移相式脈沖光探測(cè)器在脈沖激光研究中的應(yīng)用

袁學(xué)文，陳天江，周志強(qiáng)

(中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，高能激光科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng)621900)

>1 引 言

在脈沖激光的科研工作中，經(jīng)常需要對(duì)脈沖光的分布、功率、能量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，或用脈沖光觸發(fā)別的裝置。對(duì)脈沖光的測(cè)量一般都要面臨同步問(wèn)題，以前科研人員一般使用光探測(cè)器+同步信號(hào)發(fā)生器+計(jì)數(shù)器這幾個(gè)設(shè)備進(jìn)行同步處理，這些設(shè)備體積大、價(jià)格高，使用不方便，也不利于被集成到系統(tǒng)里。本文介紹一種新型的移相式脈沖光探測(cè)器，該設(shè)備體積小、功能強(qiáng)，可以處理脈沖光的大部分同步工作，是脈沖光科研工作中的基礎(chǔ)工具之一。

移相式脈沖光探測(cè)器的測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 移相式脈沖光探測(cè)器原理圖

移相式脈沖光探測(cè)器是一種多功能脈沖光探測(cè)器，它由高速光電二極管、跨阻放大器(TIA)、比較器(CMP)、鎖相環(huán)(PLL)和控制電路組成。入射光照射到光電二極管上，光電信號(hào)經(jīng)過(guò)TIA放大，TIA輸出信號(hào)進(jìn)入比較器得到數(shù)字脈沖，數(shù)字脈沖進(jìn)入PLL進(jìn)行鎖相、移相、脈沖寬度調(diào)整等操作，PLL輸出進(jìn)入一個(gè)脈沖合并單元進(jìn)行脈沖合并，合并后的信號(hào)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)觸發(fā)信號(hào)輸出;RS485接口與計(jì)算機(jī)通信，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。

2 相機(jī)同步拍照

在脈沖激光的光斑分布研究中，常常使用相機(jī)進(jìn)行拍攝，但相機(jī)用于脈沖光，特別是重復(fù)頻率較低的脈沖光時(shí)，由于相機(jī)與光源不同步，造成拍出來(lái)的圖像失真，相機(jī)圖像采集與光源重復(fù)頻率之間的差頻還會(huì)造成圖像的漂移，難以得到真實(shí)的光斑分布圖像。

采用移相式脈沖光探測(cè)器可以比較好地解決這個(gè)問(wèn)題，其測(cè)量方案如圖2所示。用分光鏡將脈沖光源分出一部分光送入給脈沖光探測(cè)器，由探測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)相位超前的觸發(fā)信號(hào)給相機(jī)，使相機(jī)在脈沖光到達(dá)相機(jī)之前開始積分，相機(jī)積分設(shè)定的時(shí)間后即可得到脈沖光光斑的真實(shí)圖像。

圖2 相機(jī)同步拍照測(cè)量方案

相機(jī)同步拍照的工作時(shí)序圖如圖3所示。T0為脈沖光光源的重復(fù)頻率，通過(guò)設(shè)置移相式脈沖光探測(cè)器輸出觸發(fā)信號(hào)的參數(shù)，使其在出光時(shí)刻之前Ta時(shí)刻開始觸發(fā)相機(jī)積分，并設(shè)置觸發(fā)信號(hào)寬度為Ti(即相機(jī)積分時(shí)間)，只要Ta和Ti設(shè)置得當(dāng)，即可得到一個(gè)脈沖光的完整光斑圖像。

圖3 相機(jī)同步拍照時(shí)序圖

當(dāng)脈沖光重復(fù)頻率超過(guò)相機(jī)的采集幀頻時(shí)，可以使用探測(cè)器的脈沖合并功能進(jìn)行抽幀采集或一次積分幾個(gè)脈沖的合并采集，圖4是一個(gè)4抽1采集的時(shí)序圖。

圖4 抽樣拍照時(shí)序圖

3 脈沖光陣列靶同步采集

在有些應(yīng)用場(chǎng)合，需要采用陣列靶來(lái)采集脈沖光光斑的功率分布，這種應(yīng)用與相機(jī)類似，但陣列靶一般放在遠(yuǎn)場(chǎng)，無(wú)法使用分光手段來(lái)獲得同步光信號(hào)，此時(shí)可以使用移相式脈沖光探測(cè)器測(cè)量陣列靶靶面的散射光產(chǎn)生移相后的同步信號(hào)來(lái)控制陣列靶數(shù)據(jù)采集電路，從而達(dá)到采集脈沖光光斑分布的目的，測(cè)量方案如圖5所示，其控制時(shí)序波形及抽樣原理與相機(jī)同步拍照波形類似。

圖5 脈沖光陣列靶同步采集方案

圖6 是采用這種方案獲得的一個(gè)脈沖光光斑分布圖像，該脈沖光源重復(fù)頻率為300 Hz，采用了3個(gè)脈沖采一個(gè)的抽樣采樣，獲得了100 Hz的采集幀頻。

圖6 脈沖光光斑分布

4 回光波形觀測(cè)

在激光測(cè)距、大氣回光探測(cè)等科研中，需要在示波器上觀測(cè)回光信號(hào)的波形，在這種應(yīng)用中，一般出光與回光信號(hào)之間的時(shí)差比較大，用示波器觀測(cè)時(shí)，由于回光信號(hào)很弱，由回光信號(hào)很難觸發(fā)示波器，并且受示波器存儲(chǔ)深度的限制，也難以觀測(cè)從出光到回光的全時(shí)段波形。此時(shí)使用移相式脈沖光探測(cè)器來(lái)觸發(fā)示波器可以得到較好的測(cè)量效果，測(cè)量原理如圖7所示，在發(fā)射端采用分光或提取一部分雜散光作為移相式脈沖光探測(cè)器的輸入，探測(cè)器輸出一個(gè)移相后的脈沖觸發(fā)示波器，即可觀測(cè)目標(biāo)在某個(gè)范圍內(nèi)的回光波形。以發(fā)射端出光時(shí)刻為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，假設(shè)目標(biāo)的最近距離為Dn，則回光波形最快出現(xiàn)在時(shí)刻tbn:其中，c為光速。

設(shè)置移相式脈沖光探測(cè)器的相位參數(shù)，使其輸出滯后輸入tbn，這樣探測(cè)器在檢測(cè)到輸入后，延遲tbn輸出一個(gè)脈沖觸發(fā)示波器，即可觀測(cè)到某個(gè)范圍內(nèi)的回光波形。

圖7 回光門控原理

在激光測(cè)距等應(yīng)用中，移相式脈沖光探測(cè)器可以作為回光信號(hào)的門控選通控制信號(hào)。假設(shè)測(cè)距范圍為Dn～Df，其對(duì)應(yīng)的回光時(shí)刻為tbn～tbf，回光時(shí)刻的計(jì)算見公式(1)，設(shè)置移相式脈沖光探測(cè)器的輸出相位滯后tbn，輸出脈沖寬度為tbn－tbf，將此輸出信號(hào)作為測(cè)距電路的門控輸入信號(hào)，可以消除回光信號(hào)中的大部分噪聲。

5 對(duì)脈沖光頻率穩(wěn)定性的要求

當(dāng)將移相式脈沖光探測(cè)器用于相機(jī)、陣列靶等數(shù)據(jù)采集的同步信號(hào)時(shí)，對(duì)脈沖光重復(fù)頻率的穩(wěn)定性有一定要求，現(xiàn)由時(shí)序圖(圖8)來(lái)計(jì)算，設(shè)光脈沖寬度為Tw，重復(fù)頻率為T0。其中，Td是設(shè)置的觸發(fā)脈沖相位延遲，Ti是設(shè)定的觸發(fā)脈沖寬度，即相機(jī)的積分時(shí)間，在理想情況下，光脈沖正好處于Ti的中間，即:

圖8 頻率穩(wěn)定計(jì)算時(shí)序圖

但由于光脈沖重復(fù)頻率不穩(wěn)定，光脈沖之間的時(shí)間在變化，為了保證積分到光脈沖，T0的變化必須受到約束，其范圍為:

對(duì)于一束400 Hz，10 ns的光脈沖，T0=2．5 ms，Tw=10 ns，若取Ti=100μs，則ΔT0≈100μs，可得:

6 結(jié)論

移相式脈沖光探測(cè)器在相機(jī)同步、陣列靶同步采集、激光測(cè)距門控中的應(yīng)用表明，該設(shè)備可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的同步脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器等設(shè)備，具有體積小、易于集成到目標(biāo)系統(tǒng)中去的優(yōu)點(diǎn)，并且可以通過(guò)RS485總線由計(jì)算機(jī)進(jìn)行在線監(jiān)控，取得了較好的應(yīng)用效果，是脈沖光科研生產(chǎn)中較好的基礎(chǔ)應(yīng)用工具。

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