机电连接。本实施例中的上位机可以是PC机等。

本实施例中的光电检测电路如图3所示，包括第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2和跨阻运放电路；

第一光信号输入第一光电二极管PD1的负极端，第一光电二极管PD1的正极端与跨阻运放电路相连接；

第二光信号输入第二光电二极管PD2的负极端，第二光电二极管PD2的正极端与跨阻运放电路相连接。

这样，采用两个PIN光电二极管接收两组信号光，第一光信号和第二光信号的光能量几乎完全相等，相位相反，即相差180°，其分别在光电二极管上产生的信号电流也是幅值几乎相等，相位反相，再经全差运放组成的跨阻运放电路，将差分电流信号转换成差分的电压信号。

如图3，光电检测电路的工作原理为：

PD1和PD2是同规格同型号的两个光电二极管，接收光回波信号分两束通过光路设计将这两束光的振幅、频率相等而相位相差180°，和本征光在光电二极管表面干涉混频后，在PD1和PD2上产生的光电流包含直流电流Idc和差频的中频交流电流Is，并且PD1和PD2中的Idc1和Idc2完全相等，Is1和Is2则是振幅、频率相等相位相反，这两个电流经过FDA跨阻运放电路，形成输出的两路电压Uo+、Uo-；则输出差分电压Vod＝Uo+-Uo-，由上图中计算公式可以得出Vod＝2*Is2*(Rf1//Cf1)＝-2*Is1*(Rf1//Cf1)。而PD1和PD2反偏电压VB是同一个直流稳压源，则Is1到Uo+信号链上的共模噪声、和外界对其的共模干扰和电磁干扰几乎完全等同于Is2到Uo-信号链上的全部共模噪声，Uo+-Uo-求差后则可减掉信号的共模噪声和直流偏置，后级全差分运放电路同理，故在AD输入前的差分信号链路可以有效的抑制共模噪声和外界的干扰，可以有效提高信号调理部分电路的输出信噪比。

本实施例中的全差分信号放大电路包括三级或4级放大电路。由于光电流经过光电检测电路后将电流信号转换为电压信号，但信号幅值还是在uV量级很微小，需将信号继续放大，所以设计全差分多级放大电路，经计算分析，转换为电压信号还需放大1000倍到10000倍，由于信号带宽50MHz比较宽，每级放大倍数不能太大，故设计每级放大倍数为10倍，所以需3级到4级放大电路。

由于ADC采样电路前需要驱动电路，以保证ADC采样电路的正常工作和最佳性能，故所ADC采样电路包括驱动电路。

本实施例中的ADC采样电路为现有技术中常规的ADC采样电路，将模拟信号转换成数字信号，便于对信号进行处理和分析。ADC的位数根据设计参数距离分辨率以及最大可探测距离，ADC的位数最少需要8位，由于ADC的本身有误差，可以选择9位或者10位及以上的ADC，该系统选用ADC的分辨率14位，采样率150MHz，差分输入。

电压信号经全差分信号放大电路放大后经过ADC后输出为数字信号，需要对数字信号进行数据存储并将数据信息传输给上位机进行处理分析，已提取外差探测频率信息，最后通过相关计算公式完成距离和速度的计算。

本实施例中的三角波调制电路由FPGA通过两个模拟开关控制正、负两个基准源去产生10KHz频率的正负方波(负基准源通过正基准源加运放组成的电路方式产生)，再用积分电路将方波转换成-2V～2V的10KHz的三角波，这样产生的三角波电平幅度较好以调制激光器，可减小激光器的噪声。

Claims (5)

1.一种差分信号链路方式的激光外差探测系统，其特征在于，包括两个光源、干涉单元、光电检测电路、全差分信号放大电路、滤波电路、ADC采样电路、数据处理电路、模拟开关、三角波调谐电路和激光器；

所述两个光源分别通过光路与光电检测电路相连接，所述干涉单元设置在光路上；

所述光电检测电路依次经过全差分信号放大电路、滤波电路、ADC采样电路、数据处理电路、模拟开关、三角波调谐电路与激光器电连接。

2.如权利要求1所述的差分信号链路方式的激光外差探测系统，其特征在于，还包括通信接口电路和上位机，所述数据处理电路通过通信接口电路与上位机电连接。

3.如权利要求1所述的差分信号链路方式的激光外差探测系统，其特征在于，所述光电检测电路包括第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2和跨阻运放电路；

所述第一光信号输入第一光电二极管PD1的负极端，第一光电二极管PD1的正极端与跨阻运放电路相连接；

所述第二光信号输入第二光电二极管PD2的负极端，第二光电二极管PD2的正极端与跨阻运放电路相连接。

4.如权利要求1所述的差分信号链路方式的激光外差探测系统，其特征在于，所述全差分信号放大电路包括三级或4级放大电路。

5.如权利要求1所述的差分信号链路方式的激光外差探测系统，其特征在于，所述ADC采样电路包括驱动电路。