非合作目標微弱激光信號前端處理研究＊

姚國仲 艾麗思 申立中 雷基林 賈德文

（昆明理工大學交通工程學院 昆明 650500）

0 引 言

激光探測在雨雪霧等惡劣天氣、水下等環境的應用有突出優點［1－2］．但是，在惡劣環境中，對于非合作目標探測而言，激光信號衰減非常嚴重，回波信號非常微弱，且伴隨著大量的噪聲，如何從噪聲中提取目標信號是激光信號處理最重要也是最困難的部分．

PIN或APD等光電二極管產生的電流信號大小與入射光功率成正比，與光電二極管的光敏面積和入射光的能量無關［3－4］．但是，隨著光功率的增加，光電二極管會達到飽和狀態，如果光功率繼續增加，其將失去探測能力，這就是噪聲過大會導致光電二極管探測能力喪失的原因［5］．光電二極管產生的電流信號中，除了調制激光信號（交流）外，還有大量由環境光產生的直流信號以及其他調制光產生的信號摻雜其中［6］．為了更有效地處理，在電流信號放大前將其轉換為電壓信號（簡稱流－壓轉換）．由于電壓信號傳輸損失較小，所以流－壓轉換電路是激光信號處理最重要的前端電路．設計不當的前端電路達不到理想的目標，受到的干擾非常嚴重，并且靈敏度比較低和作用距離比較短等問題，甚至可能帶來更多的噪聲，淹沒掉目標信號，所以激光接收處理電路是激光系統最基本也是關鍵的部分［7］．為此，針對強干擾環境條件下激光信號接收處理進行深入研究，降低環境光及其他光產生的干擾的影響，提高激光探測系統對非合作目標微弱激光信號的分辨率和靈敏度．

基本思路：分析和總結常見激光接收電路的優缺點，得出激光信號前端處理的規律．基于此，設計新的接收處理電路，克服傳統電路的缺點．然后通過實驗驗證新接收電路的可行性和良好的識別能力．

1 激光接收與光學濾波

復雜環境條件下，激光回波信號微弱且伴隨大量噪聲干擾．一般利用光學接收系統將回波信號進行聚焦以提高單位面積的光功率，從而提高光電二極管輸出信號的強度．PIN或APD光電二極管的響應波長范圍一般在400～1 100nm之間，峰值響應波長在900nm左右．本研究所采用是波長為905nm的半導體激光器，該波長恰好處于APD二極管的峰值響應范圍．對于強后向散射介質短程通信，所需激光能量比較高，雖然目標信號強度比較大，但后向散射噪聲也比較大，常對目標信號構成致命的威脅，可能完全淹沒目標信號或者導致接收系統飽和．對于長遠距離激光通信，激光回波信號的能量比較低，目標信號易被環境噪聲淹沒掉．另外，像太陽、LED等光源，光譜較寬，易對光電二極管造成嚴重影響．因此，在回波信號到達光電器件之前，進行光學濾波處理對于良好的激光信號處理系統是必不可少的，其剔除非目標波段光信號的影響，見圖1．

在圖1中，光學濾波片3只允許目標波段的光通過，有效地濾除對接收器產生嚴重影響的可見光和其他波段的干擾光．為了防止強烈后向散射導致近場飽和，防近場飽和屏幕2阻止了大部分近場后向散射光，提高了系統的工作能力．當然，不同的應用環境，屏幕2的大小和位置還有待于深入研究，一般情況下，大小不能大于棱鏡尺寸的1／4．為了防止APD聚焦困難，采用棱鏡1加擴束鏡5組合聚焦方式．圖1中視場光欄4有效地防止了非目標方向反射或者照射進入接收系統的光干擾．

圖1 光學空間濾波結構

2 流－壓轉換電路

APD等光電二極管在光激勵作用下產生的是電流信號．為了方便放大、濾波、模數轉換等操作，對電流信號進行處理之前，通常需將其轉換為電壓信號．本節將研究幾種不同的電流電壓轉換電路（current－voltage converter，CVC），并在此基礎上，設計一種更有效的調制激光信號接收電路．

2．1 高阻抗流－壓轉換電路

利用電阻將電流轉換為電壓是最常見的流壓轉換方式，見圖2．根據歐姆定律，負載電阻R將光電二極管的漏極電流直接轉換成電壓．C為直流濾波電容，有效地阻止直流信號對放大電路部分的影響．高阻抗流－壓轉換電路結構簡單，電壓的大小與電阻的大小成正比．但是，其存在嚴重的缺陷：（1）要提高負載電阻R兩端的電壓，R的阻值就比較高．R的阻值太高，那么由干擾光產生的漏電流（信號中的直流成分）容易導致光電二極管（特別是PIN管）飽和，從而阻礙了激光信號的檢測（當R兩端的電壓接近光電二極管的偏置電壓時，PIN就飽和了）．為了提取比噪聲信號小數百倍甚至數千倍的目標信號，那么R的阻值盡可能的大以獲得最好的流－壓轉換，保證目標信號不丟失．此二者是相互矛盾的，且很難達到一個理想的折中．（2）付出頻率響應的代價．（3）區分信號的能力差．

圖2 高阻抗放大流壓轉換電路

2．2 電阻反饋式跨阻放大電路（TCVCC）

跨阻放大電路直接由放大器將電流信號轉換為電壓信號，且輸出電壓大小與輸入電流的大小成正比．由于其性能比高阻抗流－壓轉換電路優越，所以在光通信中獲得更廣泛的應用．電阻反饋式TCVCC只是將高阻抗流－壓轉換電路（如圖2）的負載電阻R變成了反饋電阻，見圖3．其中，反向放大器充當緩沖器的作用，并產生與光電流大小成正比的輸出電壓．該電路較高阻抗流－壓轉換電路最大優勢就是消除了光電二極管容抗和線網容抗的影響，具有更高的工作頻率．但是，TCVCC利用定值反饋電阻，光電二極管仍然容易飽和，而且干擾電流信號也同目標信號被一同放大，從而放大了噪聲信號．

圖3 電阻反饋式TCVCC

圖4給出一種性能較好的TCVCC，旁路電容C18對高頻信號有強烈的抑制作用，因此，其性能要比單一電阻反饋電路要優越得多．對于低頻信號而言，該電路具備良好的流壓轉換特性．但是，對于高頻信號，即使電容較小，由于直流信號不斷地給電容充電，易使光電二極管出現飽和的狀況．

圖4 電阻與電容并聯跨阻放大電路

2．3 LC并聯反饋式TCVCC

對于特定的應用系統，激光回波信號的頻率是固定的，因此，可以借用收音機超外差接收電路的思想，利用特定的選頻電路處理回波信號，只保留目標頻率并濾除噪聲．將電阻反饋式TCVCC（如圖3）的電阻反饋替換為LC并聯反饋，即可得到LC并聯反饋式TCVCC，見圖5．信號頻率越高，電感L的感抗就越大，因此，電路具備高阻抗的特性，有利實現流壓轉換．LC并聯反饋電路的突出優點．

圖5 LC并聯反饋TCVCC

1）直接濾除掉直流信號，且只保留了特定頻率的交流信號．所以，LC并聯反饋流壓轉換電路有效地區分開了干擾信號和目標信號，大大提高了探測能力．

2）易于提取微弱的激光回撥信號．非調制環境光產生大量直流成分常導致流壓轉換效率較低，阻礙激光信號的探測和識別，但是，利用LC選頻網絡接收電路，直流信號不會造成影響，光電二極管也不容易飽和．

3）隨著電路品質因數Q的增加，LC網絡的阻抗也在增大，選頻特性越好．為了獲得較高的品質因數，電感L的值要盡可能大，而電容C的值要盡可能小．由于每個電感都有一個與其并聯的寄生電容，所以，在電感L與其自身電容C組成的LC網絡諧振時電路的阻抗最高，此時選頻特性最好．

LC并聯反饋流－壓轉換電路提高了流壓轉換的效果，同時剔除了直流干擾和非選通頻段信號的干擾，可以增強在強干擾環境中微弱激光信號的探測能力．值得注意的是，為了克服較高的品質因數導致電路產生不必要的震蕩，將反饋網絡替換為RLC并聯反饋，見圖6．電阻R4的作用降低電路的品質因數，防止電路失去控制，但不影響電路的選頻特性．對于低占空比的調制激光信號，最好保持品質因數為“1”．當品質因數為“1”，則在諧振時，LC的并聯電抗與電阻的阻抗相等．另外，品質因數過高或者過低都會產生多余的擾動，反而帶來更大噪聲．

圖6 品質因數可控的TCVCC

3 實驗與分析

LC并聯反饋TCVCC具有較大的優勢，下面將通過實驗驗證該電路的正確性以及在調制激光信號處理方面的優越性．

圖7為帶一級放大的激光信號接收電路．電路由3個部分組成：（1）基于PIN（PC10－6）管的激光接收電路．PIN光電二極管在峰值波長的光激勵下的轉換效率為0．5A／W．圖7中電流I1就相當于光電二極管的光激勵電流信號，該信號中夾雜有非目標信號產生的噪聲．（2）流－壓轉換電路，是一個由RLC并聯的選頻網絡和放大器組成．其中，r為電感內阻，R2為品質因數調節電阻，L1和C1分別是LC選頻網絡的電感和電容．由于電感的內阻r較小，所以，直流信號大部分經過電感直接流入放大器的輸出端，不進行流壓轉換；而交流信號則無法通過電感和電容，于是，電路只對交流信號進行了流－壓轉換．另外，LC并聯選頻網絡具有信號放大作用．因此，流壓轉換電路只對特定頻率的交流信號進行放大，而阻隔了其他信號，從而實現信號濾波且放到了目標信號的功能，抑制了噪聲，提高了信號的信噪比．圖8為RLC選頻網絡的幅頻特性和相頻特性，諧振頻率約為8MHz．第三部分是電壓放大電路，其對流壓轉換的結果進行進一步的放大，以便觀察或者數字化．

圖7 電感反饋式調制激光接收電路

圖8 RLC并聯的幅頻特性和相頻特性

由于PIN的頻率響應特性，原始激光脈沖方波調制信號已經變成正弦波信號，見圖9．圖10為去除直流信號后的激光信號．電流信號經過流壓轉換變成了電壓信號，為了防止直流電壓改變電路的靜態工作點，設置了直流阻隔電容C2．圖11為信號測試點在C2的右端進行．圖12為經過一級電壓放大后的電壓信號．

圖9 原始信號

圖10 濾除直流信號后

在大量環境光干擾的情況下，LC并聯反饋式TCVCC能夠有效地提取微弱的調制激光信號，克服了環境光產生的直流信號的影響，提高了電路的探測和識別能力．

圖11 流壓轉換后的信號

圖12 電壓放大以后的信號

4 結 論

1）結合激光回波信號中光干擾的特點和光學空間濾波方法，設計防近場飽和的激光接收系統，剔除了非目標波段的干擾光，為后續激光信號處理降低了難度．

2）通過對高阻抗流－壓轉換電路、跨阻放大電路、LC并聯反饋放大電路等分析得出，對于調制激光信號，LC并聯反饋放大電路能夠有效地濾除回波信號的直流干擾，具有更好探測能力．

3）對LC并聯反饋式TCVCC的實驗結果表明，該電路能夠更有效的提取微弱調制激光信號，因此，更適合強干擾環境下激光信號的接收．

［1］HUTT D L，BISSONNETTE L R，GERMAIN D，et al．Extinction of visible and infrared beams by falling snow［J］．Applied Optics，1992，31（24）：5121－5132．

［2］RONNBACK S，WERNERSSON A．On filtering of laser range data in snowfall［C］．4th International IEEE Conference"Intelligent Systems"，2008：33－39．

［3］劉文寶．高性能GaN基雪崩光電二極管研究［D］．北京：中國科學院半導體研究所，2009．

［4］SILICON S．APD data sheet part AD500－10TO5［EB／OL］．Version，［2010－7－26］．www．silicon－sensor．com．

［5］Pacific Silicon Sensor．PC10－5－TO5［EB／OL］．［2009．8．31］．http：／／www．pacific－sensor．com／．

［6］DAVID A，JOHNSON P E．Handbook of optical through the air communication［M］．CRC Press，2011．

［7］譚顯裕．脈沖激光測距儀雪崩光電探測器最佳工作狀態和接收靈敏度研究［J］．光電子技術，2001，21（2）：129－137．