运用互相关法检测离焦振动产生的光电流信号

　　1　引　言

　　距离是目标信息的主要参数之一,它是目标识别所必需的参考信息,精度要求很高。目前测距方法很多,大致分为主动测距和被动测距两大类。主动式由于需要发射大功率脉冲波,隐秘性较差且作用距离有限,而传统的被动式测距方法由于器件复杂,且测距精度不高,具有很大的局限性。而建立在像空间光场强度的特征基础上的离焦高频振动实现被动测距的方法,能改进上述两类测距方法缺点。本文从理论上分析了该方法的可行性,在此基础上提出了检测探测器产生的微弱光电流的方法,并对测距精度进行了分析。

　　2　测距模型建立

　　离焦高频振动被动测距是一种新颖的测距方法,它的基本思想是:探测器离焦振动,用高频振动信号驱动探测器,使其光敏面和像面之间的距离作高频振动变化,此时探测器输出的基频和倍频信号幅度之比与探则器到实际像面的距离成线性关系,由锁相放大器得到探测器输出的基频和倍频信号幅度之比后即可得到像距值,再由透镜成像方程可得出物距[1、2]。

　　图1为该测距方法的光学系统的示意图。在光学系统中,透镜的半径为R,焦距为f;物距和像距分别为Z0、Zi;探测器半径为r,它到成像透镜的初始距离为Z,到像平面的初始距离为ζ0,并且以振幅a、频率ω作高频振动,所以它到像平面的实际距离为:

　　即探测器输出的基频和倍频信号的幅值之比和探测器初始距离ζ0与探测器振幅a之比成线性关系。因此,可以通过测量基频和倍频谐波信号幅值之比来获取离焦量ζ0,则像距Zi=Z-ζ0。在焦距f和探测距离Z已知的条件下,由透镜成像公式容易得:

　　3　信号检测电路

　　由前面的测距模型可知,该方法的关键是,精确测量探测器输出的基频信号和倍频信号的幅度之比,而探测器产生的光电流信号是非常微弱的,我们考虑引入与被测信号同频的参考信号,通过互相关法来实现对被测弱光电流信号的检测。

　　图2为该信号检测电路的原理框图。信号发生器来产生基频参考信号sin(ωt)、cos(ωt)和倍频参考信号sin(2ωt)、cos(2ωt)以及驱动信号sin(ωt)。参考信号分别送给对应的锁定放大器,而驱动信号送给高频驱动器[3]。高频驱动器驱动探测器做高频振动,探测器高频振动产生基频和倍频信号。这样进行互相关运算的被测信号和参考信号就可以保持同频。探测器高频振动产生的基频和倍频信号分别送到不同的锁定放大器中,和相应的基频、倍频参考信号作互相关运算,分别得出信号幅值Iω和I2ω。再将幅值送到除法器,经过计算即可得基频、倍频幅值的比值。