一种大动态范围激光接收电路系统

1.本发明专利涉及激光制导、激光光斑跟踪技术领域，具体涉及一种大动态范围激光接收电路系统。


背景技术：

2.目前各种飞行器(包括空间飞行器及导弹等)的飞行环境复杂、干扰因素多，会用到激光接收系统来精确表征飞行器在复杂信息场中的位置以及与合作目标之间的位置关系。
3.传统的激光接收电路关键技术指标之一是作用距离远，即设计中主要关注点在于微弱激光回波信号的检测，这就要求设计的激光接收电路在保持一定信噪比的情况下追求较大的信号放大倍数。这类激光接收电路存在以下缺陷：1)当激光回波信号能量较强时，会造成探测器饱和，无法准确的给出激光照射目标的位置信息；2)对接收到的微弱激光信号进行放大时，由于采用的是固定增益倍数的放大器，无法对收到的激光回波信号根据能量的强弱进行动态调整，因而适应能力不强；3)在设计中很少考虑到对激光探测器的偏压进行控制，而加在探测器上的偏压不同会影响到探测器的接收灵敏度，进而会影响整个接收系统的动态范围。


技术实现要素：

4.基于上述问题，本发明提供了一种大动态范围激光接收电路系统，在激光接收电路上采用探测器偏压控制、两级运放信号放大、放大器增益自动调整技术，解决了传统激光接收电路中强激光回波信号处理能力不足、放大增益不可调、动态范围窄、易受阳光干扰影响等问题。
5.本发明技术方案具体如下：
6.一种大动态范围激光接收电路系统，包括：
7.激光探测器，完成激光照射目标返回的回波信号的光电转换；
8.前置放大电路，为信号主放电路，完成信号的大部分放大；
9.可变增益放大电路，为可控增益放大，完成信号强度的动态范围调整；
10.驱动放大电路，进行末级放大并输出驱动信号；
11.滤波电路，完成放大阶段的信号及电源滤波、背景噪声干扰滤波。
12.优选地，所述激光探测器上加装有限流电阻，以避免激光探测器因过流或过热造成损坏。
13.优选地，所述前置放大电路选取低电流噪声输入型放大器，且放大器的偏置电流远小于激光探测器的检测电流。
14.优选地，所述可变增益放大电路选用电压控制可变增益放大器，动态范围不小于 40db。
15.优选的，所述滤波电路通过多级lc、rc滤波降低电源通路的噪声干扰，通过滤除直
流信号降低信号通路的直流偏置干扰。
16.进一步地，所述激光接收电路上还进行了电磁兼容设计。
17.综上，本发明的可见光激光接收电路，动态范围包含三部分：激光探测器偏压调整产生的动态范围、可变增益放大电路提供的动态范围、信号本身的动态范围。实际设计中按该方式设计的激光接收电路动态范围约100db，实现了兼顾近距离饱和探测和远距离微弱激光回波信号检测的目的。
附图说明
18.图1为本发明的激光接收电路框图。
具体实施方式
19.下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
20.如图1所示，一种大动态范围激光接收电路系统，包括：
21.激光探测器，完成激光照射目标返回的回波信号的光电转换；
22.前置放大电路，为信号主放电路，完成信号的大部分放大；
23.可变增益放大电路，为可控增益放大，完成信号强度的动态范围调整；
24.驱动放大电路，进行末级放大并输出驱动信号；
25.滤波电路，完成放大阶段的信号及电源滤波、背景噪声干扰滤波。
26.下面对各单元进行具体阐述。
27.1、激光探测器选型及设计。
28.响应度高，同样的激光回波能量能够产生更大的光电流、转换效率更高；响应时间短，系统响应能量源频率稳定；可靠性高、工作电压低、良好的线性关系，保证信号转换过程中不失真；随温度升高，响应度稳定；探测器本身附加的噪声尽可能的小；在工作波长上具有高灵敏度，能够探测微弱光信号。
29.加载在探测器上的偏压高低会影响探测灵敏度，当探测器偏置电压过高或光敏面受到过强激光照射时会因过流或过热造成损坏。因此，在激光探测器上加装限流电阻来进行限流保护。
30.2、前置放大器选型及设计。
31.由于激光探测器输出为电流信号，因此选取低电流噪声输入型放大器；选用的放大器的偏置电流要远小于检测电流；运放要有足够大的增益带宽积，以充分满足增益放大和系统带宽的要求；考虑运放偏置电流引起的直流偏置影响。
32.前置放大电路对激光探测器输入的回波电流信号进行i/v变换，是影响这个接收电路性能、信噪比的关键。主要包括前置放大器、反馈电阻rf、补偿电容cf以及直流偏置补偿电阻、滤波电容等，应充分考虑带宽和增益的确定和电路稳定性设计、输入偏置电流消除等。
33.3、可变增益放大器选型及设计。
34.选用电压控制可变增益放大器，动态范围不小于40db。电压控制的方式电路简单，便于对控制信号滤波，能够保证激光接收电路的信号稳定。
35.4、滤波电路设计。
36.电源通路中采用多级lc、rc滤波，以降低电路噪声，提高信号稳定性；信号通路中采用滤波电路滤除直流信号，抑制直流偏置干扰。
37.5、电磁兼容性及环境适应性设计。
38.激光接收电路对微弱信号进行放大，由于放大电路增益倍数高、易受电磁干扰，电路板的布局布线进行了专门的电磁兼容设计，具体有：电路板间采用对插接插件，提高信号传送的可靠性，减少传送距离，降低信号受干扰程度；在靠近电路板入口处、芯片处对电源进行滤波处理；前置放大输入，保证最前端元件的信噪比；布局布线时优先考虑前级放大电路，保证前级敏感信号传输距离最短；布局布线时避免前后级之间电源和信号之间的干扰；电路板上铺设地层，降低地线回路的电阻；关键信号尽量走电路板内层；接收电路采用屏蔽外壳结构，连接电路地线，屏蔽空间干扰，增加接地面积；探测器偏置电压走线远离其他电源和信号；电路设计进行热设计，利用地平面进行散热等。
39.上述实施例为本发明方案较佳的实施方式，但本发明方案并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种大动态范围激光接收电路系统，其特征在于，包括：激光探测器，完成激光照射目标返回的回波信号的光电转换；前置放大电路，为信号主放电路，完成信号的大部分放大；可变增益放大电路，为可控增益放大，完成信号强度的动态范围调整；驱动放大电路，进行末级放大并输出驱动信号；滤波电路，完成放大阶段的信号及电源滤波、背景噪声干扰滤波。2.根据权利要求1所述的激光接收电路，其特征在于，所述激光探测器上加装有限流电阻，以避免激光探测器因过流或过热造成损坏。3.根据权利要求1所述的激光接收电路，其特征在于，所述前置放大电路选取低电流噪声输入型放大器，且放大器的偏置电流远小于激光探测器的检测电流。4.根据权利要求1所述的激光接收电路，其特征在于，所述可变增益放大电路选用电压控制可变增益放大器，动态范围不小于40db。5.根据权利要求1所述的激光接收电路，其特征在于，所述滤波电路通过多级lc、rc滤波降低电源通路的噪声干扰，通过滤除直流信号降低信号通路的直流偏置干扰。6.根据权利要求1所述的激光接收电路，其特征在于，所述激光接收电路上还进行了电磁兼容设计。

技术总结
本发明公开了一种大动态范围激光接收电路系统，包括：激光探测器，完成激光照射目标返回的回波信号的光电转换；前置放大电路，为信号主放电路，完成信号的大部分放大；可变增益放大电路，为可控增益放大，完成信号强度的动态范围调整；驱动放大电路，进行末级放大并输出驱动信号；滤波电路，完成放大阶段的信号及电源滤波、背景噪声干扰滤波。本发明采用上述激光接收电路，兼顾了近距离饱和探测和远距离微弱激光回波信号检测。微弱激光回波信号检测。微弱激光回波信号检测。


技术研发人员：邬佳杰 俞建杰 高文元 马才伟 刘姝仪 梁正 胡传舟 张焱 黄霁月 桑潇蓥
受保护的技术使用者：浙江大学湖州研究院
技术研发日：2022.04.28
技术公布日：2022/8/12