非合作目标微弱激光信号前端处理研究＊

姚国仲 艾丽思 申立中 雷基林 贾德文

（昆明理工大学交通工程学院 昆明 650500）

0 引 言

激光探测在雨雪雾等恶劣天气、水下等环境的应用有突出优点［1－2］．但是，在恶劣环境中，对于非合作目标探测而言，激光信号衰减非常严重，回波信号非常微弱，且伴随着大量的噪声，如何从噪声中提取目标信号是激光信号处理最重要也是最困难的部分．

PIN或APD等光电二极管产生的电流信号大小与入射光功率成正比，与光电二极管的光敏面积和入射光的能量无关［3－4］．但是，随着光功率的增加，光电二极管会达到饱和状态，如果光功率继续增加，其将失去探测能力，这就是噪声过大会导致光电二极管探测能力丧失的原因［5］．光电二极管产生的电流信号中，除了调制激光信号（交流）外，还有大量由环境光产生的直流信号以及其他调制光产生的信号掺杂其中［6］．为了更有效地处理，在电流信号放大前将其转换为电压信号（简称流－压转换）．由于电压信号传输损失较小，所以流－压转换电路是激光信号处理最重要的前端电路．设计不当的前端电路达不到理想的目标，受到的干扰非常严重，并且灵敏度比较低和作用距离比较短等问题，甚至可能带来更多的噪声，淹没掉目标信号，所以激光接收处理电路是激光系统最基本也是关键的部分［7］．为此，针对强干扰环境条件下激光信号接收处理进行深入研究，降低环境光及其他光产生的干扰的影响，提高激光探测系统对非合作目标微弱激光信号的分辨率和灵敏度．

基本思路：分析和总结常见激光接收电路的优缺点，得出激光信号前端处理的规律．基于此，设计新的接收处理电路，克服传统电路的缺点．然后通过实验验证新接收电路的可行性和良好的识别能力．

1 激光接收与光学滤波

复杂环境条件下，激光回波信号微弱且伴随大量噪声干扰．一般利用光学接收系统将回波信号进行聚焦以提高单位面积的光功率，从而提高光电二极管输出信号的强度．PIN或APD光电二极管的响应波长范围一般在400～1 100nm之间，峰值响应波长在900nm左右．本研究所采用是波长为905nm的半导体激光器，该波长恰好处于APD二极管的峰值响应范围．对于强后向散射介质短程通信，所需激光能量比较高，虽然目标信号强度比较大，但后向散射噪声也比较大，常对目标信号构成致命的威胁，可能完全淹没目标信号或者导致接收系统饱和．对于长远距离激光通信，激光回波信号的能量比较低，目标信号易被环境噪声淹没掉．另外，像太阳、LED等光源，光谱较宽，易对光电二极管造成严重影响．因此，在回波信号到达光电器件之前，进行光学滤波处理对于良好的激光信号处理系统是必不可少的，其剔除非目标波段光信号的影响，见图1．

在图1中，光学滤波片3只允许目标波段的光通过，有效地滤除对接收器产生严重影响的可见光和其他波段的干扰光．为了防止强烈后向散射导致近场饱和，防近场饱和屏幕2阻止了大部分近场后向散射光，提高了系统的工作能力．当然，不同的应用环境，屏幕2的大小和位置还有待于深入研究，一般情况下，大小不能大于棱镜尺寸的1／4．为了防止APD聚焦困难，采用棱镜1加扩束镜5组合聚焦方式．图1中视场光栏4有效地防止了非目标方向反射或者照射进入接收系统的光干扰．

图1 光学空间滤波结构

2 流－压转换电路

APD等光电二极管在光激励作用下产生的是电流信号．为了方便放大、滤波、模数转换等操作，对电流信号进行处理之前，通常需将其转换为电压信号．本节将研究几种不同的电流电压转换电路（current－voltage converter，CVC），并在此基础上，设计一种更有效的调制激光信号接收电路．

2．1 高阻抗流－压转换电路

利用电阻将电流转换为电压是最常见的流压转换方式，见图2．根据欧姆定律，负载电阻R将光电二极管的漏极电流直接转换成电压．C为直流滤波电容，有效地阻止直流信号对放大电路部分的影响．高阻抗流－压转换电路结构简单，电压的大小与电阻的大小成正比．但是，其存在严重的缺陷：（1）要提高负载电阻R两端的电压，R的阻值就比较高．R的阻值太高，那么由干扰光产生的漏电流（信号中的直流成分）容易导致光电二极管（特别是PIN管）饱和，从而阻碍了激光信号的检测（当R两端的电压接近光电二极管的偏置电压时，PIN就饱和了）．为了提取比噪声信号小数百倍甚至数千倍的目标信号，那么R的阻值尽可能的大以获得最好的流－压转换，保证目标信号不丢失．此二者是相互矛盾的，且很难达到一个理想的折中．（2）付出频率响应的代价．（3）区分信号的能力差．

图2 高阻抗放大流压转换电路

2．2 电阻反馈式跨阻放大电路（TCVCC）

跨阻放大电路直接由放大器将电流信号转换为电压信号，且输出电压大小与输入电流的大小成正比．由于其性能比高阻抗流－压转换电路优越，所以在光通信中获得更广泛的应用．电阻反馈式TCVCC只是将高阻抗流－压转换电路（如图2）的负载电阻R变成了反馈电阻，见图3．其中，反向放大器充当缓冲器的作用，并产生与光电流大小成正比的输出电压．该电路较高阻抗流－压转换电路最大优势就是消除了光电二极管容抗和线网容抗的影响，具有更高的工作频率．但是，TCVCC利用定值反馈电阻，光电二极管仍然容易饱和，而且干扰电流信号也同目标信号被一同放大，从而放大了噪声信号．

图3 电阻反馈式TCVCC

图4给出一种性能较好的TCVCC，旁路电容C18对高频信号有强烈的抑制作用，因此，其性能要比单一电阻反馈电路要优越得多．对于低频信号而言，该电路具备良好的流压转换特性．但是，对于高频信号，即使电容较小，由于直流信号不断地给电容充电，易使光电二极管出现饱和的状况．

图4 电阻与电容并联跨阻放大电路

2．3 LC并联反馈式TCVCC

对于特定的应用系统，激光回波信号的频率是固定的，因此，可以借用收音机超外差接收电路的思想，利用特定的选频电路处理回波信号，只保留目标频率并滤除噪声．将电阻反馈式TCVCC（如图3）的电阻反馈替换为LC并联反馈，即可得到LC并联反馈式TCVCC，见图5．信号频率越高，电感L的感抗就越大，因此，电路具备高阻抗的特性，有利实现流压转换．LC并联反馈电路的突出优点．

图5 LC并联反馈TCVCC

1）直接滤除掉直流信号，且只保留了特定频率的交流信号．所以，LC并联反馈流压转换电路有效地区分开了干扰信号和目标信号，大大提高了探测能力．

2）易于提取微弱的激光回拨信号．非调制环境光产生大量直流成分常导致流压转换效率较低，阻碍激光信号的探测和识别，但是，利用LC选频网络接收电路，直流信号不会造成影响，光电二极管也不容易饱和．

3）随着电路品质因数Q的增加，LC网络的阻抗也在增大，选频特性越好．为了获得较高的品质因数，电感L的值要尽可能大，而电容C的值要尽可能小．由于每个电感都有一个与其并联的寄生电容，所以，在电感L与其自身电容C组成的LC网络谐振时电路的阻抗最高，此时选频特性最好．

LC并联反馈流－压转换电路提高了流压转换的效果，同时剔除了直流干扰和非选通频段信号的干扰，可以增强在强干扰环境中微弱激光信号的探测能力．值得注意的是，为了克服较高的品质因数导致电路产生不必要的震荡，将反馈网络替换为RLC并联反馈，见图6．电阻R4的作用降低电路的品质因数，防止电路失去控制，但不影响电路的选频特性．对于低占空比的调制激光信号，最好保持品质因数为“1”．当品质因数为“1”，则在谐振时，LC的并联电抗与电阻的阻抗相等．另外，品质因数过高或者过低都会产生多余的扰动，反而带来更大噪声．

图6 品质因数可控的TCVCC

3 实验与分析

LC并联反馈TCVCC具有较大的优势，下面将通过实验验证该电路的正确性以及在调制激光信号处理方面的优越性．

图7为带一级放大的激光信号接收电路．电路由3个部分组成：（1）基于PIN（PC10－6）管的激光接收电路．PIN光电二极管在峰值波长的光激励下的转换效率为0．5A／W．图7中电流I1就相当于光电二极管的光激励电流信号，该信号中夹杂有非目标信号产生的噪声．（2）流－压转换电路，是一个由RLC并联的选频网络和放大器组成．其中，r为电感内阻，R2为品质因数调节电阻，L1和C1分别是LC选频网络的电感和电容．由于电感的内阻r较小，所以，直流信号大部分经过电感直接流入放大器的输出端，不进行流压转换；而交流信号则无法通过电感和电容，于是，电路只对交流信号进行了流－压转换．另外，LC并联选频网络具有信号放大作用．因此，流压转换电路只对特定频率的交流信号进行放大，而阻隔了其他信号，从而实现信号滤波且放到了目标信号的功能，抑制了噪声，提高了信号的信噪比．图8为RLC选频网络的幅频特性和相频特性，谐振频率约为8MHz．第三部分是电压放大电路，其对流压转换的结果进行进一步的放大，以便观察或者数字化．

图7 电感反馈式调制激光接收电路

图8 RLC并联的幅频特性和相频特性

由于PIN的频率响应特性，原始激光脉冲方波调制信号已经变成正弦波信号，见图9．图10为去除直流信号后的激光信号．电流信号经过流压转换变成了电压信号，为了防止直流电压改变电路的静态工作点，设置了直流阻隔电容C2．图11为信号测试点在C2的右端进行．图12为经过一级电压放大后的电压信号．

图9 原始信号

图10 滤除直流信号后

在大量环境光干扰的情况下，LC并联反馈式TCVCC能够有效地提取微弱的调制激光信号，克服了环境光产生的直流信号的影响，提高了电路的探测和识别能力．

图11 流压转换后的信号

图12 电压放大以后的信号

4 结 论

1）结合激光回波信号中光干扰的特点和光学空间滤波方法，设计防近场饱和的激光接收系统，剔除了非目标波段的干扰光，为后续激光信号处理降低了难度．

2）通过对高阻抗流－压转换电路、跨阻放大电路、LC并联反馈放大电路等分析得出，对于调制激光信号，LC并联反馈放大电路能够有效地滤除回波信号的直流干扰，具有更好探测能力．

3）对LC并联反馈式TCVCC的实验结果表明，该电路能够更有效的提取微弱调制激光信号，因此，更适合强干扰环境下激光信号的接收．

［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］刘文宝．高性能GaN基雪崩光电二极管研究［D］．北京：中国科学院半导体研究所，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］谭显裕．脉冲激光测距仪雪崩光电探测器最佳工作状态和接收灵敏度研究［J］．光电子技术，2001，21（2）：129－137．