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。