模电论文哈尔滨工业大学模拟电子技术基础论文(激光雷达)含仿真

哈尔滨工业大学
《模拟电子技术基础》课程结课论文题目：模拟电子技术在激光雷达上的运用
专业：光信息科学与技术
姓名：王倩倩
学号：1111120124
模拟电子技术在激光雷达上的运用
摘要：
激光雷达是激光技术和雷达技术相互结合的产物，它分辨率高，抗干扰能力非常强，并且可以进行三维成像。

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。

从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息。

激光雷达被广泛用于测量距离、测量角度、精确跟踪、飞船导航、气象测量等多个领域，在民用及军用上都发挥着巨大作用。

激光雷达充分利用了各种相关电路，无论是发射信号还是接收信号，无论是信号的转换还是信号的处理，都需要用到各种电路，尤其在信号微弱的情况下，我们更是要充分地利用放大电路，来实现信号的精确分析与处理。

本文就模拟电子技术在激光雷达上的运用作了简单地介绍，着重介绍了信号的接收部分。

关键词：激光雷达光电探测信号接收放大电路
正文：
一．光电探测器
在激光雷达系统中，为了更加方便地测量所获得的光信号，我们通常会将光信号转换成电信号，进而通过对电信号的分析得出结果。

这就涉及到了光电转化的装置，我们通常采用光电探测器。

光电探测电路是把光信号转化为易于测量的电信号，然后进行放大以及处理的电路。

光电转换的原理是光电效应，利用光电效应制成的探测器就是光电探测器，常见的有：光电管、光电二极管等。

我们就以光电二极管为例进行简要阐述。

以光导模式工作的结型光伏探测器称为光电二极管，此时光电二极管上被加上反向偏压，光电流岁光照强度和光的波长的改变而变化。

它的工作原理是，当光照到PN结上时，吸收的光能转化为电能。

与普通二极管相比，其共同之处就是，它们都有一个PN结，均属于单向导电性的非线性元件。

但光电二极管是一种光电器件，在结构上有其特殊性，光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流，此外光电二极管结面积比普通二极管大很多以尽可能大地获得光电流。

下图为硅光二极管的结构和工作原理图：
（注：两图均来自“百度图片”）
在激光雷达的光电转化装置中，不是任何光电探测器都是可以被选择的，由于我们探测的是高频、脉宽窄、微弱的激光信号，因此我们选择的探测器的灵敏度要高，响应速度要足够快才行。

实际运用探测电路实物图：
（注：图片来自《激光雷达多通信号研制》）
二．激光雷达信号接收电路
激光雷达接收系统的接收电路的主要功能是：并且准确地探测目标反射的回拨信号，给激光雷达测距提供可靠的信息，激光雷达的接收电路是由光电探测器、放大电路和时刻鉴别电路所组成的。

我们在这里只说一下放大电路部分。

众所周知，激光雷达的工作核心在于测距，为了保证精度，接收电路必须对信号进行不失真放大，则必须具有足够的频带宽度。

在光电探测电路中，从光电探测输出的信号比较微弱，因此需要一个放大器来探测输出信号，通常把这个放大器称为前置放大器。

激光雷达接收机前置放大器的输入信号是很微弱的，而且信号的频谱也比较宽，因此它属于宽频带、低噪声放大器，对它的具体要求是：与探测器匹配、放大器的噪声系数要小、有足够的宽带和增益、有足够的动态范围。

此外，由于目标距离的改变引起的接收信号的变化范围很大，在确定放大电路的各项指标的时候，我们也应该将它综合考虑进去。

由于光电探测器输出的信号时电流，在实际运用中，一般使用一个跨阻放大器把电流信号转变成一个电压信号，是一种电压串联联负反馈电路，具备所需要的优点，正是一种合适的前置放大器。

前置放大器经常采用高阻抗跨阻放大器，包括一个放大器和反馈，负反馈使有效输入阻抗很小，这样能保持一个很高的带宽。

反馈电阻决定了跨阻的值，这个值是带宽和噪声的匹配。

跨阻放大器的缺点是当反馈电阻和二极管电容很大时对震荡很敏感。

在实际运用中，高阻抗放大器比跨阻放大器更灵敏，这是因为跨阻放大器的反馈电阻值比高阻放大器的输入电阻值小，从而产生了更高的热噪声，对于信号的分析有很大影响。

总而言之，放大器的选取需要考虑带宽、输入阻抗和放大倍数等因素。

放大器对矩形脉冲的响应特性与放大器的带宽有关；输入阻抗越高越好，输入阻抗非常高时，几乎不会消耗信号电流就可以驱动这一级工作电路；而放大倍数是由接收到返回脉冲的能量来决定的，此能量取决于发射光的能量、大气损耗、反射面的反光特性、光斑大小、接受面大小、光电器件转换效率等诸多因素。

放大器的基本工作原理如图：
（注：图片来自“百度图片”）
三．抗干扰处理
接收系统往往处在复杂的电磁环境中，要求信号采集电路有较强的抗干扰能力。

抗干扰能力的主要措施分为电路的屏蔽处理、滤波处理、光学系统加滤波片三个方面。

1.屏蔽处理
屏蔽处理是指抑制电磁干扰在空间中的传播，电路板在实际运用中通常为圆形，如图：
（注：图片来自《激光雷达接收研制》）
2.滤波处理
主要包括两个方面：信号滤波设计和电源滤波设计。

信号滤波是指接收电路要从较强的杂波和噪声干扰中提取微弱的有用回波信号；电源滤波是指在电源给探测电路供电之前增加滤波电路以滤除电源中产生的干扰杂波，从而减小电源杂声对探测电路的影响。

3.光学滤波
光学滤波指在光学系统前面加滤光片，滤除杂散光噪声。

四．仿真
在雷达接收信号系统中，噪声分析、失真分析是必不可少的，所以，我做的以下两个仿真（本人用的仿真软件是Multisim7）：
1.噪声分析
仿真面板：
截取电路图部分：
结果：
2失真分析仿真面板：
截取电路图部分：
仿真结果
（倍频表示）：
（分贝表示）：
（由于本人水平有限，以上仿真电路设计并非原创，但电路的绘制、仿真分析均为自己亲为）
五．结语
模拟电子线路在激光雷达上的运用是非常多的，单单看接收电路部分，就可以看到模拟电子技术在激光雷达上的运用之广泛。

由此可以看出，学好这门课程，对以后的学习和研究，是非常有帮助的。

参考资料：
[1]熊辉丰.《激光雷达》第一版. 北京：宇航出版社.1994
[2]沈姝钰.《激光雷达多通信号接受处理电路研制》
[3]刘智深.《激光雷达微弱信号检测电路设计》.中国海洋大学学报第38卷第1期2008 年1 月。