一種激光接收機(jī)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光探測技術(shù)領(lǐng)域，且特別涉及一種激光接收機(jī)設(shè)計(jì)方法，可應(yīng)用于 武器系統(tǒng)中，如模擬導(dǎo)彈、智能型炮彈或火箭等武器，還可應(yīng)用于民用領(lǐng)域中，如倒車預(yù)警， 遠(yuǎn)距離測量，所有民用中需要測量距離的場合。
【背景技術(shù)】
[0002] 和平時(shí)期的軍事訓(xùn)練是部隊(duì)提高作戰(zhàn)水平的根本途徑和重要保證。然而，實(shí)彈訓(xùn) 練要耗費(fèi)大量的武器彈藥，這給軍隊(duì)的財(cái)政預(yù)算帶來了巨大的困難，迫使部隊(duì)不得不減少 訓(xùn)練計(jì)劃，從而影響了指戰(zhàn)人員掌握一些武器的能力，特別是在以高技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代化 武器系統(tǒng)中，這一矛盾就更加突出了。此外，真槍實(shí)彈的訓(xùn)練總會存在發(fā)生意外傷亡事故的 危險(xiǎn)，發(fā)射必須在距離人工靶足夠遠(yuǎn)處進(jìn)行，且無法客觀、公正、高效地統(tǒng)計(jì)和顯示訓(xùn)練的 成績和結(jié)果。而對于更復(fù)雜和更高級的武器系統(tǒng)，例如導(dǎo)彈和智能型炮彈等，就根本不能有 效地進(jìn)行訓(xùn)練了。
[0003] 然而，應(yīng)用激光技術(shù)就可望使上述問題得到圓滿解決。首先，激光武器模擬系統(tǒng)不 僅可以模擬步槍、機(jī)槍一類簡單武器，而且可以相當(dāng)逼真地模擬導(dǎo)彈、智能型炮彈或火箭等 武器的發(fā)射，估計(jì)其效果，并顯示射手和目標(biāo)的狀況。其次，它可以讓使用不同武器系統(tǒng)攻 擊對方目標(biāo)的雙方戰(zhàn)斗人員都得到訓(xùn)練。最后，由于激光發(fā)射一個(gè)脈沖的費(fèi)用微不足道，因 而，每個(gè)戰(zhàn)士可以進(jìn)行數(shù)百次乃至上千次模擬發(fā)射，且每次發(fā)射后都能收到完整的信息，指 出其操作的正確或錯誤所在，從而可以大大地提高指戰(zhàn)人員的實(shí)戰(zhàn)能力。
[0004] 目前共有兩種激光探測技術(shù)，即激光直接（非相干）探測技術(shù)和激光相干探測技 術(shù)。其中，激光直接探測技術(shù)是將待測光信號直接入射到光探測器的光敏面上，光探測器響 應(yīng)于光輻射強(qiáng)度，并輸出相應(yīng)的電流或電壓。激光相干探測技術(shù)則是利用兩個(gè)或多個(gè)光場 在探測器光敏面上交跌相干性，實(shí)現(xiàn)光混頻，其差頻保留了被探測光場信息特征的檢測方 法。雖然激光相干探測的靈敏度高，作用距離較遠(yuǎn)，抗干擾的能力也較強(qiáng)，但其設(shè)計(jì)較為復(fù) 雜，成本高。所以結(jié)合本設(shè)計(jì)的應(yīng)用背景，用直接探測的方法，因?yàn)槠湟子趯?shí)現(xiàn)，可靠性高， 成本低，技術(shù)也較為成熟。根據(jù)這種探測方式，本案給出相應(yīng)的接收機(jī)的設(shè)計(jì)方法。
[0005] 對于直接探測方式下激光探測接收機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是：因?yàn)楣韫怆姸O管的輸出信 號很微弱，要想有效地利用，就必須對探測器輸出信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤糯?。然而在放大的過程 中，由于原有噪聲以及放大電路自身包含的噪聲，所以經(jīng)放大輸出后的信號將包含更強(qiáng)的 噪聲，信噪比也進(jìn)一步減小，甚至導(dǎo)致無法利用有用信號。因此，在設(shè)計(jì)前置放大電路時(shí)，應(yīng) 盡量減小其噪聲，而這必須考慮前置放大電路和探測器的耦合問題。以下就圍繞著如何設(shè) 計(jì)性能良好的低噪聲放大電路進(jìn)行討論。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出一種激光接收機(jī)設(shè)計(jì)方法，以智能型反坦克地雷為研究對象，更加真 實(shí)有效地模擬其訓(xùn)練過程且客觀可靠地評估目標(biāo)毀傷的程度，從而成功解決了由其訓(xùn)練危 險(xiǎn)性大、成本高造成長期無法正常訓(xùn)練的難題。
[0007] 本發(fā)明旨在解決對于直接探測方式下激光探測接收機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題，即因?yàn)楣?光電二極管的輸出信號很微弱，要想有效地利用，就必須對探測器輸出信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤?大。然而在放大的過程中，由于原有噪聲以及放大電路自身包含的噪聲，所以經(jīng)放大輸出后 的信號將包含更強(qiáng)的噪聲，信噪比也進(jìn)一步減小，甚至導(dǎo)致無法利用有用信號。因此，在設(shè) 計(jì)前置放大電路時(shí)，應(yīng)盡量減小其噪聲，而這必須考慮前置放大電路和探測器的耦合問題。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種激光接收機(jī)設(shè)計(jì)方法，包括下列步驟：
[0009] 根據(jù)硅光電二極管探測器選定的負(fù)載，利用放大器的噪聲模型式計(jì)算放大電路的 噪聲系數(shù)和最佳源電阻；
[0010] 判斷是否滿足預(yù)期信噪比的要求以及負(fù)載是否等于最佳源電阻；
[0011] 若不滿足要求時(shí)，就應(yīng)采取相應(yīng)的耦合措施使探測器和前置放大電路的阻抗匹 配；
[0012] 根據(jù)探測器輸出信號電壓的大小、響應(yīng)特性以及激光發(fā)射機(jī)頻率的變化范圍指標(biāo) 來確定前置放大電路的增益和帶寬。
[0013] 進(jìn)一步的，所述放大器采用低噪聲運(yùn)算放大器，采取直接耦合方式使探測器和前 置放大電路的阻抗匹配。
[0014] 進(jìn)一步的，所述放大電路的噪聲系數(shù)和最佳源電阻采用以下放大器的噪聲模型式 計(jì)算：
[0017]其中，F(xiàn)表示放大電路噪聲系數(shù)，S。/%表示放大電路輸出的信噪比，Rs'表示信 號源內(nèi)阻，UN表示當(dāng)Rs'等于零時(shí)放大電路具有的噪聲電壓，IN表示當(dāng)Rs'不為零時(shí)放 大電路具有的噪聲電流，UNS為信號源噪聲電壓，USI為信號電壓，k為玻爾茲曼常數(shù)，k= 1. 3806505X10 23J/K，T為環(huán)境溫度，其單位是開爾文，Δf表示放大器頻帶寬度。
[0018] 進(jìn)一步的，對于一個(gè)理想的無噪聲放大電路，F(xiàn)= 1;相反，對于帶有噪聲的放大電 路，F(xiàn)大于1，且F的值越大，引入的噪聲也越大。
[0019] 進(jìn)一步的： 此時(shí)F取最小值，即放大電路引入的噪聲 J: 最小，輸出端的信噪比最大，并定義此時(shí)的信號源內(nèi)阻IV為最佳源電阻RSWT，在設(shè)計(jì)放大 電路時(shí)，為獲得較大的信噪比，應(yīng)使信號源內(nèi)阻等于最佳源電阻。
[0020] 進(jìn)一步的，所述激光接收機(jī)的信噪比為：
[0021]
[0022] 其中，&表示負(fù)載電阻，IP表示光電流，IB表示有背景輻射產(chǎn)生的直流電流、I。表 示暗電流，q表示電子電荷，對&求偏導(dǎo)數(shù)并令其為零，即可求得L的最佳值。
[0023] 本發(fā)明具有以下積極效果：由于實(shí)現(xiàn)激光順利正確地收發(fā)是本模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的關(guān) 鍵，所以首先應(yīng)在室內(nèi)近距離條件下，對激光接收信號進(jìn)行測量，驗(yàn)證其能正確地接收到由 激光發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號。其次，在實(shí)現(xiàn)室內(nèi)近距離順利收發(fā)的基礎(chǔ)上，在室外環(huán)境下，按 距離由近至遠(yuǎn)的方法進(jìn)行測試，并最終驗(yàn)證在規(guī)定距離要求下，接收機(jī)能正確且不失真地 接收到光信號。
【附圖說明】
[0024] 圖1所示為本發(fā)明較佳實(shí)施例的激光接收機(jī)設(shè)計(jì)方法流程圖。
[0025] 圖2所示為放大電路的噪聲模型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖3所示為本系統(tǒng)接收機(jī)的噪聲等效模型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖4所示為接收機(jī)輸出的信號和噪聲示意圖。
[0028] 圖5所示為比較器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖6所示為最高工作頻率時(shí)的接收機(jī)輸出脈沖信號示意圖。
[0030] 圖7所不為最尚工作頻率時(shí)的最寬脈沖彳目號不意圖。
[0031] 圖8所不為最尚工作頻率時(shí)的最窄脈沖彳目號不意圖。
[0032] 圖9所示為最低工作頻率時(shí)的接收機(jī)輸出脈沖信號示意圖。
[0033] 圖10所示為最低工作頻率時(shí)的最寬脈沖信號示意圖。
[0034] 圖11所不為最低工作頻率時(shí)的最窄脈沖?目號不意圖。
[0035] 圖12所示為另一環(huán)境最高工作頻率時(shí)的接收機(jī)輸出脈沖信號示意圖。
[0036] 圖13所不為另一環(huán)境最尚工作頻率時(shí)的最寬脈沖彳目號不意圖。
[0037] 圖14所不為另一環(huán)境最尚工作頻率時(shí)的最窄脈沖彳目號不意圖。
[0038] 圖15所示為另一環(huán)境最低工作頻率時(shí)的接收機(jī)輸出脈沖信號示意圖。
[0039] 圖16所不為另一環(huán)境最低工作頻率時(shí)的最寬脈沖信號不意圖。
[0040] 圖17所不為另一環(huán)境最低工作頻率時(shí)的最窄脈沖信號不意圖。
[0041] 圖18所示為激光發(fā)射信號的上升沿示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 以下結(jié)合附圖給出本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明不限于以下的實(shí)施方式。根 據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡 化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用于方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。
[0043] 請參考圖1，圖1所示為本發(fā)明較佳實(shí)施例的激光接收機(jī)設(shè)計(jì)方法流程圖。本發(fā)明 提出一種激光接收機(jī)設(shè)計(jì)方法，包括下列步驟：
[0044] 步驟S100 :根據(jù)硅光電二極管探測器選定的負(fù)載，利用放大器的噪聲模型式計(jì)算 放大電路的噪聲系數(shù)和最佳源電阻；
[0045] 步驟S200 :判斷是否滿足預(yù)期信噪比的要求以及負(fù)載是否等于最佳源電阻；
[0046] 步驟S300 :若不滿足要求時(shí)，就應(yīng)采取相應(yīng)的耦合措施使探測器和前置放大電路 的阻抗匹配；
[0047] 步驟S400 :根據(jù)探測器輸出信號電壓的大小、響應(yīng)特性以及激光發(fā)射機(jī)頻率的變 化范圍指標(biāo)來確定前置放大電路的增益和帶寬。
[0048] 根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例，對于本系統(tǒng)，雖然負(fù)載電阻受頻率特性的限制不能過大， 但由于所選的是低噪聲運(yùn)算放大器，由其噪聲模型計(jì)算得到的最佳源電阻值近似負(fù)載電阻 值，所以采用直接耦合方式使探測器和前置放大電路的阻抗匹配。
[0049]I·前置放大器的噪聲計(jì)算
[0050] 要想獲得低噪聲的前置放大電路，首先就必須對其進(jìn)行噪聲的計(jì)算和分析，并根 據(jù)計(jì)算和分析的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了方便計(jì)算和分析放大電路的噪聲，常用如圖2所示的 放大電路噪聲模型。
[0051] 圖中，IV表示信號源內(nèi)阻，UN表示當(dāng)Rs'等于零時(shí)放大電路具有的噪聲電壓，IN 表示當(dāng)IV不為零時(shí)放大電路具有的噪聲電流，UNS為信號源噪聲電壓（一般情況下指信號 源內(nèi)阻的熱噪聲電壓），USI為信號電壓。應(yīng)用此模型進(jìn)行計(jì)算和分析時(shí)，放大電路的噪聲等 價(jià)于仏和IN，而認(rèn)為放大電路是一無噪聲理想的放大電路。
[0052] 在衡量前置放大電路噪聲性能好壞時(shí)，常用噪聲系數(shù)來評價(jià)，并定義如下：
[0054]由圖2及式⑴可求得F為：
[0056] 此時(shí)放大電路輸出的信噪比SQ/N。為：
[0058] 其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，k= 1.3806505X10 23J/K，T為環(huán)境溫度，其單位是開爾 文（K)，K= 273. 15+攝氏度，Δf表示放大器頻