激光引信雪崩二極管光電探測(cè)

郭 婧,張 河,張祥金,王曉鋒

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210094)

0 引言

激光引信是一種利用激光束探測(cè)目標(biāo)的光學(xué)引信。相對(duì)于傳統(tǒng)的光、電引信,激光引信具有對(duì)目標(biāo)探測(cè)的主動(dòng)性、探測(cè)視場(chǎng)的方向性和不易受電子干擾等優(yōu)點(diǎn)。因此,在各種導(dǎo)彈以及一些常規(guī)彈藥中得到了日趨廣泛的應(yīng)用:美國(guó)2.75英寸火箭彈用激光引信,“獵鷹”4H導(dǎo)彈和“小棉樹(shù)”導(dǎo)彈用激光引信,美國(guó)圣巴巴拉新研制的配用于“響尾蛇”AIM-9L導(dǎo)彈的激光引信,以及航空炸彈、迫彈等一些常規(guī)彈藥引信等。國(guó)內(nèi)的激光引信應(yīng)用對(duì)象主要集中在導(dǎo)彈引信上,而對(duì)在常規(guī)武器彈藥引信中的應(yīng)用研究?jī)H局限在低速?gòu)椛?如某迫彈激光近炸引信[1-3]。

激光引信的主體是由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)等部分構(gòu)成的測(cè)距系統(tǒng)。激光引信探測(cè)距離的大小取決于激光器的發(fā)射功率、束散角以及接收系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度等。目前,進(jìn)一步提高國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體脈沖激光器的輸出峰值功率有所限制。激光引信普遍采用PIN型光電二極管探測(cè),其噪聲電平雖然可以達(dá)到10-14A/,但系統(tǒng)靈敏度因受放大器熱噪聲電平的限制,實(shí)際只能達(dá)到且無(wú)增益[4]。PIN型光電二極管激光定距引信探測(cè)遠(yuǎn)距離微弱的回波信號(hào)困難,因此,將雪崩二極管應(yīng)用于激光引信探測(cè)系統(tǒng)中。

1 激光引信光電探測(cè)器與雪崩二級(jí)管

激光引信大多采用主動(dòng)方式探測(cè),發(fā)射部分由激光器和發(fā)射系統(tǒng)組成,激光照射目標(biāo),經(jīng)漫發(fā)射后進(jìn)入激光接收系統(tǒng)。激光發(fā)射系統(tǒng)將激光器產(chǎn)生的激光發(fā)射出去,激光接收系統(tǒng)匯聚激光的功率并構(gòu)成對(duì)目標(biāo)的定向和定距探測(cè)的基本環(huán)節(jié)。光電探測(cè)器是把目標(biāo)反射的激光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的敏感元件,是激光引信光電探測(cè)系統(tǒng)中的一個(gè)重要元件,對(duì)系統(tǒng)性能影響很大。

在激光定距引信系統(tǒng)中,由于需要精確測(cè)量激光脈沖的飛行時(shí)間,所以對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間有很高的要求。另外,由于探測(cè)器接收的是目標(biāo)反射回來(lái)的微弱信號(hào),所以探測(cè)器應(yīng)該對(duì)微弱信號(hào)敏感,信噪比較高。雪崩光電二極管具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、抗強(qiáng)磁場(chǎng)干擾和動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn),特別是其響應(yīng)時(shí)間短,由于內(nèi)倍增效應(yīng),它對(duì)微弱信號(hào)也有相當(dāng)高的靈敏度,因此對(duì)于遠(yuǎn)距離激光定距引信,既能保證系統(tǒng)的定距精度,又能擴(kuò)大定距范圍,比起PIN探測(cè)器能使整個(gè)系統(tǒng)有更好的信噪比。因此,APD是遠(yuǎn)距離激光引信系統(tǒng)激光接收器件的最佳選擇。

2 APD探測(cè)接收系統(tǒng)

對(duì)于遠(yuǎn)距離激光定距引信,采用脈沖激光測(cè)距機(jī)定距體制,圖1是APD探測(cè)接收系統(tǒng)原理框圖。APD接收目標(biāo)漫反射回來(lái)的微弱激光脈沖信號(hào),并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。此電信號(hào)由放大電路放大,送給比較判別電路進(jìn)行比較判別,輸出電平,供給后續(xù)電路處理。偏壓控制電路為APD提供最佳偏置電壓,以便探測(cè)器獲得最佳倍增因子。電壓幅度控制是調(diào)節(jié)放大器輸出信號(hào)幅度的,能減小測(cè)距系統(tǒng)盲區(qū)的范圍,做到無(wú)盲區(qū)測(cè)量。判別閾值電路比較電壓,該電壓值要比信號(hào)電壓低,比噪聲電壓高,這樣才能輸出有用信號(hào)電平,最后送至CPU處理。

圖1 接收系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Receive system principle block diagram

接收系統(tǒng)的核心部件是APD探測(cè)器,與PIN光電二極管一樣,APD由兩類半導(dǎo)體組成P-N結(jié),只允許電流在一個(gè)方向流動(dòng)。如果二極管上加一反向偏置,則在沒(méi)有光時(shí)僅存在由熱電子組成的“暗電流”;當(dāng)受光照時(shí),便產(chǎn)生電子-空穴對(duì),形成電流。在PIN光電二極管中,該過(guò)程就此結(jié)束。但在APD中,偏置電壓較高,電子被充分加速,致使半導(dǎo)體原子電離,產(chǎn)生新的自由電子。新電子又被加速,產(chǎn)生更多電子-離子對(duì),到雪崩終止時(shí),每一初始光子產(chǎn)生幾百或幾千個(gè)電子,光電流大大增加,顯著提高了光探測(cè)器的靈敏度。圖2所示為PIN及APD的信噪比與輸入信號(hào)功率關(guān)系圖[5],可見(jiàn)APD對(duì)微弱信號(hào)的接收能力顯著高于PIN型探測(cè)器。圖2 PIN及APD信噪比與輸入信號(hào)功率關(guān)系Fig.2 PIN and APD SNR-input signal power

APD因其量子效率高,具有將光信號(hào)倍增10～100的內(nèi)增益,且倍增后的噪聲僅與放大器本身的熱噪聲電平相當(dāng),從而沖破了晶體管寬帶放大器制作水平的限制,大大提高了接收系統(tǒng)的信噪比。但APD偏壓升高后,噪聲電流也隨偏壓的增加而升高,使信噪比下降。式(1)為APD器件的光探測(cè)信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)[5]:

式中,M為APD的倍增因子;e為電子電荷;k為玻爾茲曼常數(shù);B n為接收器帶寬;R L為等效負(fù)載電阻;Is為回波信號(hào)電流;Ib為背景噪聲電流;Id為APD的暗電流。

當(dāng)APD達(dá)到合適增益M時(shí),可使系統(tǒng)獲得最佳信噪比。若繼續(xù)增大M值,則使散粒噪聲大于等效負(fù)載電阻的熱噪聲,此時(shí)噪聲的增加比信號(hào)增加要快,使信噪比下降。因此,使用雪崩管時(shí)應(yīng)控制最佳偏壓的穩(wěn)定。

在激光定距引信接收系統(tǒng)中,低噪聲放大電路的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的定距精度和探測(cè)距離有重要的影響。激光引信接收系統(tǒng)輸入光波功率很微弱,必須經(jīng)過(guò)多級(jí)放大才能夠滿足信號(hào)處理的要求。

激光接收系統(tǒng)中采用高性能的APD探測(cè)器,將其與前置放大級(jí)設(shè)計(jì)為最佳阻抗匹配耦合,可以大大提高接收信號(hào)的傳輸,有效降低背景噪聲和負(fù)載電阻上產(chǎn)生的熱噪聲,使最小可探測(cè)功率與一般前放級(jí)相比提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖3是APD工作的等效電路模型。其中:i s為回波信號(hào)電流;i b為背景輻射噪聲電流;i d為探測(cè)器暗電流;iRL為負(fù)載電阻噪聲電流;Ci為輸入電容;RL為負(fù)載電阻。

圖3 APD等效工作電路模型Fig.3 Model of APD equivalent working circuit

由圖3可知,為有效地將APD信號(hào)傳輸?shù)角胺偶?jí),增大RL的同時(shí)前置放大器的輸入阻抗也要相應(yīng)提高,從而提高探測(cè)靈敏度。要全面兼顧地滿足前級(jí)的高增益、寬帶寬和低噪聲等綜合要求很難做到,因此采用多級(jí)運(yùn)放互相匹配的做法比較合理,在經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬仿真后,證實(shí)前置放大電路在采用互阻放大器形式時(shí)具有最好的信噪比[6]。

3 測(cè)試及結(jié)果分析

激光引信雪崩二極管探測(cè)系統(tǒng)主要由APD偏壓控制電路及接收放大電路組成,雪崩二極管為PerkinElmer公司的C30737,圖4為系統(tǒng)硬件板圖。利用已經(jīng)研制的脈沖激光發(fā)射模塊,輔助光學(xué)系統(tǒng)在一定距離照射目標(biāo),引信探測(cè)系統(tǒng)(有接收的光學(xué)系統(tǒng))接收目標(biāo)的回波信號(hào)。由光電探測(cè)器輸出后的信號(hào)進(jìn)入放大電路,使用示波器觀察由探測(cè)器及放大器的輸出波形。實(shí)驗(yàn)分別對(duì)雪崩二極管及PIN光電二極管進(jìn)行脈沖激光回波測(cè)試分析。

APD的工作電壓較高,需要偏壓控制電路為其提供反向偏置電壓,通過(guò)分析測(cè)試得到在160 V左右時(shí),APD可以獲得最佳探測(cè)靈敏度。圖5(a)所示為APD工作在典型偏置電壓160V,接收波長(zhǎng)805 nm,脈沖半導(dǎo)體激光器的中等強(qiáng)度回波脈沖時(shí)APD的脈沖電壓輸出曲線。輸出信號(hào)幅值約為300 mV,噪聲電壓幅度范圍集中在40 mV左右,信噪比達(dá)到了8。圖5(b)為相同條件下PIN探測(cè)系統(tǒng)的脈沖回波輸出曲線,輸出信號(hào)幅度50 mV,噪聲電壓較大。通過(guò)對(duì)比分析得到,APD的探測(cè)靈敏度遠(yuǎn)高于PIN型探測(cè)器,且噪聲小,信噪比顯著提高。圖 6為APD探測(cè)系統(tǒng)前放及放大電路輸出脈沖信號(hào),輸出幅值較大,且噪聲電壓較小,調(diào)節(jié)好閾值信號(hào)電路后,完全滿足后續(xù)信號(hào)處理的要求。

圖4 硬件板圖Fig.4 Circuit of the system

圖5 APD、PIN輸出信號(hào)曲線Fig.5 Output signal of APD and PIN

圖6 APD前放及放大電路輸出圖Fig.6 Output of the APD amplifier circuit

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,在十幾米到幾百米的范圍內(nèi),APD探測(cè)系統(tǒng)都能為后續(xù)處理系統(tǒng)提供滿意輸出信號(hào)。因此,雪崩二極管探測(cè)可用于不同定距距離的激光引信,尤其適用遠(yuǎn)距離激光定距引信。

4 結(jié)論

本文提出采用雪崩二極管作為遠(yuǎn)距離激光定距引信的光電探測(cè)器。雪崩二極管具有高靈敏度、高增益、低噪聲等優(yōu)點(diǎn),控制調(diào)整其最佳偏壓可使系統(tǒng)獲得高信噪比。實(shí)驗(yàn)表明,APD光電接收電路的信噪比較PIN光電接收系統(tǒng)有了明顯改善,對(duì)微弱信號(hào)的接收能力強(qiáng),使遠(yuǎn)距離作用引信更為有效。由于APD接收放大系統(tǒng)的探測(cè)范圍大,因此可用于不同距離的定距引信中,并且定距距離增大時(shí),引信的定距精度不會(huì)降低。系統(tǒng)電路功耗低、體積小,對(duì)遠(yuǎn)距離作用引信有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]凡春芳,王鋒.激光引信發(fā)射電路設(shè)計(jì)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2006,26(2):869-870.FAN Chunfang,WANG Feng.Laser fuze＇s design of emission circuit[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2006,26(2):869-870.

[2]魏斌,鄭鏈,王克勇,等.用于近距目標(biāo)探測(cè)的激光引信技術(shù)[J].激光雜志,2005,26(6):10-12.WEI Bin,ZHENG Lian,WANG Keyong,et al.Laser fuze technology for short-range target detection[J].Laser Journal,2005,26(6):10-12.

[3]張祥金,張河,陳炳林.脈沖激光鑒相體制提高激光定距精度的幾種方法[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2007,29(2):77-80.ZHANG Xiangjin,ZHANG He,CHEN Binglin.Methods of improving the precision of laser proximity fuze with laser pulse-phase detecting system[J].Journal of Detection and Control,2007,29(2):77-80.

[4]譚顯裕.脈沖激光測(cè)距儀雪崩光電探測(cè)器最佳工作狀態(tài)和接收靈敏度研究[J].光電子技術(shù),2001,21(2):129-137.TAN Xianyu.Research on optimum operating condition and receiving sensitivity of avalanche photo detectors for pulsed laser range finders[J].Optoelectronic Technology,2001,21(2):129-137.

[5]呂曉玲.半導(dǎo)體激光測(cè)距接收系統(tǒng)研究學(xué)[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué),2006.

[6]王莉,張河.激光裝定引信低噪聲信息接收電路分析與設(shè)計(jì)[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2006,28(3):15-21.WANG Li,ZHANG He.Analysis and design of low noise information receiving circuits of a laser set fuze[J].Journal of Detection&Control,2006,28(3):15-21.