分析探测处理电路优化

根据APD 探测器的工作原理，当有响应波长范围内微弱的回波信号入射到加有反向偏置高压的APD 光电探测器时，APD 探测器相当于一个恒流源，将会有反向光电流产生。但是，通常它产生的光电流极其微弱，需要将其进行放大处理，这就是APD 放大电路需要完成的工作。由于回波激光信号经探测放大后输出的脉冲信号直接影响到测距精度，因此这种电路要求把探测到的光电流信号不失真地放大，而且要保证噪声小。

APD 阵列探测处理部分的并行放大电路主要由电阻器型或跨阻型两种方式来实现(梁瑞林，2006)。电阻器型放大电路通常是通过电阻将APD 探测器输出的电流信号变换为电压信号，再由放大器进一步处理。跨阻型放大电路是一种性能优良的电流-电压转换器，其基本结构包括放大器和反馈电阻。放大器的增益由反馈电阻决定，通过降低增益可以改善放大电路的带宽，具有宽频带、低噪声的优点。但是反馈电阻的引入也降低了输入阻抗，因此人们在设计并行放大电路时，通常需要综合考虑带宽、放大倍数、输入阻抗等因素。

APD 所探测的回波信号的形状是由激光发射的脉冲波形、大气衰减以及探测目标共同决定。为了方便设计，本书以激光发射模块发射的脉冲激光波形来分析APD 探测回波信号的带宽。根据高速脉冲信号带宽经验公式(李玉山等，2006)和所选用的激光器脉冲激光信号的上升时间(tr)为3.5ns 左右，我们可以计算带宽：

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也就是说，要求放大电路的带宽至少为100MHz。

根据式(2-10)可知，APD 面阵激光雷达接收子系统接收到的光功率越小，输出的光电流就越微弱。当小到与噪声相当的接收光功率，为最小可探测光功率P min。理论上，APD 最小可探测功率只需要大于APD 的等效噪声即可，但实际上人们还要考虑电源噪声、背景噪声、后续处理电路性能等多因素的影响。结合我们的工程经验，所选用的APD 最小可探测功率应该为100nW 左右。为了确保成功探测，放大电路的设计按照每个APD 单元接收100nW 功率计算。通过前期的测试实验得知：由于噪声的影响，要求APD探测器放大后的电压信号为40mV 左右。然后，根据本书第2 章公式(2-10)可计算得到APD 探测器的光电流信号。由表5-1 知，AD500-8-TO52S2 型号的APD 响应度为34A/W。根据100nW 的接收光功率计算，可得其光电流为3.4μA。如果要达到40mV 以上的电压值，增益必须达到1.1×104以上。同样，由表5-3 知，APD 阵列芯片的响应度为60A/W，根据100nW 的接收光功率计算，可得其光电流为6μA，如果要达到40mV 以上的电压值，跨阻增益只需要达到7.7×103就可以满足放大倍数的要求。

APD 阵列探测输出的多路光电流，通过并行放大电路输出模拟电压信号后，还需要通过时刻鉴别电路来确定其定时时刻点。时刻鉴别方法主要有：前沿定时、峰值定时和恒比定时(潘璠，2009；王晓冬，2009)。前沿定时方法通常是将放大后的模拟信号输入到高速比较器，再把输入的信号与一个预设的参考电平进行比较，以比较器输出的数字脉冲信号的上升沿作为回波信号到达的时刻。该方式的定时电路实现较简便，定时准确，但是存在着幅度-时间游走现象。恒比定时和峰值定时方式虽然在一定程度上能够克服幅度-时间游走，但电路比较复杂，并且还可能会引起其他方面的误差(安琪，2008)。对于一个5×5APD 阵列探测器，在进行鉴时电路设计时，总共需要25 路相同的电路去处理并行探测放大电路产生的25 路信号。若时刻鉴别电路采用后两种复杂的方式实现定时，必然会使电路异常庞大，加之如果选用的激光脉冲上升时间短，幅度-时间游走问题影响有限，那么采用高速比较器的前沿定时法就可以实现比较精确的定时鉴别。