第22卷第5期

2007年10月

光电技术应用

Z．

7p一臼P7y

已(

】，

r[

V_o1．22N05

October．2o07

文章编号：1673—1255(2007}05—0051—05

一

种LD激光测距回波探测电路的设计

陈佳夷，伊小素

(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京

100083)

摘

要：雪崩光电二极管APD(av~anchephotodetector)因其具有很高的内部增益，是目前LD(Laserdiode)激光测距中最常用

的光电探测器件．挖掘激光测距系统的探测能力、提高探测概率的最终途径是提高激光回波信号的信噪比，从LD激光测距的

特点出发，在分析了APD光电探测电路噪声的基础上，结合脉冲回波信号的特征，利用微弱信号检测的理论，提出了一种利用

相关检测来提高回波信号信噪比的检测电路．结果表明，回波信号的信噪比有了一定提高，且结合了自动增益控制电路，为后

续的时间间隔测量的精度提供了保证．

关键词：仪器测量与计量；激光测距；回波信号；相关检测；自动增益控制

中图分类号：TN24；TN362

文献标识码：A

Adesignofreturnsign

aldetectingcircuitinLDlaserranging

CHENJia—yi，YIXiao-su

(SchoolofInstrumentScience&Opto—electronicsEngineering，

BeihangUniversity，Beijing100083，China)

Abstract：Avalanchephotodetector(APD)iswidelyusedinLDlaserrangingasaphotoelectricaldetectorbe—

causeofitshighinteriorgain．Inordertoimprovethedetectingabilityanddetectionprobabilityofthelaser

ranger，theSignalNoiseRatio(SNR)ofthereturnsignalistobeincreased．Inthisarticle，thecharacteristicof

LDlaserrangingandthenoiseofAPDdetectingcircuitisanalyzed．Andthenakindofphotoelectricmeasure

circuit，basedonrelevantmeasurement，ispresented．TheexperimentresultshowsthatSNRofthereturnsig—

nalisimprovedinsomesort．Furthermore，benefitingfromtheautomaticgaincontrol(AGC)circuit，thepre—

cisionof

,timeintervalmeasurementinLDlaserrangingwillbeensured．

Keywords：instrumentationmeasurementandmetrology，Laserranging，returnsignal，relevantmeasurement，

automaticgaineontrol(AGC)．

激光测距技术是以激光发射和探测接收技术为

基础的．随着科技的进步，激光测距作用距离远、响

应速度快、灵敏度高、体积小、质量轻，正向着多功能

一

体化和高可靠度方向发展．在LD(LaserDiode)激

光测距中，激光回波信号是信噪比很低的微弱信号，

信号往往淹没在噪声中．设计合理的回波信号探测

电路，有效提高回波信噪比，是设计LD激光测距系

统的一个重要内容．

LD激光测距的探测概率分析

1．1

虚警概率与探测概率分析

如图1所示是一个典型的LD激光测距仪的结

构示意图．其中的激光回波信号探测电路由APD、

前置放大、后续信号处理、电压比较等电路构成，是

决定测距机性能的重要部分．测距机的探测概率和

虚警概率是测距机设计的重要指标．设计回波探测

收稿日期：20o7一O2一O9

作者简介：陈佳夷(1982一)，男，河北承德人，硕士研究生，主要研究方向为激光测距

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光

电

技

术

应

用

第22卷

电路，必须从探测概率与虚警率的角度出发

图1

LD激光测距系统图

在能量检测方式中，噪声分布司以合理地近似

为高斯概率密度分布⋯1．假设噪声电压

的均方

差为

，平均值为0，则其概率分布为：

ID(，：1exp

(1)

虚警概率实质上是系统噪声大于探测阈值的概

率，假设阈值为Um，TNR为阈值和噪声方差的比

值，则虚警概率为：

PF=f

exp(一

=吉一扣×

一号(

要使虚警概率达到10

左右，TNR值必须大

于4．

探测概率实质上是信号峰值加噪声大于探测阈

值的概率．设SNR为信噪比，则探测概率应为：

PD=

j2erf(

(3)

当TNR=4时，要使探测概率达99．997％以

上，SNR至少要达到8．

可见，由于要保证不得超过给定的虚警概率，

门限电平不得设置太低，故要提高探测概率只有通

过提高信噪比的方式．也就是说，提高探测能力的根

本途径是提高回波信号的信噪比．

而根据光电探测器的平方律特性[引，直接探测

系统的输出信噪比为：

SNR加=

(SNRpi)2

(4)

可见，对于输入信噪比很小的弱信号光，输出信

噪比约为输入信噪比的平方，将更小．所以直接检测

对弱光信号的检测灵敏度非常低．必须采取光 电信

号检测后置处理器来提高信噪 比．

1．2

APD 探测 电路 信噪 比分 析

在分析了 LD 激光 测距 的原理之后 知道 ，激光

、 脉冲信号经历了一个在大气 中传播 、而后进入光电

检测系统的传输过程 ．因此 ，回波检测系统 的噪声来

源主要是两大类 ，一是激光信号在大气 中传输中引

入的背景噪声 ，二是 APD 探测电路噪声 ，主要有热

噪声 、弹粒噪声 、暗电流．

雪崩光 电二极管 APD ( Avalanche Photodiode)

是一种高灵敏光电探测与传感器件 ，广泛应用于微

弱信号检测、光纤通信 、激光测距 、星球定 向和军事

测控等领域 ．APD 探测电路的内部噪声主要包括热

噪声 、散弹噪

与暗电流【31．

激光测距 回波信号 APD 检测电路 的信 噪比公

式为 ：

s N R

M)

2eFP s 8_qBM 2 + 2 d

_ qB M 2 + 2

Ⅸ(B

+ 4 kTB ／R L

(5)

式中，i

是信 号电流 的均方值 ，

是散弹噪声电

流的均方值 ，

是背景噪声电流 的均方值 ，

DK 是

暗电流的均方 值，i55 是热 噪声 电流的均方值 ；P s

是回波信 号功率 (w ) ，P BK是 背景 噪声功 率 (w ) ，

IDK是暗电流(A) ，

是 电流响应度 (A

) ，e 是 电

子电荷 ，k 是 波尔兹 曼常量 ，T 是绝对 温度 (K )，F

是 APD 过剩 噪声 因子，B 是 电子带宽 (Hz) ，R I，是

等效负载 电阻．

与回波信号共存的背景噪声是始终存 在的，使

得 回波信号的信噪 比很低 ，获得更大 的探测概率 的

途径是提高回波信号的信噪比．经过 APD探测电路

后的信号中，存在着背景噪声 、热噪声 、散弹噪声 、暗

电流 ．从统计角度讲 ，该 4 种噪声均属于 白噪声 ．因

此 ，可以用相关检测 的方法来提高 回波信号的信噪

比 ．

利用相关检测提高信噪 比

提高 回波信号的信 噪比有 2 个途径 ．第一是加

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第 5 期

陈佳夷 等 ：一种 LD 激光测距 回波探测 电路的设 计

53

大发射 的光脉冲的功率．小型脉冲半导体激光测距

仪使 用的激光波长处 于非人 眼安 全的波段如 905

nln 等 J，所以对于激光的出射功率 ，是有严格 的要

求的．那么 ，若要想在一定 的出射功率约束下 ，提高

回波信号的信噪 比，就如前面所述 ，要利用相关检测

来提高信噪 比[2,5]．

设混有噪声的信号 z (t ) = S (t ) + 7z ( t ) ，对于

单脉冲信号是能量有限信号 ，则相关 函数为

o o

o o

R．

Ⅱ(r) = J 一。。z ( t) z (t —r )dt = J 一。。[s

( t ) + 7z (t )] [ S (t —r ) + 7z ( t —r )] dt = Rss( r ) +

( r ) + R

( r ) + R s ( r )≈ Rss ( r ) + R

( r ) (6)

式中，R (r) ，R s(r) ，表示信号和噪声的互相关 函

数 ，由于信号和噪声不相关 ，都为 0 ．

图 2

自相关检测

R ( r) =

J 一。。s ( )eJOY,dr =

Ⅳ0B

(7)

其 中，N0B 为限带 白噪声功率 ，B 是带宽．可求得相

关时间为

·

"Ce =

0 蒜

R 0 R O0

4B

(8)

～J

()一 ( )u 一

。

在 LD 激光测距 中，激光脉 冲信号 的宽度一般

只有十几到几十纳秒 ，因此延迟时间 r 是有确定 的

范围的 ．而如果延迟时间 r 与 限带 白噪声 的相关 时

间大小可比拟时 ，无论延时取何值 ，输 出信噪比的改

善都不是理想的．用 自相关 检测来提高激光 回波信

号的信噪比，局限性主要是 限带 白噪声的相关时 间

过长 ，而激光脉冲宽度又比较窄 ，难以达到理想的改

善状态．使用二元 光 电探测器 件 ，得 到二路 回波信

号 ，两路信号的噪声之间的相关性就会降低【

．

设接收到的两路信号分别为 z (t ) = S (t ) +

1 ( t ) ，z 2( t ) = S ( t ) +

2( t ) 可 以得 出 ：

， ( r )-~ Rss ( r ) + R

，

， ( r )

( 9)

从前面对 APD 噪声的分析看出，两路信号中相

关的噪声只有背景噪声．因此 ，即使在一个很小的延

时条件下 ，相关检测对于信噪 比的改善也是很明显

的 ．

激光测距 回波信号中，噪声呈 限带 白噪声 的性

质．限带白噪声的相关函数如下：

系统设计 方案

如图 3 所示为 LD 激光测距 回波探测电路的设

计方案 ．

⋯

⋯

一

C o

_ ! !

d e

_ !

图 3

探测 电路示意 图

其中，光电探测器使用一个二元的 APD 探测 阵

列 ，2 个探测元相距 2 l'nlT1．两路信号经过前置放大

后 ，其中一路信号作合理延迟 ．用模拟乘法器和低通

滤波器构成一个相关器 ，对两路信号进行相关运算

该部分的具体 电路如图 4 ．

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电

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术

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用

第 22 卷

图 4

相关器 电路

AD835 是 一3 dB 带宽 250 MHz 的模拟乘 法

器 ，在如图 4 电路的连接下 ，其输出为 【，1 与

的

乘积 ．后续 为 由 MAX4304 构成 的一 阶低通 滤波电

路．

对于 LD 激光测距 ，回波信号 的功率与被测距

离的 4 次方成反 比．在大动态范围内，回波信号的功

率变化范围很大 ．对于一个前沿鉴别性质的阈值 比

较系统 ，为了获得更高的测距精度 ，必须保证进人 比

较器 的峰值电压在一个大测量范 围内都稳定在某一

值附近 ．所 以有 必要 引入 自动 增益 控制 (AGC) 系

一

． 该 AGC 电路如图 5 ．

图 5

自动增益控 制电路

在该 电路 中，2 片 AD603 采用顺序级联模式有

利于控 制精 度和信 噪比的提 高．用 晶体管 2N3904

来实现峰值 检波 ，得到控 制 电压

哪，用

哪来 实

现对 AD603 的增 益控 制．整个 电路的动态范 围 70

dB，频带宽度 90 MI-Iz．

实验分析 与结论

如图 6 所示 ，这是回波信号经过 APD 光电转换

以及前置放大后 ，幅度与信噪比都不相同的情况下 ，

经过相关器与

放大后 的输 出波形 ．这里 LD发

出的激光脉冲脉宽为 50 ns．可以看 出，信号 的信 噪

比有明显改善 ，且在一个宽范围内，输出信号的峰值

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第 5 期

陈佳夷等 ：一种 LD 激 光测距 回波探测 电路 的设计

55

稳定在 1．06 V ，这就为后续 的时间间隔测量的精度

提供 了保障．

图 6

后续信号处理所得 波形

综上所述 ，这样一个基于用模拟乘法器实现 的

相关检测的、且具有 AGC 功能 的光 电检测电路 ，可

以有效地改善微弱激光 回波信 号的信噪 比，使 LD

激光测距系统在保证极低的虚警率 的同时 ，具有更

高的探测概率，并且保证 了后续 的时间间隔测量 的

精度要求 ，满 足 LD 激光测距仪 的光 电探测电路 的

实 际需 求 ．

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