激光测高仪中雪崩光电二极管的探测性能分析

引　言

激光测高仪是搭载在飞行器(航天飞机、卫星等)上利用激光测量地面到飞行器之间距离的光电装置。其工作原理是激光器以固定频率持续向地面发射激光脉冲,脉冲光束穿越大气到达地面或者海面后产生微弱的后向散射回波被测高仪接收,通过测量发射脉冲和回波脉冲的往返时间、回波波形和幅值等信息来获得地形地貌的3维轮廓图。

激光测高仪中回波检测的光学传感器使用的是低噪声、高灵敏度的硅雪崩光电二极管(avalanche photodiode,APD)。APD在近红外区1064nm波长的量子效率高达40%。由于星载激光测高仪的轨道高度在500km以上,回波脉冲十分微弱,在探测过程中又受到周围背景光辐射噪声,电子线路噪声和光电转换时p-n结的内部散弹噪声等影响,APD可能检测不到回波脉冲或者错误地将噪声误认为回波脉冲,从而降低测高精度,影响回波信号的保真度。为提高测高仪的测高精度,必须尽可能地降低接收系统的虚警率。虚警率主要受比较器阈值电平的设定和APD倍增因子取值的影响。当APD增益一定,阈值越高,系统虚警率越低,但阈值电平不可能无限制地增加,因为阈值电平过高,会将回波信号也屏蔽掉。因此,本文中主要研究在任何给定的接收信号和噪声等级下虚警率与检测门限、APD倍增因子三者之间的关系。

目前在国际上采用多种方法对APD接收特性进行分析。传统的高斯算法使用高斯函数来模拟APD输出,在高背景噪声情况下引起严重的误差。HEL-STROM[1]提出了鞍点近似算法,虚警率相对较高时,其结果有所偏差。DAVIDSON和SUN[2-3]比较了采用高斯算法和近似分析算法分析脉冲位置信号调制的光通信系统性能。作者针对现有方法的优缺点,在改进星载激光测高仪原理样机的背景下,采用近似算法分析星载激光测高仪中APD的接收特性。

1　近似算法理论分析

1. 1　测高仪原理与APD输出分析

图1为星载激光测高仪的结构框图[4-6]。激光发射单元主要由半导体激光抽运Nd∶YAG激光器组成。接收单元由接收望远镜、窄带滤光片和APD光电探测器组成。APD输出的电信号先经过滤波以提高信噪比,再送入比较器与预先定好的阈值电平进行比较。距离测量电路在激光脉冲被发射时开始计数,在回波信号超过比较器的阈值时即产生停止信号后结束计数。为了降低虚警率[7-8],在探测回波信号时采用了距离门的方法,即在估计回波信号到来之前打开测距模块,在测量完毕之后关闭测距模块。

由于回波脉冲十分微弱,基本上淹没在噪声中,因此,图1中的滤波器设计要将快速变化的回波信号从噪声中恢复出来,保持信号波形,同时提高回波信号的信噪比,故可选择取样积分器,其积分时间等于脉冲宽度。设n为积分间隔内APD所检测到的主要光子数目,x为比较器输入信号,其数值等于信号总电荷量加上一个回波脉冲间隔内被积分的电路噪声,APD输出分布函数p(x/n)表示为: