數(shù)字激光告警系統(tǒng)探測(cè)接收前端設(shè)計(jì)

0 引 言

激光技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，激光武器已從理論走向?qū)嵺`。激光武器的大量出現(xiàn)帶來了日益嚴(yán)峻的威脅，激光告警設(shè)備對(duì)激光來襲的探測(cè)與預(yù)報(bào)是激光對(duì)抗的基本手段。如何從復(fù)雜的環(huán)境下探測(cè)判斷激光來襲信號(hào)是告警系統(tǒng)面臨的首要任務(wù)。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，處理速度的不斷提高，采用數(shù)字技術(shù)如FPGA等來處理告警信號(hào)成為可能。

文章針對(duì)數(shù)字激光告警系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的探測(cè)接收前端，主要目的是探測(cè)一定波段的來襲激光信號(hào)，具有高的靈敏度，可探測(cè)的最小激光能量達(dá)到1μW，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到100 dB。設(shè)計(jì)中采用高靈敏度的激光探測(cè)二極管，得到激光來襲信號(hào)的脈沖電流，在最小脈沖作用下系統(tǒng)等效帶寬400 MHz以上，通過大帶寬、低噪運(yùn)算放大器工作在跨導(dǎo)放大模式下進(jìn)行放大和電流電壓變換，再通過放大整形后得到數(shù)字電路能識(shí)別的脈沖信號(hào)，從而根據(jù)脈沖寬度判斷來襲激光信號(hào)的強(qiáng)度等信息。由于窄脈沖對(duì)系統(tǒng)中的電容敏感，采用ADS仿真方式確定了各級(jí)電容的大小，仿真與測(cè)試結(jié)果顯示接收前端具有高的探測(cè)靈敏度、大的動(dòng)態(tài)范圍、能為后處理的數(shù)字系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的來襲信號(hào)特性。系統(tǒng)提出的用寬帶跨導(dǎo)運(yùn)算放大電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用三極管來放大微弱窄脈沖的方式，具有帶寬寬(500 MHz)，成本低的特點(diǎn)，為放大微弱的ns級(jí)及以下的窄脈沖電流信號(hào)提供一個(gè)很好的寬帶方案，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，易于維護(hù)。

1 探測(cè)接收前端方案設(shè)計(jì)與仿真

根據(jù)后端數(shù)字系統(tǒng)要求，需要把來襲的激光信號(hào)通過光電探測(cè)二極管變換成數(shù)字系統(tǒng)能處理的數(shù)字脈沖。由于光電二極管在激光信號(hào)的作用下產(chǎn)生的是一個(gè)窄脈沖電流，選用的光敏二極管最小輸出電流為10 nA的脈沖電流，脈沖寬度為10 ns，按照有效頻率計(jì)算放大電路的頻帶需大于400 MHz，為滿足這一要求采用500．MHz的大帶寬的運(yùn)算放大器擔(dān)任放大作用，并完成電流與電壓的轉(zhuǎn)換，得到脈沖電壓。由于在來襲信號(hào)較低時(shí)或過大時(shí)，脈沖信號(hào)都達(dá)不到數(shù)字信號(hào)需要的電壓，需要進(jìn)行的整形與放大，以期達(dá)到數(shù)字系統(tǒng)常規(guī)電壓的標(biāo)準(zhǔn)(高電壓5～3．3 V，低電壓為2．1～0 V)，系統(tǒng)中采用把接收信號(hào)一直放大到使其后級(jí)放大電路飽和的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓整形?？傮w方案如圖1所示，放大器后波形要求如圖中每級(jí)后的圖示；最后把光電管探測(cè)電流變成脈沖電壓形式，脈沖寬度代表作用激光能量的大小。

由于系統(tǒng)最小信號(hào)帶寬很寬、脈沖電流微弱，對(duì)電路中電容元件敏感，為了得到具體的參數(shù)值，在ADS(Ad-vatreed Design System)軟件中采用瞬態(tài)仿真方法進(jìn)行系統(tǒng)仿真，圖2為仿真電路拓?fù)鋱D。根據(jù)系統(tǒng)最小檢測(cè)要求以及光電管原理特征，在ADS軟件中用脈沖電流源、電阻與電容并聯(lián)模型代替實(shí)際的光電管在激光作用下產(chǎn)生脈沖電流的模型，如圖3中所示的電路參數(shù)設(shè)置是采用最小的來襲激光能量1μW下光電管輸出的電流為10nA，寬度為10 ns的電流脈沖，對(duì)應(yīng)的端口電流仿真波形如圖4所示。系統(tǒng)中放大器采用低噪聲高增益帶寬積(500 MHz)的運(yùn)放實(shí)現(xiàn)放大，仿真了在來襲激光不同光能量作用下的系統(tǒng)輸出波形，不同來襲激光的作用在仿真中采用激光探頭光電管的模型中電流脈沖大小，電流脈沖寬度的變化來表示。結(jié)果如圖5～圖7所示。從結(jié)果可以看出該放大方式能得到數(shù)字脈沖，輸出的脈沖寬度與來襲激光的功率成正比。系統(tǒng)不僅能判斷出有無來襲激光，還可以計(jì)算出來襲激光能量大小。

2 接收前端電路實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述仿真結(jié)果，選用中電集團(tuán)第44所生產(chǎn)的GD3561光電探測(cè)器為激光探測(cè)二極管，最小可檢測(cè)能量1μw，最小響應(yīng)時(shí)間2．5 ns。第一級(jí)采用形式跨導(dǎo)放大方式，器件與放大中間級(jí)均使用BB司的寬帶、低噪聲運(yùn)放芯片OPA656，增益帶寬積達(dá)到500 MHz，8 ns的電壓建立時(shí)間，輸入噪聲18 nV／Hz；整形電路采用AD8611，具有4 ns極短的延遲時(shí)間，系統(tǒng)具體電路見圖8。

測(cè)試采用10 000 w的激光光源，波長(zhǎng)為1．3μm，通過光學(xué)衰減器，衰減100 dB可以達(dá)到系統(tǒng)需要的最小功率1μw，輸出端用高速示波器TDS460來捕捉輸出的脈沖信號(hào)，結(jié)果見圖9～圖12。

圖9表示在1 μw的激光能量作用下，光電管兩端的瞬時(shí)電壓脈沖，可以看出，在最小功率作用下，產(chǎn)生的電壓、電流脈沖時(shí)間短，峰值??；圖10表示脈沖經(jīng)過系統(tǒng)放大后的具有數(shù)字脈沖波形，滿足數(shù)字電路來處理要求。圖11為1 mW的作用結(jié)果，圖12為1 w的能量作用結(jié)果?？梢娡ㄟ^系統(tǒng)的放大后得到數(shù)字電路能辨識(shí)的矩形脈沖信號(hào)，信號(hào)到來的強(qiáng)弱與輸出脈沖成正比。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到100 dB。

3 結(jié) 語

測(cè)試結(jié)果表明，該探測(cè)接收前端具有最低可探測(cè)1μw的來襲激光信號(hào)，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到100 dB，產(chǎn)生的脈沖波形滿足數(shù)字電路處理水平。能為后續(xù)的數(shù)字電路如FPGA電路提供準(zhǔn)確的探測(cè)信號(hào)。系統(tǒng)采用寬帶跨導(dǎo)運(yùn)算放大電路方式放大微弱的窄脈沖信號(hào)，采用在ADs軟件中仿真方式處理了窄脈沖對(duì)電容敏感的關(guān)鍵問題，為提供微弱窄脈沖電流信號(hào)放大提供很好的方案。放大系統(tǒng)具有500 MHz的帶寬，可以放大的窄脈沖寬度可窄于ns級(jí)以下，同時(shí)價(jià)格低廉，性價(jià)比高。實(shí)際測(cè)試中，誤報(bào)率低，探測(cè)速度快，探測(cè)接收前端產(chǎn)生的噪聲低。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，不僅可用于激光來襲探測(cè)，也可用于激光安防系統(tǒng)等。