高灵敏度、大动态范围光电接收电路设计与实现

高 峰,杨存亮,贺伟炜,徐雅燕,高天宇,林瑜佳,陶坤宇

(上海无线电设备研究所,上海 201108)

1 引 言

近些年来随着全空域无人机[1-2]的发展,典型代表如高空型RQ-4A/B“全球鹰”、中高空型MQ-9、低空型RQ-8B“火力侦察兵”,搭载无人机平台,激光半主动制导技术在军事应用中得到了极大发展。采用激光半主动制导技术的导弹[3]命中精度高(0.1～1 m)、成本低、作用距离有限(8 km),适合中近程快速打击,毁伤程度大[4]。国内外研制的单位较多,研究时间跨度大。国外方面,美国的AMG-114“海尔法”最具代表意义[5],投入实战时间早,技术成熟度高,最早与无人机平台成功对接并进入实战化；国内方面,上海无线电设备研究所、中科院半导体研究所、南京理工大学,航天科工集团8358研究所在这一领域做了较多工作,研究工作主要围绕光电接收前端设计、位置检测精度分析、抗干扰设计等方向展开,虽已具备整机研制能力,但是光电接收处理电路在高灵敏度和大动态范围方面的研究相对较少。

光电接收处理电路结构复杂,整合了光学系统和电子学系统。常见的光斑位置检测的探测器[6]有电荷耦合器件(CCD)、金属氧化物探测器(CMOS)、四象限雪崩管探测器(QAPD)、四象限光电二极管探测器(QPIN)。CCD和CMOS探测器的光电接收系统,探测视场大、处理电路结构复杂、数据量大、响应时间慢。而QPIN探测器的光电接收系统电路相对简单、响应时间快,但灵敏度较低。QAPD探测器的光电接收系统具有电路复杂程度较低、数据处理灵活、响应时间快、灵敏度高等优点。目前系统的工作距离范围仍有一定限制,当探测目标距离小于10 m时,信号幅度值会出现饱和。探测目标距离超过8 km时,信号幅度值会过小,以致低于响应值[7]。本文基于QAPD探测器的光电接收处理电路,提出了一种对窄脉宽、快上升沿光脉冲信号做前端信号调理、后端信号处理的电路,从而提高了激光半主动制导导弹的灵敏度并增大了其动态范围。

2 电路设计与分析

图1为基于QAPD探测器的光电接收系统示意。本文接下来的电路设计与分析正是基于此系统展开的。

图1 基于QAPD探测器的光电接收系统结构框图

整个系统包括光电转换、高压控制、增益调节等8个单元,以及1套由滤光片和光学透镜组成的光学接收系统。目标回波光线进入光学接收系统,光学接收系统采用单片镜片+光斑前离焦设计思路搭建,滤光片滤除杂散光,回波光线经光学透镜会聚在QAPD探测器光敏面上。光电转换单元用于目标光信号的光电转换。增益调节单元和峰值保持单元对四路电信号做放大和峰值保持处理。采样同步信号产生单元生成采样同步信号,触发信号处理和系统控制单元,完成对光电接收系统的闭环控制。QAPD光电探测器是温度敏感器件[8],温度探测单元输出温度采样信号,调节高压控制信号；调节增益控制信号1、2实现增益控制；动态门限信号完成门限功能；波门控制信号实现系统抗杂散光性能。系统电源单元为其他单元供电。

此系统具有杂散光抑制能力；实现了窄脉宽(40 ns)、快上升沿(20 ns)光脉冲的峰值保持,50～2000 mV幅度变化范围内,最大跟踪误差比例1.06。高压控制信号和增益控制信号的组合调节,完成了45 dB动态范围、100 nW灵敏度的性能指标。这个系统在技术实现时,光电转换、增益调节、峰值保持组成前端信号调理电路；杂散光抑制和信号处理组成后端信号处理电路。

2.1 前端信号调理电路

图2 光电转换部分的设计与实现

增益调节和峰值保持方面,包括增益放大电路、峰值保持电路和信号脉宽可调电路。增益放大电路采用ADI公司的AD8330芯片完成,全增益带宽150 MHz,增益可调节范围(0～50 dB),可以实现无失真增益调节。峰值保持电路采用跨导峰值保持原理[10-11]进行设计,脉冲信号前端采用跨导放大器OPA615,传输延时1.9 ns、前级带宽710 MHz,将输入电压信号转变成了电流信号输出,再利用二极管的单向导电性和积分电容的充放电特性,完成对脉冲电信号的峰值跟踪和保持。光脉冲信号经峰值保持电路生成的大脉冲信号在没有外部干预的情况下,下降沿降到零电位的时间很长(微秒级),会造成脉冲叠加,形成偏置电压(几百毫伏),需要对大脉冲信号做强制下拉到“地”操作。这里引入了信号脉宽可调电路,选取高速比较器AD8611做信号脉宽可调电路的核心芯片,传输延时4 ns,其输出为采样同步信号。采样同步信号触发D触发器产生复位信号,其脉宽由τ=0.7 RC确定,复位信号同时控制4路开关电路,信号通路与“模拟地”分离,保持信号峰值,信号通路与“模拟地”连接,信号峰值被瞬时(纳秒级)拉低到“模拟地”。最后送至后级驱动电路,实现信号的峰值保持。信号脉宽可调电路的实现原理如图3所示。

图3 信号脉宽可调电路的原理框图

搭建测试平台评估峰值保持功能。信号源模拟脉冲信号,单通道输出,通过一转四转接插头输入到增益调节+峰值保持电路中,增益调节电路的增益设置为0 dB,以100 mV为测试起点,每隔200 mV测试一次,测试终点为2300 mV,共12组测试数据,全程模拟回波信号的线性工作范围,测试数据如表1所示。

表1 峰值保持电路测试结果

通过上述的测量结果可知,电路输出与信号源输出的幅度值变化一致,测量偏差最大值为90 mV,误差比例最大为1.06。电路输出与测量偏差相对于信号源输出的曲线如图4所示。

图4 电路性能与测量偏差曲线图

2.2 后端信号处理电路

为使系统在杂散光环境下工作,本文设计了杂散光抑制电路。以杂散光的出现时刻为基准,通过两个延时定量和一个延时变量产生波门控制信号的时序,能将杂散光在信号通路上滤除,系统的适应性强。

图5给出了波门控制信号的时序图。激光器触发信号上升沿触发激光器发光；杂散光相对于激光器触发信号集中在同一时间段内出现；采样同步信号是目标回波到达时刻标志信号。波门控制信号的时序满足:时序起始状态为低电平,激光器触发脉冲延时t1后,时序跳变为高电平,高电平一直保持下去,采样同步信号延时t2(t2

图5 波门控制信号时序图

如图5所示,波门控制信号为低电平时,无回波信号,将杂散光关到“门外”；波门控制信号为高电平时,等待信号“进门”,信号“进门”后,波门再次“关门”,重新将杂散光关到“门外”。因杂散光的出现时间段是恒定的,目标出现时刻是随机的,所以杂散光的出现时刻相对于激光器触发脉冲的延时量t1为不变量,目标的出现时刻相对于杂散光的延时量t3为变化量。再次“关门”时刻是相对于随机采样同步信号的固定量,即延时量t2是恒定的。信号处理和系统控制单元以激光器触发脉冲为基准,通过对两个延时定量,一个延时变量的控制,形成波门控制信号。

信号处理电路[12]接收四路峰值保持信号,并将四路模拟输出信号数字化,解算出目标的当前位置,实现了目标跟踪功能。选取TI公司的TMS320F2812作为主控芯片,芯片自带16路12位A/D采样接口,最高主频150 MHz,外设接口丰富,满足系统信号处理和控制要求。信号处理电路的工作时序如图6所示。系统上电后对各个变量进行初始化设置,全空域扫描发现目标则触发AD采样部分,设置各个控制信号,解算出目标位置量(X,Y)。当系统进行远距离目标搜索捕获时,抗杂散光电路同步开启,将近场回波信号关在“门外”,控制时序如图6虚线框部分所示。触发脉冲触发激光器发光,根据先验试验情况,选取近场“关门”时间段,然后“开门”等待采样同步信号,信号未出现,则系统重新执行“关门”操作。直至下一个脉冲发现目标,将信号收进“门里”,处理完成后继续进行“关门”操作,系统进入循环阶段。

3 处理电路性能测试及结果分析

试验采用1064 nm的半导体激光器的光脉冲信号来模拟接收目标的回波信号,发射光输出的平均功率为3 mW,激光器输出光纤串接1064 nm波段可调节衰减器,衰减器可调节范围为(0～60 dB),通过调节衰减器模拟目标的运动过程。

图6 后端电路的工作时序

实验平台如图7所示。调整收发光学系统到同一光轴T0上,外部线性电源给信号调理电路和信号处理电路上电。激光器发光,采样同步信号出现,系统根据光强值设置控制信号的最佳组合值。计算机主控系统与信号处理电路建立通信链路,实时显示目标方位信息,外部示波器同步观测四路电信号。沿增大方向调节光衰减器,直到衰减值调整到45 dB时,记录四路信号的峰值波形。

图7 试验平台

由图8(a)可见光电接收系统能够响应经衰减器衰减45 dB的光信号,由于3 mW=4.7 dBm,100 nW=-40 dBm,两者之差为44.7 dB,即灵敏度能够达到100 nW。沿减小方向调节光衰减器,直到衰减值调整到0 dB时,记录四路信号的峰值波形。由图8(b)可见光电接收系统在衰减器衰减0 dB时光信号幅度值小于2 V饱和值,系统的动态范围达到了45 dB。

图8 接收电路输出的波形图

为了验证系统的抗杂散光特性,使用两台激光器和单根二合一光纤合束器搭建验证系统。外部信号源产生固定延时为t0的两个触发信号trigger1和trigger2触发两台激光器。激光器出射光纤分别接二合一光纤合束器的两个入射端,出射端接发射光学系统,光脉冲信号在时间维度上表现为前后双脉冲。假定衰减激光器1模拟信号光,衰减激光器2模拟杂散光,还原了杂散光场景,可以验证系统的抗杂散光性能。图9可得出:光电接收系统有效的滤除了杂散光,未对杂散光做峰值保持处理。

图9 杂散光模拟试验系统和滤除结果波形图

4 结 论

本文基于四象限雪崩光电二极管(QAPD)的光电接收系统,设计了前端信号调理电路与后端信号处理电路。搭建了电路性能测试平台,试验结果表明:基于上述处理电路的光电接收系统灵敏度达到了100 nW,动态范围为45 dB,信号峰值的最大跟踪误差比例为1.06,可以在杂散光环境下工作。因此,研究结果对高灵敏度、大动态范围光电接收处理电路的设计具有一定的应用价值。