脉冲激光测距机AGC信号的控制与调试
摘 要：摘要：自动增益控制（AGC）在测距过程中起着非常重要的作用。AGC控制近距测量的准确性。角分辨力作为激光测距机的关键技术指标，主要考核测距机测量目标方向复杂重叠目标的测量能力。
关键词：关键词：激光测距机（laser range finder）；自动增益控制(auomatic gain control)；近距离目标（short range target）；角分辨力(angular resolution)
中图分类号：TP802 文献标识码：A 文章编号：
1. AGC信号基本功能
在脉冲激光测距机的信号系统中，有着各种功能不同的复杂控制信号，其中自动增益控制（AGC）信号在测距过程中起着非常重要的作用。
AGC信号示意图（图1）列出了AGC控制信号的波形的依次转变。狭义上我们只称t1时间段内的信号为AGC信号，但广义上我们称t1、t2、t3、t4四段时间内的信号都是AGC信号。
AGC1信号是源信号，在控制部分根据整个电路的复位信号生成。信号时间从高压触发开始触发至激光器发出激光结束。控制计数电路在这一时间段内被AGC1信号复位，避免引起计数错误。
图1 AGC信号示意图
AGC2信号是控制计数电路将源信号反相后传输给接收电路和其它时序电路作为基准信号。
AGC3信号是AGC2信号通过二极管隔离电路后，经过RC电路的波形展宽，形成一个后沿波形是充电上升的信号，本质上将AGC2信号的脉宽拓宽了。
AGC4信号是AGC3信号通过与非门整形后生成的比AGC2信号脉冲的时间宽度宽4μs～6μs的反向矩形波。
AGC5信号是AGC4通过射极跟随电路和放电回路后生成的。该信号即是输给线性放大电路的控制信号波形。脉冲幅度越低，放大电路的放大增益越大。AGC5信号是接收电路中的线性放大电路（亦称后续放大电路）的增益控制信号。通过它在不同时间段内的变化控制接收电路中回波信号的增益，保证整机工作正常。由于每台测距机都存在接收、激光能量等个体差异，电路都是采用 一只电位器与一只电阻串联的电路形式。通过调整电位器的阻值来调整AGC信号的小幅度变化。
在t1时间段内，AGC1的上升沿与激光器高压触发同步,此时激光器内部进行能量泵浦，计数电路和接收电路处于复位状态，等待主、回波信号的到来。当激光发射的瞬间，激光主波信号被控制计数电路接收，t1时间段结束，波形翻转。
在t2时间段内，由于近距离目标激光反射比较强烈，光学接收系统接收到的带有距离信息的激光回波信号强度较强，光电接收管输出回波信号幅度大，脉冲宽度宽，容易引起放大电路的阻塞。为了保证测距精度，AGC5信号在此时保持较低的放大增益约在8dB左右，持继4μs～6μs左右，控制1000米以内的近距离目标回波信号的脉冲宽度，保证控制计数电路计数的准确性。
在t3时间段内，目标反射激光信号随着距离变远逐渐减弱，光电接收管输出回波信号幅度与宽度逐渐衰减。此时如图1所示，AGC5信号幅度也逐渐降低，AGC5信号逐渐提高后续线性放大电路的增益值，从8dB～30dB逐渐升高，一般保持13s～14 s左右，控制1000～3000米左右的中距离目标测量。AGC5信号的下降幅度与时间宽度通过RC电路的放电回路进行控制。如果增益上升的过快，那么可以调整RC电路中电容与电阻的参数，减缓增益变大的速率。
在t4时间段内，目标反射激光信号十分微弱，光电接收管输出的回波信号无论脉宽和幅度都十分弱小，此时AGC5控制信号完全放开，增益始终保持最大30dB以上，用以放大3000米外目标回波信号。
AGC信号是用来保证测距机满足近距离目标测量和角分辨力这两项基本技术指标。
2. 对近距离目标的控制
激光测距机以往在复杂地面环境中测距经常会出现近距离目标多米的现象。通过对近距离各类目标的测试及对回波信号的检测，确认是近距离主、回波取样信号脉宽太宽引起的多米现象。通过减小后续放大电路增益控制输入端的电流值，降低AGC信号在近距测量时的脉冲幅度，抑制后继放大电路的增益，降低近距目标主、回波的增益，减小回波的脉宽。
激光测距机在近距测距时，经常会出现近开的故障。近距测距时，当AGC信号幅度偏高，引起后继放大电路的增益值偏低，不能对雪崩光电二极管输出的回波信号进行有效放大，后继放大电路没有回波信号输出，导致整个接收部分没有回波信号往计数信号通道传输，计数电路无法进行计数，造成近距离开门故障。遇到这类情况，调整AGC信号幅度，适当提高后继线性放大电路的增益，保证近距测距时，接收电路有正常的回波信号传输给控制部分进行计数。
3. 对角分辨力的控制
角分辨力作为一个重要的技术指标，主要考核脉冲激光测距机对测量前方重叠目标的探测能力。假定测量前方存在二个目标，分别是目标1（距离800米）和目标2（距离1000米）。从测量点方向观察，两目标之间的夹角非常小。如果测距机角分辨率参数值超出规定的参数范围，测距机的瞄准目镜观察测量远距离目标2时，实际测量的结果却可能是近距离目标1的距离值。这样造成明显的测量错误。
造成这一测量错误的主要原因是激光测距机的角分辨力值太大超出了规定的技术指标范围。以下分析一下测量错误形成的过程。
图2 激光光束截面图
从激光器发射出来的激光光束在理论上应当是方向性很强，发散角很小的高斯光束，几乎是一束平行光束。实际激光光束截面示意图如图所示，图中内圈3为激光束的中心点，指向激光光束的发射方向；中圈2到圆心之间的激光能量最稳定，距离测量时主要依赖这一部分空间激光能量；中圈2到外圈1之间的激光，称为边缘光，激光能量比较弱。
激光测距机在实际测距时，主要是中圈2以内的空间部分稳定激光起作用，边缘光对测距的作用非常有限，在对一般孤立目标测距时基本没有影响，但对复杂重叠目标测量时可能会有干扰作用，引起一些测量错误。
图1中AGC5 信号t2时间段的延时，该处一般延时4μs～6μs。在AGC5信号延时的末端，也就是波形开始下滑时，激光测距机在全测程范围内的测距能力是最弱的。此时整个t2时间段内接收的回波信号最弱，线性放大电路的增益也是最低，是主机接收灵敏度最低的时刻。一般整机AGC调试时都是根据这一特点，利用相关的目标，调整增益参数。
整机的角分辨力主要是通过“穿靶”的形式来检验。所谓“穿靶”是一种人为设定目标的模拟测量方法。具体是在850米左右处放置一中空方框（目标1），方框要求为正方形，边长根据激光光束的束散角参数计算确定，边框要求有一定宽度，对激光有一定的反射
能力。在方框正后方50～100米处放置另一平面物体（目标2）。
AGC延时t2是4μs～6μs， 6μs所对应的距离值是900米，激光测距机对900米处左右的目标测距能力最弱，所以穿靶的第一目标距离选用850米，便于AGC信号的调节，整机角分辨力性能容易检测。
在测量过程中，当一束激光射向目标1中心时，如果激光光束能够全部穿过目标1，周边的方框没有阻碍激光，测距机将显示目标2距离值，该台主机角分辨力指标判为合格；如果激光没有全部穿过目标1，有部分激光被方框挡住，并且回波信号被接收部分电路放大成有效距离信号，测距机将显示目标1距离值，那么该台主机角分辨力指判为不合格。
实践证明，大部分主机激光器发出的激光光束都存在边缘光，这一现象将影响整机的角分辨力。测距机测量时，当激光光束射向目标1中心位置，边缘光将会照射到方框的边框上，反射回激光测距机，带回目标1的距离信息，中间光束穿过方框，遇到目标2后反射回激光测距机，带回目标2距离信息。其中，射向边框的边缘光能量较弱，反射面积较小，因此目标1回波通过光电接收管放大后输出的信号脉冲的幅度与宽度相对比较小。射向目标2的激光能量较强，反射面积大，因此目标2回波通过光电接收管放大后输出的信号脉冲的幅度与宽度相对比较大。
测距机控制部分的计数电路均认为以上二个回波信号是有效的。为了让测距机满足角分辨力指标，必须调整测距机的AGC信号，让控制部分的计数电路接收不到第一个目标回波信号，只能接收到第二个目标的回波信号。
由于第一个回波信号在光电接收管输出的回波信号无论幅度还是宽度均明显小于第二个回波信号。因此，我们在实际生产过程中只要调整接收部分的线性放大电路的AGC信号，让线性放大电路的只放大输出第二个回波信号，对第一个回波信号不进行放大输出。
通过调整此时的AGC5的幅度，按照时序的要求控制增益。当光电接收管输出目标1时回波时，降低线性入大电路的增益，使后继放大电路认为它是一个无效信号；当光电接收管输出目标2回波时，升高线性放大电路的增益，使后继放大电路认为它是一个有效信号。最终距离显示目标2距离值。这样激光测距机角分辨力就能过到指标要求了。
4. 总结
据统计，脉冲测距机在实施距离测量时80%以上的测量次数是对近、中距离目标进行测量。自动增益控制（AGC）控制信号在测距过程中对近、中距离目标起着决定作用，它的正常与否将直接影响脉冲激光测距机的性能。
参考文献：
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红外与激光工程2011（12）韩福利 曾嫦娥 梁君 陈振兴