一种光电微弱信号高速采样装置及方法

技术领域

本发明属于激光探测领域，更具体地，涉及一种光电微弱信号高速采样装置及方法。

背景技术

目前，在激光探测领域，随着对激光探测组件要求的提高，传统的采样装置基于硬件触发器的原理进行工作，根据给定的频率进行触发，采集经过峰值保持后的光电信号，采样速率低且抗干扰能力弱。因此，有必要提出一种可以在高速条件下保证信号完整性和分辨率的高速数据采样装置及方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光电微弱信号高速采样装置及方法，旨在解决现有的采样装置采样速率低且抗干扰能力弱的问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种光电微弱信号高速采样装置，包括：顺次放置的汇聚透镜、PIN光敏探测器、前放增益电路、可变增益电路、带通滤波器、高速ADC芯片和FPGA芯片；

汇聚透镜用于将空间中经过目标反射后的激光信号的能量汇聚形成激光光斑，激光光斑入射至PIN光敏探测器的光敏面上，并用于滤除空间中的杂散光；

PIN光敏探测器用于将落在光敏面上的激光信号转化为电信号；其中，PIN光敏探测器的光敏面分为若干象限；每个象限的光斑面积大小与转换后的电信号的幅值成正比；

前放增益电路分为两级增益，第一级放大子电路将电信号放大几十倍，第二级放大子电路将电信号放大几倍；第一级放大子电路选择失调电压在uV级，输入偏置电流和输入失调电流在uA级的器件；第二级放大子电路用于将放大的电信号转变为差分电信号；

可变增益电路用于动态调整前放增益电路传递的差分电信号的放大倍数，使差分电信号的幅值能够被高速ADC芯片采样；

高速ADC芯片用于将放大的差分电信号转变成数字电压信号；

FPGA芯片用于对数字电压信号进行处理判断，计算出目标的空间位置信息。

进一步优选地，汇聚透镜为数量不等的透镜组。

进一步优选地，光电微弱信号高速采样装置还包括带通滤波器，放大差分电信号中的噪声包括透过汇聚透镜的杂散光在PIN光敏探测器上形成的噪声电压。

进一步优选地，PIN光敏探测器的光敏面分为四个象限，高速ADC芯片用于将四路模拟电压信号转换为数字电压信号输出。

另一方面，本发明提供了一种光电微弱信号高速采样方法，包括以下步骤：

采用汇聚透镜将空间中的激光信号进行汇聚，将激光能量集中形成所需的激光光斑；

将汇聚后形成的光斑入射到所述PIN光敏探测器上，并通过调整所述汇聚透镜和所述PIN光敏探测器的相对距离使PIN光敏探测器光敏面上的光斑处于预设大小；

采用PIN光敏探测器将激光信号转换为电信号，并将电信号传输至前放增益电路；其中，所述光敏面上每个象限的光斑面积大小与转换后的电信号的幅值成正比；

采用前放增益电路将电信号进行两级增益，先将电信号进行第一级增益放大几十倍，再将电信号进行第二级增益放大几倍，并将放大的电信号转变为差分电信号；

将差分电信号进行动态增益放大，使差分电信号的幅值能够被高速ADC芯片采样；

将经过动态增益的差分电信号转变成数字电压信号；

采用FPGA芯片对数字电压信号进行处理判断，计算出目标的空间位置信息。

进一步优选地，光电微弱信号高速采样方法还包括将经过动态增益的差分电信号中的噪声进行滤波处理，差分电信号中的噪声包括透过汇聚透镜的杂散光在PIN光敏探测器上形成的噪声电压。

进一步优选地，PIN光敏探测器的光敏面分为四个象限，高速ADC芯片用于将四路模拟电压信号转换为数字电压信号输出。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下

有益效果：

本发明提供了一种光电微弱信号高速采样装置及方法，应用于激光探测领域的目标探测，其中，通过PIN光敏探测器用于将落在光敏面上的激光信号转化为电信号；采用前放增益电路和可变增益电路对模拟电信号进行放大，采用高速ADC芯片对电信号进行采样，FPGA中内置信号分析处理算法，极大地提高了激光目标探测的数据刷新速率和抗干扰能力，对于激光制导武器的探测能力提高及战场环境适应能力提升具有非凡的意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光电微弱信号高速采样装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的汇聚透镜的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的经过汇聚的激光信号形成的光斑在PIN探测器光敏面上的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例提供的光电微弱信号高速采样装置，包括：汇聚透镜1、PIN光敏探测器2、前放增益电路3、可变增益电路4、带通滤波器5、高速ADC芯片6和FPGA芯片7；

空间中经过目标反射后的激光信号由汇聚透镜1将能量集中，形成激光光斑，另外汇聚透镜1的前端一般会镀上各频段截止膜，保证透过汇聚透镜1光信号波段集中在目标激光信号波段附近，该方法能够有效防止空间中杂散光、太阳光及其他波段激光干扰信号的影响；汇聚透镜1根据具体的设计要求一般会设计成数量不等的透镜组，由结构件支撑形成光学镜头，如图2所示；

经过汇聚透镜汇聚的激光光斑落在PIN光敏探测器2的光敏面上，如图3所示；PIN光敏探测器2的光敏面一般会被分为四个象限，通过后续计算在四个象限上的光斑面积大小可以得到目标在空间中的位置信息；PIN光敏探测器2是一种光电敏感器件，其作用是将落在光敏面上的激光信号转化为电信号，每个象限的光斑面积大小与转换后的电信号的电压值成正比；PIN光敏探测器2会将四个象限的电压信号分为四路进行输出，供后级的电路进行处理；

PIN光敏探测器2输出的电压信号会进入前放增益电路3进行放大，由于空间中的激光信号能量会随着采样装置与目标之间的距离大小才出现非常大的变化，其动态范围一般不会低于70dB；在保证如此大的动态范围，前放增益电路设置为2级，第一级40倍，第二级5倍，加上后级高速ADC芯片6自身的采样范围(假设输入范围100MV-3V，则变化范围有30倍，实际均比此大)，可保证满足动态范围要求；为保证完整性，该前放增益电路一般会选用增益带宽积不低于300MHz的高速运放，同时为了减小电路噪声的影响，在选择该高速运放时，会选择输入失调电压在uV级，输入偏置电流和输入失调电流在uA级的器件；第二级放大电路设计时选择单端转差分的器件，将PIN光敏探测器2的单端电压信号转变为差分电压信号，以增强信号抗干扰能力和发挥后续ADC的最佳采样性能；

经过前放增益电路3的电压信号还会经过可变增益电路4，可变增益电路4由可变增益VGA器件组成，该器件具备编程功能，可动态调整放大倍数，保证输出的电压信号在设定的区间内；经过可变增益电路的电压信号幅值大小更加适合于高速ADC发挥其最佳采样性能，保证信号采集精度；

带通滤波器5的作用是对电压信号进行滤波，是由阻容器件构成的无源滤波器，其设置的低通截止频率一般在2KHz以下，其目的是为了滤除电路中的直流偏置分量，该分量产生原因主要有两个，一是PIN光敏探测器2的暗电流，二是前放增益电路3和可变增益电路4的直流偏置(虽然选用偏置在uV、uA级的器件，但是该偏置经过几百倍的放大，仍然会有几十mV的量级，在激光信号较弱时，是不可忽略的)；带通滤波器5设置的高通截止频率一般在30MHz以下，其目的主要是滤除高频噪声，该噪声构成分为两部分，一部分为透过汇聚透镜1的杂散光在PIN光敏探测器2上形成的噪声电压；另一部分是由于电路本身工作产生的高频噪声；

经过带通滤波器5的电压信号进入到高速ADC(模数转换器)芯片6中，高速ADC芯片6与带通滤波器5的连接，高速ADC芯片6的作用是将四路模拟电压信号转换为数字电压信号输出；该高速ADC芯片6的选择一般不低于14位分辨率(保证最小采样精度在0.1mV量级以上)，具备4通道同时采样功能(保证四路电压信号的同步和实时)，采样频率不低于300MHz(保证采集信号的信号完整性)；

经过高速ADC芯片采样的电压信号此时已经变成数字电压信号，该数字电压信号传输至FPGA芯片7；FPGA芯片7为高速可编程逻辑器件，其特点是具有很高的逻辑运算能力，在FPGA芯片7中，对数字电压信号进行处理，运行抗干扰算法等，最终计算出目标的空间位置信息。

另一方面，本发明提供了一种光电微弱信号高速采样方法，包括以下步骤：

采用汇聚透镜将空间中的激光信号进行汇聚，将激光能量集中形成所需的激光光斑；

将汇聚后形成的光斑入射到所述PIN光敏探测器上，并通过调整所述汇聚透镜和所述PIN光敏探测器的相对距离使PIN光敏探测器光敏面上的光斑处于预设大小；

采用PIN光敏探测器将激光信号转换为电信号，并将电信号传输至前放增益电路；其中，所述光敏面上每个象限的光斑面积大小与转换后的电信号的幅值成正比；

采用前放增益电路将电信号进行两级增益，先将电信号进行第一级增益放大几十倍，再将电信号进行第二级增益放大几倍，并将放大的电信号转变为差分电信号；

将差分电信号进行动态增益放大，使差分电信号的幅值能够被高速ADC芯片采样；

将经过动态增益的差分电信号转变成数字电压信号；

采用FPGA芯片对数字电压信号进行处理判断，计算出目标的空间位置信息。

进一步优选地，光电微弱信号高速采样方法还包括将经过动态增益的差分电信号中的噪声进行滤波处理，差分电信号中的噪声包括：透过汇聚透镜的杂散光在PIN光敏探测器上形成的噪声电压。

进一步优选地，PIN光敏探测器的光敏面分为四个象限，高速ADC芯片用于将四路模拟电压信号转换为数字电压信号输出。

相较于现有技术，本发明提供的光电微弱信号高速采样装置及方法，选用的前放增益电路和可变增益器件具有更高的带宽及更低的噪声新能，保证信号的真实性，选用的高速ADC芯片采样模式相较于以前的硬件触发模式，通过高速实时不停歇的采集所有时刻的电压信号，然后由FPGA芯片中内置算法对有效信号进行识别和处理，保证了信号的完整性及分辨率，显著提高了采样装置的抗干扰能力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。