半导体脉冲激光测距机的硬件电路设计.doc

1 引 言1.1国内外研究状况及发展趋势 激光技术自六十年代以来，已经进入了许多军事技术领域，提供了大量的装备，显著的提高了侦测、识别、导航、指挥、控制、通讯、训练和光电对抗等军事技术，大大的加强了军事打击和防御能力，成为军事“力量倍增器”。它可准确的获得目标的有关特征信息，如目标位置（距离、方位和高度）、运动状态和形状等，从而实现对目标的探测、跟踪、定位和识别。由于激光的频率比微波高三四个数量级，并且波束窄、方向性好和相干性强，因此与微波雷达相比，激光雷达具有测量精度高、分辨率高、抗干扰能力强和隐蔽性好、体积小、重量轻等独特优点，其发展受到许多国家的重视，应用也日益广泛。 七十年代，YAG激光器技术日益成熟并开始大量应用于激光测距，八十年代，远程、中程、近程的激光测距主要采用的是YAG激光器，如：坦克、炮队激光测距、大地测量。八十年代半导体激光二极管（LD）技术日趋成熟，随着半导体激光二极管在提高输出功率、改进光束方向性和提高探测器灵敏度等方面不断取得重大进展，LD或LDA（激光二极管阵列）开始应用于中、短程测距，它具有体积小、重量轻、结构简单、使用方便，对人眼安全、性价比高等一系列优点。八十年代，美国Sandia国家实验室研制成半导体激光主动成像雷达导引头试验系统及其信号处理装置；九十年代，该实验室又研制成功非扫描半导体激光主动成像雷达。此外美国科学应用国际公司与美国海军研究室还开展了双模式成像激光雷达的研究；美国Sandia国家实验室还提出了将合成孔径雷达和激光雷达融合为一体的末端制导概念。总之，激光雷达在国外己经进入实用化阶段。 由于国外自九十年代就已经开始大力发展LD激光雷达，目前LD激光雷达在中、远程激光雷达应用方面有取代YAG激光雷达的趋势，近年又发展了一种便携式、对人眼安全、无合作目标、低价的适用家庭的LD激光测距仪，既能作为望远镜又具有测距功能，如：1996年下半年美国Bushnell公司推出了测距能力为400码的400型小型、轻便、省电、对人眼安全、低价的LD激光测距机Yardage400（800），已被评为1997年世界一百项重要科技成果之一；1997年Bushnell公司在网上又推出测距能力为800码的800型激光测距仪；1998年美国Tasco公司又推出测距能力为800码的摄像机型Lasersite LD激光测距仪3。显然，从测程、测频和小型化等方面来看。上述LD激光测距仪经过改进后，是可以满足末敏弹的测程和定位要求。值得注意的是，美国报道的采用脉冲测距原理的高重复率激光雷达演示系统已实现10KHz的测频，测程2公里，测距精度为50mm，距离分辨率为14mm，可以对建筑物等景物成清晰的距离象。国内在微型化LD激光测距仪方面的研究尚处于发展阶段，有些单位有该项研究的报道。其中中国计量大学光电子所与国内外合作开发了LD两种型号（一种光学三分离式的；一种接收与瞄准结合的光学望远镜式的）低价、省电、便携式的激光测距机，测距能力达1 Km，测距精度为1m。1.2本文的主要内容本文主要是关于超小型脉冲激光测距电路部分的设计和研制。其具体内容包括脉冲激光的发射和接收的硬件电路模块、高精度计数模块、控制模块及数据采集。其中高精度计数和控制模块是超小型脉冲激光测距机的核心部分，是关键之所在。1. 脉冲激光的发射电路模块的设计及研制这一模块主要是设计一个驱动电路，用来驱动850nm波长的高性能半导体激光二极管SPLLL85发射脉冲激光（结合光学系统）。其中所要解决的问题是如何产生频率重复率高达10KHz的脉冲激光信号，该脉冲信号脉冲宽度必须小于25ns，由测距的范围（300m）决定，单次光脉冲信号的能量不能小于10W。2. 光信号的接收和放大及整形模块这一部分是决定高精度技术模块是否能工作的前提。其中首要解决的问题是如何利用高性能的光电转换器件（Si-APD）接收到能量达到10-9W量级的微弱回波信号（结合光学系统）；然后是利用合适带宽放大器对接收到的脉冲宽度约为25ns脉冲电信号进行放大（放大器的带宽不能小于80MHz，否则会导致放大后的波形失真，脉冲被展宽），如何提取出利用告诉比较器对信号进行滤波，滤除背景光和电路引起的噪声，来获得获得“高纯度”的脉冲触发信号供后续电路使用。3. 高精度计数模块它是决定测距精度的核心部分，也是超小型脉冲激光雷达的核心部分。由于特殊的使用场合，首先主要解决使用低频晶振来产生高频率（125MHz）、高稳定度（小于10ppm）的时钟基准，然后是利用这个时钟基准作为计数器和控制电路的基准信号，设计高时间分辨率计数电路，使电路时间分辨率达到2ns，并且有稳定的重复测距率（10KHz）和抗干扰性能。4. 计数结果输出模块这一部分主要解决的问题是如何对15 Mb/s计数的结果进行高速采集。分析并行口和串行口在数据传输上的特性和优缺点，选择合适的数据采集形式。5. 电路功能的验证和系统的联调对每个电路或程序都进行了功能模拟仿真，以验证其设计的正确性。最后的系统级仿真，主要是通过制作的原理样机进行实际测距试验，获得大量的数据并且进行了分析。分析结果用于评价电路系统的性能并指导系统总体和子模块的改进工作。2 半导体脉冲激光测距机的方案设计2.1 激光测距原理概述激光测距主要有三种方法：脉冲激光测距、相位激光测距和调频连续波测距。测距技术主要包括：脉冲激光测距的时间间隔测量技术和时刻鉴别技术；激光相位测距的相位调制技术及其调制噪声问题；调频连续波测距技术和半导体激光自混合干涉测距技术等。2.1.1 脉冲激光测距(1)脉冲激光测距机的测距原理脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大（一般可达兆瓦）的特点进行测距，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程；在进行几公里的近程测距时，如果精度要求不高，即使不使用合作目标，只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得反射信号，也可以进行测距。图2.1.1 脉冲激光测距的基本原理图如图2.1.1所示，一个典型的脉冲飞行时间激光测距系统通常由以下五个部分组成：激光发射单元、接收单元、时刻鉴别部件、高精度时间间隔测量部件和处理控制单元。激光发射单元在t时刻发射一激光脉冲，其中一小部分功率直接进入回波接收单元，触发开始信号（START），开始时间间隔测量；其余功率通过发射通道向目标发射出去，经距离L到达目标后被反射;接收通道的光电探测器接收到返回脉冲，经放大后到达信号的放大及整形单元，产生一终止（STOP）信号，终止时间间隔测量；高精度计数单元把所测得的时间间隔结果t输出到处理控制单元，最后得到距离R（L=2R）。(2)时刻鉴别对于目前时刻鉴别的方法主要有三种：前沿鉴别、恒定比值鉴别和高通容阻鉴别。前沿鉴别法是通过固定阈值方式来确定起止时刻（如图2.1.2所示），即以脉冲前沿当中强度等于所设阈值的点到达的时刻作为起止时刻。由脉冲幅度与形状变化引起的漂移误差为t，其大小还与阈值的大小有关，最大值可能接近脉冲上升时间tr 。因此，前沿鉴别法的测量误差比较大。图2.1.3是恒定比值鉴别法的原理图解，恒定比值F此处取50%，即取脉冲上升沿中半高点到达的时刻为起止时刻，如果不考虑波形畸变和噪声等其它因数的影响，由幅度变化引起的误差t=0，由此可见，恒定比值鉴别法能有效消除由脉冲幅度变化带来的误差。图2.1.2 前沿时刻鉴定 图2.1.3 恒定比值时刻鉴定图2.1.4 高通容阻时刻鉴定为了有效地克服波形畸变和噪声带来的误差，提出了高通容阻时刻鉴别方法，如图2.1.4所示，接收通道输出的起止信号脉冲（左）通过一高通容阻滤波线路，原来的极值点转变为零点，以此作为起止时刻点，它的误差主要受信号脉冲在极大值附近的斜率的影响。据报道采用此方法时，漂移误差能控制在3.5ps（相当于0.5mm的测距精度）。时刻鉴别的误差除了跟所采用的鉴别类型有关外，还与激光回波脉冲波形和光电探测器类型有关。激光回波脉冲是先经接收通道的光电探测器进行光电转换和前置放大后进入时刻鉴别单元的，光电探测器的光电转换机制以及接收通道引入的噪声和带宽限制都将影响回波脉冲波形的完整恢复。目前经常采用的光电探测器包括光电倍增管PMT，PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD等。PMT是利用光电发射效应工作的，其增益M可达105-107，PIN是利用P-N结的光生伏特效应制成的，但无内部增益；利用雪崩倍增效应制成的APD增益M可达102-104，响应时间非常短（0.5ns），是高精度微弱信号探测的首选探测器。正由于探测器的工作机理各不相同，其对光信号波形的还原能力也不同，因此，在考虑时刻鉴别误差时，必须结合使用的探测器和时刻鉴别类型，以及光信号波形类型分别对待。除漂移误差外，在时刻鉴别过程中还存在时间抖动，它是由于输入信号噪声和来自接收通道的附加噪声产生的，抖动幅度还与信号脉冲上升沿宽度、信号强度、时刻鉴别单元的带宽以及鉴别类型有关。输入到时刻鉴别单元的噪声分为白噪声和相干噪声，它们对时间抖动的作用是不同的。2.1.2 激光相位测距(1)激光相位测距的原理激光相位测距的方法是通过对激光的强度进行调制实现的。(2)相位调制 相位调制的方法有直接调制、光调制（包括声光调制AOM和电光调制EOM）和九十年代发展起来的模间拍频调制。用于LD的直接电流调制具有简单易调制等优点，但其缺点是调制波形会变形，且随着调制频率的增加，调制深度会降低；光调制也会带来波形变形，特别是在高频（千兆赫兹）时就更为严重。模间拍频调制则具有高频（几百兆赫兹）和100%的调制深度等优点，因此它非常适合于高精度相位测距。以波长为633nm He-Ne双频激光器为例，若腔长L介于1530cm，经计算可获得500MHz-1000MHz的调制频率。其它如双频二极管泵浦固体激光器（DPSSL）也可用于相位测距，而且DPSSL的腔长可以做的更短，更易得到更高的拍频。如何得到稳定的光频和稳定且更高的拍频有待深入研究。2.1.3调频连续波（FMCW）激光测距调频连续波激光测距主要是通过发射一频率连续可调的激光，测量接收到激光的频率来推算距离。据报道：运用此FMCW激光测距方式，已同时获得了18.5km的测距范围和20 mm的测距精度，其频率惆啾率为100pHz/s 。FMCW激光测距采用的频率调制方式主要有：激光腔长调谐、开关调制、声光调制、电光调制和电源直接调制等；使用的激光介质有气体（如CO2）、固体(钛宝石和掺铒光纤等)和半导体；探测方式有直接探测（非相干探测）和光外差干涉探测（相干探测）。半导体激光自混合干涉测距技术是调频激光测距的一个新的研究热点，它是利用被测物体形成的反馈光对线性调频LD光源输出光功率的调制特性，实现绝对距离测量。由于其光学系统仅包含一个光源和一个准直透镜，结构极其简单、紧凑，系统易准直，因此倍受关注。2.2 三种测距方法的比较三种测距方法是针对各种不同的工作场合和不同的精度要求都有各自的优缺点。(1)对于脉冲激光测距测量系统的测量精确度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲的上升沿、探测器的信噪比（峰值信号电流与噪声电流均方根值之比）和时间间隔测量精确度。以上主要是从激光飞行时间t出发来考虑距离的精度，其中的关键是如何精确稳定地确定t的起止时刻和精确测量t，它们各自对应的是时刻鉴别单元和时间间隔测量单元；另一方面就是大气折射率的取值精度，它受环境温度、气压及大气湍流的影响，精度一般可以达到10-6（1ppm）。双(多)波长激光测距可以避免大气对测量精度的影响。而且时刻鉴别中，由于激光脉冲在空中传输过程中的衰减和畸变，导致接收到的脉冲与发射脉冲在幅度和形状上都有很大不同，给正确确定起止时刻带来困难，由此引起的测量误差被称之为漂移误差（walk error）；另外，由输入噪声引起的时间抖动也给测量带来了误差。如何设计时刻鉴别单元以达到消除或减小漂移误差和时间抖动，是脉冲激光测距的重要研究课题之一。（2）对于相位调制影响激光测距精度的除大气温度、气压和湿度等外在因素外，还包括测距仪自身的光发射功率、测量平均次数和调制频率及其稳定性等参数。另外，电子噪声特别是由大功率调制引入的电子相干噪声对探测精度影响很大。而且，如果光电信号与调制源具有相同的频率，就会限制测相精度。这是由于调制源存在与光电信号频率相同的泄漏场，它与光电信号发生相干作用，降低了信噪比特别是在回波信号很弱的时候。（3）而对于调频连续波激光测距其主要研究的课题是，选择增益带宽宽的激光介质，增加频率惆啾的宽度，提高测距精度;另一方面，要加大测距范围，就需减小频率惆啾率，但同时也要增加电子测量系统的带宽和提高频率测量精度，因此，在实际测量中通常要寻求带宽和频率测量精度的平衡以及测距范围和测距精度的平衡。2.3 项目的部分要求由于论文讨论的是用于手持式单兵或末端制导小型脉冲激光测距，这就决定了我们在体积上必须做的小，尽量使用集成器件；其次，由于系统较小，并没备有充足的电能，因此电路的设计应当尽可能的降低功耗，尽量避免使用大功率的器件；再次，由于特殊的应用场合，所有的硬件设备，包括电路和光学部分等等，都必须有良好的抗过载能力，这对选用器件具有较好的机械性能又提出了要求。项目的部分要求如表2.1示表2.1 项目的部分要求最大测程测距精度最大功耗测频250米0.3米5瓦10KHz2.4 半导体脉冲激光测距机的测程及精度可行性论证本设计主要考虑的是最大测程、测距精度以及最大功耗，至于抗过载能力，我们暂且不考虑。 半导体激光器的体型较小，本课题的测程是250米左右，据现有资料报道，要想最大测程达到或超过250米，脉冲LD的功率必须大于10W，否则，信号将淹没在噪声之中而难以发现。而且单次发射的光脉冲的功率随着测频的升高而降低，主要取决于脉冲波形的高电平的占空比，同时还必须考虑LD的电光转换效率。对于典型的脉冲激光二极管，可确保安全的占空比要求小于等于0.1%，要求LD输出脉冲宽度为20ns，因此重复率为10KHz时，其占空比为：=20x10-9x10x103=2.0x10-4 = 0.02% （2.1）该数值远小于0.1%，因此实现脉冲LD频率10KHz时可行的。但关键在于电路的设计，形成强电流脉冲所需要的时间常数要小。我们使用高频高功率MOSFET管驱动脉冲LD，可以获得高效、高重复率、窄脉宽、大功率的红外激光输出。LD输出的平均功率为P=0.02%x 10=0.002W （2.2）以LD电光转换效率的最低限20%来计算，发射系统的消耗的平均功率为0.01W，这对降低总系统的功耗有利。从测距精度来考虑，主要是信噪比和计数的精度。激光器发射出的光信号的脉冲波形必须做的比较好，具有稳定而且很窄的上升边沿（便于时刻的准确鉴别）和足够的能量幅度。脉冲信号的上升时间不同，在边沿触发时，达到触发电平的时间不同。图2.1 不同上升时间同幅度的波形由于回波信号可能会十分的微弱且波形不规则，因此光脉冲的接受电路也很关键。接受电路模块必须有足够的抗干扰能力和有用信号的提取能力，这种能力与信噪比有关，而噪声与工作频率有关。目前0.5mmAPD噪声相当能量（NEP）85%）。其次，发射光束的发散角应尽可能小，避免造成错误或误差。通过对现有的测距方法的讨论和分析并结合项目的具体要求，选用脉冲激光测距技术可以使用体积和能耗非常小的激光二极管作为探测光源进行测距。其次，选用激光二极管，可用于高重复率的测距。综合各种激光测距方法的特点并结合项目的具体要求，脉冲激光测距法是比较合理的选择。2.5本章小结在本章里，我们介绍了激光测距常用的几种方法，详细介绍各种测距方法的测距的原理和测距具体实现的方法，并对各个测距方法的优缺点进行详细的阐述。最后，结合本设计所涉及项目的具体要求，从测距精度、功耗、体积、应用场合和实现的难易度进行讨论，最后得出本设计所采用的解决方案，为以后各子模块的设计和具体实现提供基本的理论依据。3 半导体脉冲激光发射电路的设计及研制3.1 设计思路脉冲激光发射模块的设计必须考虑到激光发射频率和发射功率之间的制约关系，由于激光二极管的发射功率是一定的，随着重复频率的增加，单次发出的功率会有所减小。实现方案:首先产生频率为10KHz，0.02%占空比的TTL时钟信号提供给驱动芯片作为周期性脉冲触发信号，让驱动芯片以同样的频率去激发高性能半导体激光器，产生20ns上升沿、功率10W的光脉冲输出。实现框图如图3.1所示。驱动芯片 激光器 图3.1 激光发射模块的工作框图3.2 器件选型3.2.1 半导体激光器激光发射器件选择在很大程度上与接收器件的性能有关系。目前在脉冲式激光测距中采用的是低噪声Si-APD（硅雪崩二极管）探测器，它具有体积小、速度快和可靠性高的优点，它是目前可见光和近红外区的主要探测器。Si-APD在可见光区的量子效率接近100%，在近红外区也有较高的效率，在1.06m处，量子效率为40%，并且具有较大的带宽（100MHz）。Si-APD与低噪声的GaAs场效应前置放大器组合成的探测器，其探测灵敏度可以达到3x10-10W。经过分析计算（详见第四章，放大器的选择），要使探测器能够接收到回波，脉冲激光器发射的峰值功率不能够小于10W。此外，对发射出的光脉冲的脉宽和上升沿有严格的要求。脉冲上升时间要求越短越好，且要求上升时间不能有较大的跳动。以本项目0.3m的测距精度要求，上升沿的跳动值不能超过4ns 。方案中最终选择与要求十分接近的半导体激光二极管SPLLL85 。SPLLL85是OSRAM公司出品的一款红外波段（850nm）的半导体脉冲激光器，它内部集成驱动级。这款激光器主要应用在测距、安全（监视）、点火、测试和度量等方面。它的突出的优点峰值功率较高，因此在使用中要注意安全。SPLLL85内部结构图如图3.2所示：图3.2 SPLLL85的内部结构图它的部分特性如下：低功耗，小尺寸的塑料封装；集成FET和电容来控制脉冲；高速度操作(小于30 ns的脉宽)；发散角为14x 30；低供电电压（小于15V），典型工作电压为9V；最大峰值功率12W我们之所以采用这个激光器，是因为首先它具有10W的发射功率，发散角14x30，而且它的体积十分的小，塑料封装。3.2.2 驱动芯片对一个大的电容负载进行冲放电需要很大的电流。SPLLL85内部是一个容性负载，典型值是300pF，在5V工作电压下对其进行充放电所需要的功率由是式（3.1）给出。 IL = fCVS （3. 1）其中： f - 工作频率；C - 容性负载的大小；VS - 工作电压。 SPLLL85在10KHz重复率下进行工作至少需要15A的电流。而且脉冲电流的脉冲宽度必须要小于激光二极管的发射光脉冲的脉宽30ns 。MIC4452是MICREL公司生产的一款超强、高效、易于使用且非转化型的CMOS MOSFET驱动芯片。它能产生15A的峰值电流输出，能以一种改良的安全的操作极限来驱动最大MOSFET，在没有任何外部加速电容和电阻网络的情况下能接收范围在2.4到VS内的输入。附加电路保护器件不受静电的破坏。图3.3 MIC4454的引脚图这款器件可代替三个或更多的离散器件，缩小了PCB板的大小，简化了设计。芯片的外观如图3.3所示。以下是它的一些特性： BICOMS/DMOS架构 匹配的上升和下降时间（25ns） 高峰值电流输出（15A） 宽电压操作范围（4.5V - 18V） 高容性负载驱动能力（62000pF） 低延时特性（30ns） 低供电电流（450A） 低输出阻抗（1）这款芯片完全可以用来驱动OSRAM公司生产的SPLLL85半导体激光器。利用它可以使该二极管发挥最大的效能。使用应当注意的事项：1. MIC4452使用的对供电管脚、地端和输出管脚进行双绑定。这样可以减小寄生导线自感，低的自感可以使大电流进行更快地切换。这样还可以减小内部振铃效应，内部振铃效应会导致当负载工作在和接近最大额定电压时电压的崩溃。内部振铃效应还会导致由于负反馈而产生地输出振荡。为了获得一个低地供电源在宽频范围内阻抗，供电旁路最好并行连接一个电容，应当使用短导线长度低自感系数地瓷片电容。1和4管脚，5和8管脚都连接上各一个陶瓷电容。2. 像MIC4452这样的高电流容量地芯片在布板地必须十分地注意。MIC4452是一款转换型地芯片，任何接地导线阻抗都会以负反馈地形式出现，而这会降低开关的切换速度。这对有着慢的上升沿地输入尤其要注意。虽然MIC4452的输入构建包括了一个用于滞后作用的200mV，但是在布板是仍旧是要注意。 为了获得最好的性能，逻辑电路和电源要分开接地，以免电源地上的干扰窜入逻辑电路。逻辑电路的地直接连接到芯片地GND端以确保完全地对输入地全逻辑驱动和确保输出地快速切换。最后在芯片的地端将二个地连接。3.2.3. 555定时器555定时器是一种集成电路，因集成电路内部含有三个5千欧电阻而得名。它是将模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路。使用十分灵活方便，只要外挂几个阻容元件，就能构成多种用途的电路，如施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等。本设计中利用的是它构成多谐振荡器的功能。它的内部电路结构如图3.4所示。其震荡周期T为T0.7(R1+2R2)C （3.2）占空比q为 （3.3）可以利用算出在特定输出频率下的连接电阻和电容的值。图3.4 555构成多谐振荡器内部结构图3.3 硬件电路的实现电路的原理图如图3.5和3.6所示。可以产生5KHz的TTL时钟信号，但是无法达到四千分之一的占空比。因此还必须通过专门的电路实现四千分之一的占空比的功能。在本设计中主要是利用系统核心计数单元的CPLD来精确的调节占空比。具体的方法:利用555得出的时钟信号的占空比设定为50%，使用CPLD内部的LCELL延时器件进行7次，即时钟信号（5 KHz）输入延时链路，再把输出的结果和输入前的时钟信号作一次异或再输出，就是我们所需要的10KHz，占空比图3.5 频率为10KHz 占空比为1/4000的时钟波形四千分之一的信号，脉冲宽度为25ns，基本符合我们的要求。（实际过程中，CPLD各个器件的延时是不一样的，因此在实际的使用时还需要改进，直到符合我们的要求为止。）图3.5是使用软件仿真的波形图，基本反映真实情况。 图3.6 555时钟发生电路 图3.7 脉冲信号的驱动电路图3.6是利用555多协振荡器来产生所需的时钟信号，我们需要的周期和占空比可根据式（3.2）和（3.3），来改变两个电阻和电容的值来调节。图3.6已经初步给出了需要的值。为了尽量减小PCB板的尺寸，我们所有的元器件都采用贴片封装（电阻和电容采用0805或0604，MIC4452采用SO-8, SPLLL85根据尺寸自定义）。其中还必须注意的一个问题是，MIC4452的输出端必须紧靠着SPLLL85的 TRIGGER端，因为瞬时的电流会很大，我们必须缩短布线的线程，避免电磁干扰引起电路工作异常。3.4 性能测试与分析完成了电路的设计，我们来对电路的功能进行验证。激光二极管采用的是SPLLL85，光脉冲发射重复率为10KHz，由于采用的是近距离直接照射测试，在实验中存在照射不到的盲区。故又采用SPD-035.Z型管子。SPD的倍增因子10-25，电流响应度为9 A/W，光敏面直径为0.5mm。采用的示波器为是Tektronix Inc. TDS5000系列数字示波器，其采样率为1GHz。实验表明示波器显示的信号的幅值很大，而且幅值的上下变很小，最重要的是脉冲的上升沿为l5ns，下降沿为17ns左右，脉冲宽度为32ns左右，摆动也很小，约1ns左右，这基本符合我们的要求。3.5 本章小节本章研究的是测距机的激光发射模块，根据项目的具体要求提出了自己的方案。在具体的实现过程中，我们使用了555芯片来调节产生出我们所的5KHz的TTL时钟信号，再经过CPLD的转换得到我们所需要的10KHz，四千分之一的占空比触发时钟信号。通过高性能驱动芯片MIC4452以同样的频率和占空比去驱动SPLLL85。最后经过实验验证，发出的光脉冲在一般情况下无论在脉冲宽度、上升沿、抖动上都比较符合实际的要求。4 光信号的接收模块的设计及研制4.1 设计思路本设计使用的是发射波长为850nm的红外激光二极管，为获得最大的信噪比，必须使用对这一波长响应度较高的APD（雪崩光电二极管）来接收返回的光信号，并且对信号进行放大和整形，从中提取出有用信号来作为脉冲计数单元的触发信号。实现的原理框图如图4.1所示。图4.1 信号的接受流程图4.2 器件选型本设计使用的主要器件有APD，前置放大芯片，高速比较器等。4.2.1 光电探测器件1. 光探测器件的性能介绍光电探测器件是接收电路模块的一个重要器件，我们在选择器件必须考虑到它的光谱响应度、响应时间、探测度（所能探测到的最小能量）。一. 光谱响应度光谱响应度是光电探测器的基本性能之一，它表征光电探测器对不同长入射辐射的响应。光电探测器的光谱响应特性有明显的选择性。图4.2.1显示的是一般硅、锗光电二极管的光谱响应特性。图4.2 典型硅、锗光电二极管的光谱响应特性从图4.2可以看出硅型和锗型的光电二极管在相对灵敏度上，对波长有着明显的选择性。光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。电压光谱响应度RV（）定义为在波长的单位入射辐射功率下照射下，光电探测器的信号电压，表达式如下： （4.1）而光电探测器在波长为的单位入射辐射功率作用下，器件输出的光电流叫做探测器的电流光谱响应度，表达式如下：（4.2）式（4.1）和（4.2）中，P（）为波长为时的入射光功率；V（）为光电探测器在入射功率为P（）作用下的输出信号电压；I（）为用电流表示的输出信号电流。二. 响应时间 光电探测器输出的电信号在时间上落后于作用在其上的光信号，即光电探测器的输出相对于输入的光信号要发生时间轴上的扩展。这种扩展可以用时间响应来描述。光电探测器的这种响应落后的特性成为惰性。由于惰性的存在，会使先后作用的信号发生相互混叠。表示时间响应特性主要有两种方法:脉冲响应特性法和幅频特性法。1. 脉冲响应响应落后于作用信号的现象称为弛豫。对于信号开始作用时的弛豫称为起始弛豫；信号停止作用时的弛豫称为衰减弛豫。对于雪崩二极管、光电二极管这一类响应速度快的探测器件，起始弛豫为响应从稳定值的10%上升到稳定值的90%所需要的时间。2. 幅频特性由于光电探测器件惰性的存在，使得其响应度不仅与入射的波长有关，而且还是入射辐射调制频率的函数。这种函数关系还与入射光强信号的波形有关。通常定义光电探测器对正弦信号的响应幅度值同调制频率间的关系为它的幅频特性。归一化幅值特性为 （4.3）式中=2f为调制圆频率；f为调制频率；为响应时间。在实验中可以测得探测器的输出电压V（）为 （4.4）式中，VO为探测器的入射光调制频率为零时的输出电压。这样，如果知道调制频率为f1时的输出电压为V1、和调制频率为f2时的输出电压V2，就可以确定响应时间为为 （4.5）三. 探测度探测度是衡量光电探测器对于微弱信号的极限探测能力的一个重要的指标。这一性能指标对光电探测器在微弱探测具有重要的意义。探测度这一参数最初是从等效功率NEP引出的。NEP的定义：当探测器输出的基频信号电压的有效值VN等于噪声均方根电压Vn时，投射到探测器上的已调制辐射功率PN（基频分量的均方值），称为光电探测器的噪声等效功率。其表达式为 （4.6）式中NEP的单位为。噪声等效功率有称为最小可测功率，因此光电探测器的NEP值越小，其探测能力越强。但是人们利用NEP的倒数探测度D来定义，其表达式为 （4.7）探测度D可理解为每单位（瓦）辐射功率照射在探测器上得到的信噪比。D越大，表明探测器的能力越强，D的单位为W-1。理论和实践表明，噪声的等效功率与探测器的光敏面积Ad，和测量系统的带宽f乘积的平方根成正比。即 (4.8)即 (4.9)式中Ad为光敏面的面积，单位为cm2；f为测量系统的带宽，单位为Hz。为了消除光敏面积和测量系统带宽的影响，便于对不同类别的探测器进行比较，又引入了归一化探测度D*(比探测度)，其表达式为 （4.10）D*的单位是cm.Hz0.5.W-1。它表示探测器接收面积为1 cm2，工作带宽为1Hz时，在单位入射辐射功率照射下所输出的信噪比。2. 器件的选用雪崩光电二极管目前经被广泛应用于多个领域，诸如激光测距、光子相关性研究、光电探测等等。雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子具有普通硅光电二极管PIN光电二极管所没有的内增益光伏特性，而在光电探测系统中，大多数是对微弱信号的检测，采用内增益的光探测器有助于对微弱信号的探测。雪崩二极管是具有内增益的光伏探测器件。它是利用光生载流子在高电场区的雪崩效应而获得光电流的增益的，它具有灵敏度高，响应快等优点。雪崩光电二极管的反相工作偏压通常略低于P-N结的击穿电压。无光照时，P-N结不会发生雪崩效应;只有当外界有光照时，激发出的光生载流子才能引起雪崩效应。若反相偏压超过器件的击穿电压时，器件将无法工作，甚至烧毁。（1）雪崩光电二极管的结构理想的APD应是没有暗噪声与过剩噪声，具有宽的光谱与频率响应，增益的范围达106或更多。简单地说，一个理想的APD是一个具有增益功能的PIN光电二极管。然而在实际中是很难实现的，因此需要平衡、折中相矛盾的设计需求，以实现商用APD上最优化。APD设计者设计的基本结构包括一个吸收区A和一个倍增区M。在A区中存在电场E，用来分离光子产生的空穴和电子，并将其中一种搬运到倍增区。设计倍增区M的目的是为了产生一个高的电场，以通过碰撞电离使内部光电流得到增益。倍增区M必须足够宽以提供有用的增益。对硅APD而言至少要100，而锗和InGaAs APD其增益在10-40之间。另外，在场强低于二极管击穿电场强度时，倍增区的表面电场必须实现有效的增益。（2）性能参数APD与PIN光电二级管不同的地方是能提供内部光电子信号增益。因此输出的电流信号Is=MR0(I) PS，其中R0(I)是增益和波长都等于I时APD的固有响应度，M是APD的增益，PS是相应的光功率。增益是APD反向电压VR的方程，并随着偏置电压的改变而改变。探测器的光谱噪声是考虑选择APD的一个关键的参数。和其它探测器一样，APD通常工作在两个噪声抑制探测区域中的一个。或者探测器噪声在低压条件下受到抑制，或者光子散粒噪声在高压下受到抑制。由于APD被设计为在电压反向偏置的条件下工作，在弱光条件下，它的灵敏度会受到散粒噪声和APD漏电流的限制。散粒噪声来源于暗电流ID（或信号电流）涨落的随机统计分布。PIN探测器的暗电流或散粒噪声IN(SHOT)通常由IN(SHOT)=(2qBID)0.5得到，式中B是系统带宽。由于体漏电流IDM在M区得到增益放大。因此总的漏电流ID为ID=IDS+IDBM （4.11）式中IDS是表面漏电流。另外，雪崩过程在总体上会产生电流的波动，与PIN相比APD的性能会由于过剩噪声系数(F)而降低。在无光照的情况下，APD总的光谱噪声电流表达式如式（4.12）所示：iN=2q(IDS+IDBM2F)B0.5 （4.12）式中q为单位电荷。在较强的光信号作用下，探测器转换为光子散粒噪声抑制系统。此时依附于光生电流的光子散粒噪声限制了灵敏度。光照条件下APD总的噪声等于探测器噪声和信号散粒噪声的二次方的和。当给出光信号功率值时，总噪声表达式为iN(TOTAL)=2q(IDS+(IDBM2+R(i)M2PS)B)0.5 (4.13)在没有其它噪声源和相同量子效率的情况下，APD的信噪比(SNR)比PIN探测器要低F0.5。然而APD比起PIN探测器能使整个系统有更好的信噪比，因为信号在APD的内部得到增益，而不会明显地影响到总的系统噪声。噪声当量不能作为探测器相关性能的唯一参数，而要根据探测器在特定波长和带宽下的信噪比来判断探测器类型在应用中是否为最合适的。值得注意的是最合适的性噪比产生于增益区M，在增益区M总的探测噪声等于放大器或负载电阻的输入噪声。最合适的增益部分取决于APD的过剩噪声系数F。而且有一定的范围，硅APD增益的范围是从100到1000，而Ge和InGaAs APD的增益是从30到40。APD通常被用在高带宽或需要用内部增益来克服前置放大噪声的应用场合。下面为选择APD所要遵循的几点要求，根据这几点可以决定一个APD是否最适合某个光探测的需求。a确定所覆盖的波长范围。决定适用于该波长范围的APD类型。b确定能用于光学系统中的探测器的最小尺寸。比起用过大的PIN或雪崩光电管，优化光学系统性能经常更加有效。c确定系统的电频率带宽需求，需强调的是超过指定带宽的范围将会降低系统的信噪比。(3)光探测器件的最终选择对于波长850nm红外光信号，使用对该波长响应度比较高的Si-APD作为接收器件。考虑要接收的光信号的能量的大小(根据4.2.2小节的理论计算达到10-9 W)