基于四象限探測器的激光告警接收機(jī)信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹文曉，安志勇，段 潔

(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022)

0 引言

激光告警接收機(jī)屬于光電對抗類設(shè)備，用于對激光制導(dǎo)武器攻擊時(shí)的報(bào)警，常與雷達(dá)告警系統(tǒng)配合來實(shí)現(xiàn)對激光制導(dǎo)武器的位置確定、飛行軌跡顯示、識別等。隨著當(dāng)前武器信息化的高科技發(fā)展，對激光告警接收機(jī)全向性和定向精度的要求越來越高［1］。目前常有的激光告警接收機(jī)通常使用面陣探測器，或者多個探測器放置在不同窗口方位來實(shí)現(xiàn)信息采集，這兩種方案中，各自的技術(shù)缺點(diǎn)是前者激光窄脈沖判斷力低，后者光機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為解決上述問題，本文在引入四象限探測器的基礎(chǔ)上，對激光告警接收機(jī)信號處理系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，使其系統(tǒng)具可凝視監(jiān)視、高角分辨率等優(yōu)點(diǎn)［2］。

在激光告警接收機(jī)的信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中若使用四象限探測器，就需要合理選擇光敏面與性能相匹配且相對較大的四象限探測器，同時(shí)需要探測器放大電路具有大的動態(tài)接收范圍，能夠準(zhǔn)確采集和計(jì)算四象限探測器輸出的窄脈沖信號，可以看出在激光接收機(jī)信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，四象限探測器的對應(yīng)電路合理設(shè)計(jì)對激光告警接收機(jī)的信號處理性能尤為重要。

1 激光告警接收機(jī)信號處理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

采用低輸入阻抗的前置放大電路可提高探測器的窄脈沖響應(yīng)速度;前置放大輸出和二級放大輸出同時(shí)進(jìn)行電壓保持輸出，可以適應(yīng)探測器較大動態(tài)范圍的變化，根據(jù)這一思路，可設(shè)計(jì)出三級、四級等級數(shù)更多的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，適應(yīng)更大動態(tài)范圍;設(shè)計(jì)的峰值檢測電路能可靠工作，輸出電壓波形保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)電壓保持期間的跌落現(xiàn)象，該信號易于后續(xù)電路處理。

圖1 四象限探測器激光告警接收機(jī)信號處理框圖

所設(shè)計(jì)的激光告警接收機(jī)的信號處理系統(tǒng)組成及原理如圖1所示。接收系統(tǒng)首先通過四象限探測器將接收的激光脈沖信號轉(zhuǎn)換為電流信號，進(jìn)入前置放大電路，前置放大電路的輸出信號一路進(jìn)入二級放大電路，另一路進(jìn)入電壓保持電路;二級放大電路將探測信號進(jìn)一步放大，輸出信號一路進(jìn)入電壓保持電路，另一路進(jìn)入峰值檢測電路;電壓保持電路為多通道電壓保持，當(dāng)收到峰值檢測電路輸出信號時(shí)，鎖定當(dāng)前時(shí)刻的電壓，然后穩(wěn)定輸出，穩(wěn)定輸出的信號送往采集和計(jì)算處理電路，通過這些流程，完成整個預(yù)警信號的處理［3-4］。

通過同時(shí)采集多個通道的電壓信號，采集和計(jì)算電路對前置和二級放大電路的輸出信號進(jìn)行比較;當(dāng)二級放大電路沒有飽和，二級放大電路輸出的信號有效，用于計(jì)算光斑位置;當(dāng)二級放大電路飽和，則一級放大電路輸出的信號有效，用于計(jì)算光斑位置。通過這一有選擇性的使用電壓信號，使得接收系統(tǒng)可適應(yīng)不同背景環(huán)境下激光能量動態(tài)范圍大的情況。

2 激光告警接收機(jī)信號處理電路設(shè)計(jì)

2.1 前置放大電路設(shè)計(jì)

四象限探測器采用GD3544Y型InGaAs探測器，它光敏面大、象限間串?dāng)_低、可靠性高，它響應(yīng)波長850nm到1700nm，在激光定位、精細(xì)加工、導(dǎo)航等方面應(yīng)用廣泛。

通過實(shí)驗(yàn)測試，測得GD3544Y器件單個象限的結(jié)電容大約40pf，為獲得探測器對窄激光脈沖的高響應(yīng)速度，探測器和前置放大電路輸入內(nèi)阻之間的時(shí)間常數(shù)應(yīng)該低于激光脈沖寬度，因此前置放大電路應(yīng)該為低輸入內(nèi)阻高速跨阻放大電路，如圖2所示。經(jīng)過測試前置放大電路輸入內(nèi)阻為200Ω，可計(jì)算得到接收前置放大電路對窄激光脈沖的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)τ為:

這個響應(yīng)時(shí)間，滿足激光告警接收機(jī)的帶寬要求。

在圖中，SENSOR1是四象限探測器中的一個象限，等效為一個高速脈沖電流源，SENSOR1一端和偏置電壓+HV相連，另外一端和前置放大電路的輸入端相連，該前置放大電路為反向跨阻放大，電路跨阻為R2。為了使在靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)OUTPUT1節(jié)點(diǎn)電壓較高，使用一個3V的穩(wěn)壓二極管D1和Q2的基極串聯(lián)，使得D1的陰極電壓偏置到3.7V，從而OUTPUT1節(jié)點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn)電壓也是3.7V;R2為放大器的跨阻，通過選擇R2的大小，可以決定輸出電壓VOUTPUT1和輸入電流ISENSOR1的倍數(shù)關(guān)系:

為了獲得較低的輸入內(nèi)阻，需要采取兩點(diǎn)措施。第一，在Q1的器件參數(shù)選取時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮選擇rbe較小的NPN高頻三級管;第二，設(shè)計(jì)一個合適的偏置電流，使得Q1的rbe處于較小的線性電阻區(qū)。

2.2 二級放大電路

二級放大電路設(shè)計(jì)為交流耦合的反向電壓放大器，輸入端INPUT2和前置放大器的輸出端連接，C1作為交流耦合電容，濾除環(huán)境等對探測器響應(yīng)的直流信號，如圖3所示。

通過調(diào)節(jié)R4和R6的大小，配置放大器的放大倍數(shù)，二級放大電路的輸出電壓為VOUTPUT2，可通過下式計(jì)算:

圖2 前置放大電路原理圖

圖3 二級放大電路原理圖

2.3 電壓保持電路

電壓保持電路具有8個通道，這里選擇兩個AD684芯片并聯(lián)工作，如圖4所示。

IN1至IN4和前置放大電路輸出連接，IN5至IN8和二級放大電路輸出連接，8個通道的S/H端并聯(lián)，受峰值檢測電路的控制，電壓保持輸出A/D1至A/D8與后級的采集和計(jì)算處理電路相連。當(dāng)TRIGER高電平時(shí)，輸出電壓跟蹤輸入電壓;當(dāng)TRIGER高電平跳變到低電平時(shí)，輸出信號保持穩(wěn)定，等待電壓采集。IN1至IN8輸入端采用低通濾波器的結(jié)構(gòu)，濾除100MHz以上的噪聲信號，提高保持電路精度［5］。

2.4 峰值檢測電路

峰值檢測電路將二級放大電路輸出的信號進(jìn)行峰值時(shí)刻檢測，在信號達(dá)到峰值前將輸出觸發(fā)信號給多路采樣保持電路，同時(shí)需要提供1ms的低電平保持時(shí)間，如圖5所示。

圖4 電壓保持電路原理圖

圖5 峰值檢測電路原理圖

二級放大電路輸出的四路脈沖信號經(jīng)過四個電阻電壓疊加后和TIN端相連，U3為MAX913，C4、R9組成高通濾波電路，和比較器的反向輸入端連接，U3的反向輸入端和同向輸入端的電壓進(jìn)行比較。當(dāng)接收到激光脈沖時(shí)，U3反向輸入端電壓高于同向輸入端電壓，Q端輸出低電平脈沖;R10、C5組成1ms定時(shí)電路和U3的使能端相連，使觸發(fā)電路輸出脈沖寬度滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

3.1 峰值電壓保持測試結(jié)果

使用波長為905nm，脈沖半寬度為20ns，峰值功率為75W的半導(dǎo)體激光器;使用GT3544Y作為四象限探測器，其響應(yīng)時(shí)間為5ns，響應(yīng)度為0.4A/W左右，有效光敏面直徑為3mm。測試其中一個象限波形，多路采樣保持電路輸出的電壓波形如圖6所示。

圖6 激光告警信號處理電路輸出信號

triger為峰值檢測電路輸出的高電平到低電平的越變信號，hold voltage為一個象限經(jīng)過電壓保持電路后的輸出電壓，在-3us至0時(shí)刻，電壓保持波形跟蹤輸入波形，在0時(shí)刻至50ns內(nèi)，探測器接收到脈沖激光信號，峰值檢測電路輸出triger信號，電壓保持電路將峰值脈沖進(jìn)行電壓保持，隨后的50ns至200ns，保持電路出于不穩(wěn)定狀態(tài)，在200ns-2.5us，保持電路輸出電壓信號穩(wěn)定。雖然在AD684的輸入端口匹配了低通濾波電路，但是，從圖中可以看出電壓保持電路的輸出波形仍具有10mV大小的噪聲，這一噪聲需要通過后續(xù)的采樣和計(jì)算電路多次采樣，采用算術(shù)平均算法進(jìn)行濾除。另外可以看出，在0至200ns時(shí)間內(nèi)，電壓保持電路輸出波形有一個過沖，說明電壓保持電路輸出電壓在短時(shí)間內(nèi)沒有達(dá)到穩(wěn)定，這一特點(diǎn)正好證實(shí)了電壓保持芯片的穩(wěn)定時(shí)間至少需要200ns的問題［6］。

3.2 動態(tài)范圍測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，前置放大電路采用的跨阻為3k，二級放大電路電壓放大增益為30dB。輸入激光脈沖峰值功率經(jīng)過衰減后，范圍從1uW至5mW，使用單片機(jī)對保持后的電壓進(jìn)行采樣，頻率為1us/次，采樣100個點(diǎn)取平均值［7］。測試結(jié)果如表1所示。

表1 輸入動態(tài)范圍測試

4 結(jié)語

針對目前已有激光告警接收機(jī)在信號處理中的實(shí)際技術(shù)問題，設(shè)計(jì)出基于四象限探測器的激光告警接收機(jī)信號處理系統(tǒng)，其具有結(jié)構(gòu)簡單、電路工作穩(wěn)定、信號處理精度高、動態(tài)響應(yīng)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。提出并闡明了告警接收機(jī)信號處理系統(tǒng)的整體方案與原理，對系統(tǒng)的電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，其中包括前置放大電路設(shè)計(jì)、二級放大電路設(shè)計(jì)、電壓保持電路設(shè)計(jì)以及峰值檢測電路設(shè)計(jì)。對峰值電壓保持特性與動態(tài)響應(yīng)范圍的測試結(jié)果表明系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)8ns的激光窄脈沖響應(yīng)，其動態(tài)范圍可達(dá)到34dB，輸出波形穩(wěn)定易于后續(xù)電路采集，可以滿足當(dāng)前激光告警接收機(jī)的實(shí)際需要。

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