智能激光威脅源預(yù)警儀的設(shè)計(jì)與研究

聶萌 馮濤

摘 要：本文提出了一種基于多窗口透鏡光纖的激光檢測方法，并根據(jù)此方法設(shè)計(jì)了一種新型激光威脅源預(yù)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)單個(gè)探測窗口的探測視角可達(dá)90°，并且具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，抗高功率激光損傷能力。設(shè)計(jì)成果可以良好地檢測到功率小于1mW的微弱激光信號(hào)，并且對(duì)激光的入射方向反應(yīng)準(zhǔn)確，經(jīng)多次測量檢驗(yàn)，系統(tǒng)工作正常無誤。

關(guān)鍵詞：激光探測 透鏡光纖 多窗口探測

中圖分類號(hào)：TN242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）07（a）-0008-02

激光是一種特殊光源，具有脈沖寬度窄、單色性好、方向性好、平行度好、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，許多高科技領(lǐng)域都是以激光為載體進(jìn)行發(fā)展研究的。如今激光技術(shù)在世界領(lǐng)域內(nèi)飛速發(fā)展，對(duì)激光威脅源預(yù)警儀的設(shè)計(jì)與研究有重要價(jià)值。

采用基于光電二極管陣列的多窗口激光探測技術(shù)的傳統(tǒng)激光威脅源預(yù)警系統(tǒng)，由于光電二極管安裝在探測窗口附近，易受到環(huán)境中電磁波的干擾，所以有虛警率高的缺點(diǎn)。而采用光纖延遲技術(shù)的激光威脅源預(yù)警儀則需要高速計(jì)時(shí)電路，電路復(fù)雜，且光纖使用量大，成本較高。

本文將基于光電二極管陣列的多窗口激光探測技術(shù)與光纖技術(shù)加以融合，得到一種新型的激光預(yù)警技術(shù)。采用光纖耦合的激光預(yù)警儀在抗電磁干擾方面有明顯的優(yōu)勢，可以提高系統(tǒng)的可靠性，降低虛警率；并且由于來襲激光不直接作用于光電二極管，從而達(dá)到了抗高功率激光損傷的目的。

1 光纖探測器

如圖1所示，在半球型的光纖探測器上分布著12個(gè)光學(xué)窗口，每個(gè)光學(xué)窗口對(duì)應(yīng)一根透鏡光纖，光纖探頭擺放在凸透鏡焦平面前散焦的位置上，單個(gè)窗口視角為90°，角分辨率為30°。這樣就能實(shí)現(xiàn)水平0°～360°、俯仰-45°～90°的半球形檢測。透鏡光纖的末端與光電二極管相耦合，工作時(shí)通過檢測光電二極管是否接收到電流，來判斷是否有激光入射并聲光報(bào)警。

探測窗口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，窗口與透鏡的材料采用K9玻璃（ND=1.51637），K9玻璃在300 nm～1100 nm波段具有優(yōu)良且穩(wěn)定的透光性。K9玻璃正、反面加鍍AR增透膜，可增加6%～10%的透光率。采用了光譜傳輸范圍為380 nm～2400 nm的雙石英光纖，衰減值<4dB/km。光纖前端磨成116.12°錐形，錐尖部分加工成球狀，構(gòu)成透鏡光纖，以獲得更大的檢測視場。

2 激光信號(hào)處理裝置

如圖3所示，當(dāng)激光入射時(shí)，光纖探測器產(chǎn)生感應(yīng)電流，光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。利用前置放大電路將微弱的感應(yīng)電流轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯蠛蟮碾妷盒盘?hào)輸出。電壓信號(hào)經(jīng)前置放大電路后轉(zhuǎn)換為TTL電平，但由于該電平脈沖寬度小，需要信號(hào)整形電路將其展寬。展寬后的信號(hào)經(jīng)AD采樣后送給單片機(jī)處理，最后利用液晶進(jìn)行顯示和語音報(bào)警。

2.1 前置放大電路

激光脈沖寬度為10～20 ns（其中上升沿5～6 s），因而光纖探測器輸出的信號(hào)幅度很小且寬度較窄，無法滿足對(duì)輸出電壓的探測要求，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)前置放大電路。

如圖4所示，選用OPF432光電二極管與光纖相耦合，該組件頻譜敏感度500 nm～1100 nm，反向電壓100 V，暗電流0.1 nA，上升時(shí)間2 ns，下降時(shí)間2 ns。光電二極管1N4449用來消除暗電流誤差。放大器選用帶寬145MHz的AD8065放大器，放大器U1的反饋部分采用3.3 pF電容和24.9 kΩ電阻，其中，電阻將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，電容則用于補(bǔ)償零點(diǎn)以消除振蕩。兩個(gè)放大器U1與U2中間設(shè)有32 MHz左右的一階高通濾波器，主要用來濾除環(huán)境中的干擾光源。放大器U2將電壓信號(hào)放大傳給MAX913比較器，信號(hào)經(jīng)比較器后轉(zhuǎn)換為TTL電平。

2.2 信號(hào)整形電路

由于前置放大電路輸出的TTL電平的脈沖寬度較小，不能滿足單片機(jī)信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換的要求。為了降低成本和信號(hào)處理的復(fù)雜性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了信號(hào)整形電路，利用555芯片構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路將輸出的TTL電平展寬。經(jīng)檢測，TTL電平被展寬為22us脈沖寬度的方波信號(hào)，滿足測量要求，成功實(shí)現(xiàn)了利用單片機(jī)對(duì)激光高速脈沖信號(hào)的分辨與處理。

3 結(jié)語

本文提出了一種基于多窗口透鏡光纖的激光檢測方法，并根據(jù)此方法設(shè)計(jì)了一種新型激光威脅源預(yù)警系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)能良好的檢測到功率小于1mW的微弱激光信號(hào)，并且對(duì)激光信號(hào)的入射方向反應(yīng)準(zhǔn)確，虛警率低，抗高功率激光損傷能力和抗電磁干擾能力強(qiáng)，經(jīng)多次測量檢驗(yàn)，系統(tǒng)工作正常無誤。

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