激光光斑測(cè)量系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了直接測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)激光光斑，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于熱釋電探測(cè)器陣列靶的激光光斑測(cè)量系統(tǒng)。針對(duì)熱釋電探測(cè)器噪聲特性，將探測(cè)器響應(yīng)信號(hào)通過(guò)前置放大、增益放大、峰值保持、A／D采集等電路處理，最后由主控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)光斑信息，并對(duì)光斑圖像進(jìn)行分析處理。通過(guò)實(shí)際的遠(yuǎn)場(chǎng)激光測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)能夠有效測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)激光光斑。
關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)場(chǎng)激光光斑；熱釋電探測(cè)器；自極化效應(yīng)；差分電路

0 引言
    激光武器裝備的作戰(zhàn)效能直接取決于發(fā)射激光到達(dá)靶目標(biāo)處光斑的能量密度及分布。激光武器都是遠(yuǎn)距離作戰(zhàn)，通用的激光功率／能量檢測(cè)設(shè)備因接收口徑有限，只能檢測(cè)到極小特定空域內(nèi)的激光能量，不能滿足在遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)激光武器光束質(zhì)量的檢測(cè)。遠(yuǎn)場(chǎng)激光的檢測(cè)必須采用專(zhuān)用的方法和設(shè)備。目前，遠(yuǎn)場(chǎng)激光光斑的測(cè)量主要有兩種方法，一種是非接觸式的攝像法；一種是探測(cè)器陣列直接測(cè)量法，即用探測(cè)器陣列靶直接接收激光，通過(guò)探測(cè)器后續(xù)處理電路得到激光光斑空間的絕對(duì)能量密度分布。本文重點(diǎn)研究探測(cè)器陣列測(cè)量系統(tǒng)中的硬件電路設(shè)計(jì)。

1 熱釋電探測(cè)器噪聲特性分析
    當(dāng)前光斑測(cè)量所用探測(cè)器材料品種眾多，其中熱釋電探測(cè)器由于具有高靈敏度而備受關(guān)注，它是由鉭酸鋰(LiTaO3)材料制成。鉭酸鋰探測(cè)器是利用晶體的自極化效應(yīng)工作的，具有熱電效應(yīng)。無(wú)外部機(jī)械力或電場(chǎng)的作用時(shí)，鉭酸鋰晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變化而改變。在探測(cè)器光敏面受到激光照射時(shí)，會(huì)使其晶片的溫度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電荷流動(dòng)，外電路閉合便形成熱電流。
    鉭酸鋰熱釋電探測(cè)器具有溫度穩(wěn)定性高、環(huán)境溫度適應(yīng)范圍寬、頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在一些不足，如干擾噪聲較難控制。該探測(cè)器噪聲主要是由電子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱噪聲。
    熱噪聲也叫約翰遜噪聲：
   
    式中：k是玻爾茲曼常數(shù)；T是導(dǎo)體或電阻的絕對(duì)溫度(單位：K)；R是電阻或阻抗的實(shí)部；△fn是等效噪聲功率帶寬。這個(gè)噪聲對(duì)大信號(hào)影響不大，但對(duì)微弱信號(hào)會(huì)產(chǎn)生較大的干擾。所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)要對(duì)探測(cè)器的噪聲進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2 激光光斑測(cè)量系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)
    激光光斑測(cè)量系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。熱釋電探測(cè)器光敏面接收激光照射信號(hào)，經(jīng)熱釋電效應(yīng)將光能量轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，再經(jīng)峰值保持、可變?cè)鲆娣糯?、A／D采集和主控計(jì)算機(jī)處理得到該探測(cè)器點(diǎn)對(duì)應(yīng)的激光參數(shù)。

2．1 信噪比選取及放大電路設(shè)計(jì)
    熱釋電探測(cè)器由晶體的極化效應(yīng)產(chǎn)生的電壓為3．05 mV～3．05 V，為保證在輸出端有足夠的信噪比，應(yīng)盡量提高信號(hào)放大器的輸出電壓。由于放大器在信號(hào)放大的過(guò)程中，噪聲也同時(shí)被放大，在滿足最小10 mV的前提下應(yīng)盡量減少放大倍數(shù)。因此，取系統(tǒng)信噪比SNR=3。

    為保證輸出信號(hào)有足夠的電壓值，根據(jù)前置放大的輸出幅值和后級(jí)放大帶寬影響，增益選擇30 dB的動(dòng)態(tài)范圍。前置放大電路必須采用高輸入阻抗的低噪聲前置放大器，在該設(shè)計(jì)中放大器采用了儀表用高精度線性放大器。為降低外部電磁干擾，放大電路外殼體采取了屏蔽措施。為降低共模噪聲干擾，放大電路采用了差分電路，以提高輸入信號(hào)的信噪比，如圖2所示。

2．2 峰值保持控制及采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    采用峰值保持電路，將增益放大輸出電壓值進(jìn)行峰值保持，為使后級(jí)采集系統(tǒng)具有足夠的采集時(shí)間，需要將電壓值保持200μs左右，以便采集系統(tǒng)采集處理?？刂齐娐酚蓡纹瑱C(jī)電路組成，其一，單片機(jī)根據(jù)輸入光脈沖產(chǎn)生的電信號(hào)給采集系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)；其二，峰保電路為充放電電路，存在充放電時(shí)間，為縮短放電時(shí)間，在峰保采樣完成后應(yīng)合上放電開(kāi)關(guān)，將電容上的電壓放掉，在下一個(gè)脈沖到來(lái)前應(yīng)提前斷開(kāi)放電開(kāi)關(guān)，對(duì)新的脈沖進(jìn)行峰保。放電開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)由輸入信號(hào)經(jīng)延時(shí)得到，具體控制過(guò)程由單片機(jī)完成。
    在采集系統(tǒng)方面，為降低外部電磁干擾，采集卡采用差分輸入，將64路／卡合為32路／卡差分輸入，以減小長(zhǎng)線傳輸帶來(lái)的噪聲和損失。采用16位A／D轉(zhuǎn)換以提高采樣精度。具體電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

    主控計(jì)算機(jī)完成對(duì)光斑數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收和存儲(chǔ)，然后根據(jù)光斑圖像計(jì)算光斑的形心、質(zhì)心、總能量和能量密度等參數(shù)。

3 設(shè)計(jì)電路在激光光斑測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用
    該設(shè)計(jì)電路已在某型激光光斑測(cè)量系統(tǒng)中得以成功運(yùn)用，該光斑測(cè)量系統(tǒng)采用了16行×16列熱釋電探測(cè)器陣列。激光光斑測(cè)量系統(tǒng)采用圖3所示電路進(jìn)行設(shè)計(jì)后，所測(cè)得的光斑原始圖像如圖4所示，原始圖像為探測(cè)器陣列所對(duì)應(yīng)的16×16像素圖像。通過(guò)處理軟件處理出的激光光斑二維擬合圖像如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    基于探測(cè)器陣列靶的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑測(cè)量系統(tǒng)核心技術(shù)主要是探測(cè)器的選取和硬件電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，尤其是硬件電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。本文通過(guò)對(duì)探測(cè)器放大電路和采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的有效測(cè)量。該系統(tǒng)在遠(yuǎn)場(chǎng)激光光斑的測(cè)量中已經(jīng)成功運(yùn)用，完全能夠滿足目前大功率激光器的測(cè)量需求。