星载激光测距仪回波探测电路的制作方法

本发明涉及一种用于星载激光测距仪基于APD探测器(模块)的回波探测电路。

背景技术：

星载激光测距仪一般工作在数百公里轨道，数MW量级的激光发射功率经过R²的距离衰减和大气双程衰减后，激光回波光功率一般仅为数十nW量级，如何有效的检测并提取如此微弱的激光回波信号是激光测距系统的关键。雪崩光电二极管(APD)量子效率高，具有极高的灵敏度和极短响应时间，成为星载激光距仪微弱信号探测的首选探测器。目前星载激光测距仪回波探测电路普遍的设计方法是将APD探测模块输出信号直接通过同轴电缆输出或者将APD探测器输出的电流信号通过I/V转换后通过同轴电缆输出，电路中仅包括APD探测电路，这种电路的不足之处在于：nW量级的回波信号经过APD探测电路光电转换后信噪比极低，采用单端非隔离传输方式信号品质极易受到外界环境特别是空间环境的影响，造成信噪比进一步恶化或信号失真，不利于后端信号检测，影响测距精度。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，通过在APD探测电路的基础上增加差分放大器电路、无源贝塞尔滤波器电路和变压器隔离电路，一方面使得只能输出单端信号的APD探测电路输出差分电压信号并通过无源贝塞尔滤波器获得最优信噪比，另一方面通过变压器隔离电路实现与后端信号处理电路的电流隔离，提高电路的可靠性和抗干扰能力。适用于星载激光测距仪的激光回波探测。

本发明的技术解决方案是：星载激光测距仪回波探测电路，包含电源滤波电路、APD探测器(模块)、差分放大器电路、无源贝塞尔滤波器电路和变压器隔离电路。电源滤波电路对输入电源进行滤波，以满足探测电路各单元对电源纹波、噪声的要求。APD探测器(模块)是实现激光回波探测的光电器件，其在外加高压偏置的情况下获得内增益实现微弱信号探测。差分放大器电路用以将APD探测器(模块)输出的信号转换为差分信号，提高信号传输的抗干扰能力。无源贝塞尔滤波器电路将信号带宽限制在合适频带范围内，以获得最优信噪比，以满足不同应用的需求。变压器隔离电路实现光电探测电路与后端信号处理电路的电流隔离，提高电路可靠性和抗干扰能力。

所述的电源滤波电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1和电感L2；电容C1的一端与外部输入电源的正端(101)相连，电容C1的另一端与外部输入电源的参考端/地(102)相连；电容C3的一端与外部输入电源的负端(103)相连，电容C3的另一端与外部输入电源的参考端/地(102)相连；电容C2的一端作为电源滤波电路的输出正端(104)，电容C2的另一端与外部输入电源的参考端/地(102)相连；电容C4的一端作为电源滤波电路的输出负端(105)，电容C4的另一端与外部输入电源的参考端/地(102)相连；电感L1的一端与外部输入电源的正端(101)相连，电感L1的另一端与电源滤波电路的输出正端(104)相连；电感L2的一端与外部输入电源的负端(103)相连，电感L2的另一端与电源滤波电路的输出负端(105)相连。

所述的APD探测器为雪崩光电二极管或带集成前置放大器的光电模块。

APD探测器为雪崩光电二极管时，所述的差分放大器电路：包括电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9和差分放大器(201)。

差分放大器(201)，包括：信号输入正端、信号输入负端、信号输出。

电容C5的一端连接APD探测器输出端(106)，电容C5的另一端与差分放大器(201)的信号输入负端相连-IN；差分放大器(201)的信号输入正端+IN通过电容C6接至电源滤波电路的输出正端(104)；电容C7一端与差分放大器输出正端+OUT相连，电容C7另一端作为差分放大器电路的输出正端(107)；电容C8一端与差分放大器输出负端-OUT相连，电容C8另一端作为差分放大器电路的输出负端(108)；电容C9一端与差分放大器电源正端VCC相连，同时连接电源滤波电路的输出正端(104)，电容C9另一端与差分放大器电源的地端GND相连，同时与电源滤波电路参考端/地(102)相连。

APD探测器为带集成前置放大器的光电模块时，所述的差分放大器电路具有增益调整功能，包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14和差分放大器(301)。

差分放大器(301)，包括：信号输入正端、信号输入负端、增益控制正端、增益控制负端、电源正端、电源负端、输出正端、输出负端。

电容C11的一端与APD光电模块输出端(106)相连，电容C11的另一端与差分放大器(301)的信号输入正端相连；差分放大器(301)的信号输入负端通过串联的电容C12和电阻R2接地；电容C13一端与差分放大器输出正端相连，电容C13另一端作为差分放大器电路的输出正端(107)；电容C14一端与差分放大器输出负端相连，电容C14另一端作为差分放大器电路的输出负端(108)；电阻R1一端与差分放大器的增益控制正端相连，电阻R1另一端与差分放大器的增益控制负端相连；电阻R3一端与差分放大器的增益控制负端相连，电阻R3另一端与差分放大器的输出正端相连；电容C10一端与差分放大器电源正端和电源滤波电路输出正端(104)相连，电容C10另一端与电源滤波电路参考端/地相连；差分放大器电源负端与电源滤波电路参考端相连。

所述的贝塞尔滤波器为3阶差分低通滤波器，且具有阻抗变换作用：包括：电容C15、电容C16、电感L3、电感L4。

电容C15一端与差分放大器电路输出正端相连，作为贝塞尔滤波器的输入正端(109)，电容C15另一端与差分放大器电路输出负端相连，作为贝塞尔滤波器的输入负端(110)。电容C16一端作为贝塞尔滤波器的输出正端(111)，电容C16另一端作为贝塞尔滤波器的输出负端(112)。

电感L3一端与无源贝塞尔滤波器电路输入正端(109)相连，电感L3另一端与无源贝塞尔滤波器电路的输出正端(111)相连；电感L4一端与无源贝塞尔滤波器电路输入负端(110)相连，电感L4另一端与无源贝塞尔滤波器电路的输出负端(112)相连。

所述的变压器隔离电路为差分宽带脉冲变压器电路：包括电容C17、电容C18、变压器T1。

变压器(T1)，包括：输入正端(115)、输出正端(116)、输出参考端(117)、输入负端(118)、输出负端(119)，端(117)从端(116)和端(119)之间的线圈中间引出。

电容C17一端与无源贝塞尔滤波器电路的输出正端相连，电容C17另一端与变压器(T1)的端(115)相连，；电容C18一端与无源贝塞尔滤波器电路的输出负端相连，电容C18另一端与变压器(T1)的端(118)相连；变压器(T1)拥有三个输出端，其中输出端(116)作为回波探测电路的输出正端与外部电路差分输入正端相连，输出端(119)作为回波探测电路的输出负端与外部电路差分输入负端相连，输出端(117)与外部电路的地相连。

所述的电源滤波电路可根据输入电源特性组合成π型、T型和L型滤波电路。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过在APD探测电路的基础上增加差分放大器电路、无源贝塞尔滤波器电路和变压器隔离电路，一方面使得只能输出单端信号的APD探测电路输出差分电压信号并通过无源贝塞尔滤波器获得最优信噪比，另一方面通过变压器隔离电路实现与后端信号处理电路的电流隔离，提高电路的可靠性和抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明中电源滤波电路的原理图；

图3为本发明中第一种差分放大器电路的原理图，对应APD探测器；

图4为本发明中第二种差分放大器电路的原理图，对应APD探测模块；

图5为本发明中贝塞尔滤波器电路的原理图；

图6为本发明中变压器隔离电路的原理图。

具体实施方式

本发明的基本思路为：星载激光测距仪回波探测电路，包含电源滤波电路、APD探测器(模块)、差分放大器电路、无源贝塞尔滤波器电路和变压器隔离电路。电源滤波电路对输入电源进行滤波，以满足探测电路各单元对电源纹波、噪声的要求。APD探测器(模块)是实现激光回波探测的光电器件，其在外加高压偏置的情况下获得内增益实现微弱信号探测。差分放大器电路用以将APD探测器(模块)输出的单端电流(电压)信号转换为差分信号，提高信号传输的抗干扰能力。无源贝塞尔滤波器电路在保证信号不失真的前提下将信号带宽限制在合适频带范围内，以获得最优信噪比，以满足不同应用的需求。变压器隔离电路实现光电探测电路与后端信号处理电路的电流隔离，提高电路可靠性和抗干扰能力。通过在传统APD探测电路的基础上增加差分放大器电路、无源贝塞尔滤波器电路和变压器隔离电路，一方面使得只能输出负脉冲单端信号的APD探测电路输出差分电压信号并通过无源贝塞尔滤波器获得最优信噪比，另一方面通过变压器隔离电路实现与后端信号处理电路的电流隔离，提高电路的可靠性和抗干扰能力，且该电路具有小型化等特点，便于与光学镜头焦面的集成安装、调试。

本发明的组成原理框图如图1所示，工作过程为：首先外部输入电源通过电源滤波电路对输入电源进行滤波，以满足各单元电路对电源纹波、噪声等品质的要求。APD探测器(模块)是实现激光回波探测的光电器件，其在外加高压偏置的情况下获得内增益实现微弱信号探测。差分放大器电路用以将APD探测器(模块)输出的单端电流(电压)信号转换为差分电压信号，提高信号传输的抗干扰能力。无源贝塞尔滤波器电路将差分电压信号带宽限制在一定的频带范围内，以获得最优信噪比，以满足不同应用的需求。变压器隔离电路实现光电探测电路与外部电路的电流隔离，提高电路可靠性和抗干扰能力。

电源滤波电路的一种具体电路连接方式如图2所示：电源滤波电路由电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1和电感L2组成。电容C1的一端与外部输入电源的正端(101)相连，电容C1的另一端与外部输入电源的参考端/地(102)相连；电容C3的一端与外部输入电源的负端(103)相连，电容C3的另一端与外部输入电源的参考端/地(102)相连；电容C2的一端作为电源滤波电路的输出正端(104)，电容C2的另一端与外部输入电源的参考端/地(102)相连；电容C4的一端作为电源滤波电路的输出负端(105)，电容C4的另一端与外部输入电源的参考端/地(102)相连；电感L1的一端与外部输入电源的正端(101)相连，电感L1的另一端与电源滤波电路的输出正端(104)相连；电感L2的一端与外部输入电源的负端(103)相连，电感L2的另一端与电源滤波电路的输出负端(105)相连。电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1和电感L2构成π型滤波器对输入电源进行滤波去噪，电源滤波电路也可根据输入电源品质组合成T型或L型滤波电路形式，如表1所示。电源滤波电路对滤波元件的要求较高，高Q值、低直流电阻电感L和低内阻、低电感的电容C是构成电源滤波电路的基本元件。

表1电源滤波电路选用原则及截止频率计算

APD探测器为雪崩光电二极管(优选用Excel itas公司C30654E)时，差分放大器电路的一种连接方式如图3所示，差分放大器电路：包括电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9和差分放大器(201)；

差分放大器(201)，包括：信号输入正端、信号输入负端、信号输出；

电容C5的一端连接APD探测器输出端(106)，电容C5的另一端与差分放大器(201)的信号输入负端相连-IN；差分放大器(201)的信号输入正端+IN通过电容C6接至电源滤波电路的输出正端(104)；电容C7一端与差分放大器输出正端+OUT相连，电容C7另一端作为差分放大器电路的输出正端(107)；电容C8一端与差分放大器输出负端-OUT相连，电容C8另一端作为差分放大器电路的输出负端(108)；电容C9一端与差分放大器电源正端VCC相连，同时连接电源滤波电路的输出正端(104)，电容C9另一端与差分放大器电源的地端GND相连，同时与电源滤波电路参考端/地(102)相连。电容C5、电容C7和电容C8为信号隔直电容，根据信号频率，原则要求电容自谐振频率略大于信号频率，50～200MHz内优选0.01μF～0.1μF高频磁介电容器。电容C6和C9为电源滤波电容，根据电源噪声频段及差放大器201的滤波要求选择。差分放大器201选用ADI公司的AD8015。

APD探测器为带集成前置放大器的光电模块(如选用Excel itas公司C30659)时，差分放大器电路一种连接方式如图4所示，差分放大器电路具有增益调整功能，包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14和差分放大器(301)；

差分放大器(301)，包括：信号输入正端、信号输入负端、增益控制正端、增益控制负端、电源正端、电源负端、输出正端、输出负端；

电容C11的一端与APD光电模块输出端(106)相连，电容C11的另一端与差分放大器(301)的信号输入正端相连；差分放大器(301)的信号输入负端通过串联的电容C12和电阻R2接地；电容C13一端与差分放大器输出正端相连，电容C13另一端作为差分放大器电路的输出正端(107)；电容C14一端与差分放大器输出负端相连，电容C14另一端作为差分放大器电路的输出负端(108)；电阻R1一端与差分放大器的增益控制正端相连，电阻R1另一端与差分放大器的增益控制负端相连；电阻R3一端与差分放大器的增益控制负端相连，电阻R3另一端与差分放大器的输出正端相连；电容C10一端与差分放大器电源正端和电源滤波电路输出正端(104)相连，电容C10另一端与电源滤波电路参考端/地相连；差分放大器电源负端与电源滤波电路参考端相连。电容C11、电容C12、电容C13和电容C14为信号隔直电容，根据信号频率，原则要求电容自谐振频率略大于信号频率，50～200MHz内优选0.01μF～0.1μF高频磁介电容器。电容C10为电源滤波电容，根据电源噪声频段及差放大器301的滤波要求选择。电阻R2为终端匹配电阻，数值与APD光电模块信号输出内阻一致，为49.9Ω。电阻R1 3为增益调整电阻，电阻R为反馈电阻，根据负载阻抗和增益设置确定R1、R3数值。差分放大器301选用ADI公司的AD8351。

无源贝塞尔滤波器电路由电容C15、电容C16、电感L3、电感L4组成，电路连接方式如图5所示；电容C15一端与差分放大器电路输出正端相连，作为贝塞尔滤波器的输入正端(109)，电容C15另一端与差分放大器电路输出负端相连，作为贝塞尔滤波器的输入负端(110)；

电容C16一端作为贝塞尔滤波器的输出正端(111)，电容C16另一端作为贝塞尔滤波器的输出负端(112)；

电感L3一端与无源贝塞尔滤波器电路输入正端(109)相连，电感L3另一端与无源贝塞尔滤波器电路的输出正端(111)相连；电感L4一端与无源贝塞尔滤波器电路输入负端(110)相连，电感L4另一端与无源贝塞尔滤波器电路的输出负端(112)相连。贝塞尔滤波器群延时特性良好，可以在保证信号不失真的前提下压缩信号带宽，提高信噪比。贝塞尔滤波器中L和C的数值计算根据滤波器输入阻抗、滤波器输出阻抗和滤波器截止频率综合计算。

变压器隔离电路为差分宽带脉冲变压器电路：包括电容C17、电容C18、变压器T1，电路连接形式如图6所示；

变压器(T1)，包括：输入正端(115)、输出正端(116)、输出参考端(117)、输入负端(118)、输出负端(119)，端(117)从端(116)和端(119)之间的线圈中间引出；

电容C17一端与无源贝塞尔滤波器电路的输出正端相连，电容C17另一端与变压器(T1)的输入正端(115)相连；电容C18一端与无源贝塞尔滤波器电路的输出负端相连，电容C18另一端与变压器(T1)的输入负端(118)相连；变压器(T1)拥有三个输出端，其中输出端(116)作为回波探测电路的输出正端与外部电路差分输入正端相连，输出端(119)作为回波探测电路的输出负端与外部电路差分输入负端相连，输出端(117)与外部电路的地相连。

电容C17和C18的作用为信号隔直，根据信号频率，原则要求电容自谐振频率略大于信号频率，50～200MHz内优选0.01μF～0.1μF高频磁介电容器。差分宽带脉冲变压器选用Pulse公司的AE520RFA01B1SZ。

本发明一方面使得只能输出单端信号的APD探测电路输出差分电压信号并通过无源贝塞尔滤波器电路获得最优信噪比，另一方面通过变压器隔离电路实现与后端信号处理电路的电流隔离，提高电路的可靠性和抗干扰能力。本发明应用到某型号激光测距仪的设计中。经测试得出，同样工作条件且相同输入下，输出信噪比提高了约25％，信号可靠传输距离延长了约3倍，电路抗电磁干扰能力提高了4～5倍。本发明适用于星载激光测距仪激光回波探测。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。