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摘要：為了直接測量遠場激光光斑，設(shè)計開發(fā)了一套基于熱釋電探測器陣列靶的激光光斑測量系統(tǒng)。針對熱釋電探測器噪聲特性，將探測器響應(yīng)信號通過前置放大、增益放大、峰值保持、A/D采集等電路處理，最后由主控計算機存儲光斑信息，并對光斑圖像進行分析處理。通過實際的遠場激光測試實驗，驗證了該設(shè)計能夠有效測量遠場激光光斑。
0 引言
激光武器裝備的作戰(zhàn)效能直接取決于發(fā)射激光到達靶目標處光斑的能量密度及分布。激光武器都是遠距離作戰(zhàn)，通用的激光功率/能量檢測設(shè)備因接收口徑有限，只能檢測到極小特定空域內(nèi)的激光能量，不能滿足在遠場對激光武器光束質(zhì)量的檢測。遠場激光的檢測必須采用專用的方法和設(shè)備。目前，遠場激光光斑的測量主要有兩種方法，一種是非接觸式的攝像法；一種是探測器陣列直接測量法，即用探測器陣列靶直接接收激光，通過探測器后續(xù)處理電路得到激光光斑空間的絕對能量密度分布。本文重點研究探測器陣列測量系統(tǒng)中的硬件電路設(shè)計。
1 熱釋電探測器噪聲特性分析
當前光斑測量所用探測器材料品種眾多，其中熱釋電探測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)。無外部機械力或電場的作用時，鉭酸鋰晶體的自發(fā)極化強度隨溫度變化而改變。在探測器光敏面受到激光照射時，會使其晶片的溫度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電荷流動，外電路閉合便形成熱電流。
鉭酸鋰熱釋電探測器具有溫度穩(wěn)定性高、環(huán)境溫度適應(yīng)范圍寬、頻率范圍寬等優(yōu)點，同時也存在一些不足，如干擾噪聲較難控制。該探測器噪聲主要是由電子無規(guī)則熱運動產(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)體或電阻的絕對溫度(單位：K)；R是電阻或阻抗的實部；△fn是等效噪聲功率帶寬。這個噪聲對大信號影響不大，但對微弱信號會產(chǎn)生較大的干擾。所以在設(shè)計電路時要對探測器的噪聲進行嚴格控制。
2 激光光斑測量系統(tǒng)的電路設(shè)計
激光光斑測量系統(tǒng)的電路設(shè)計框圖如圖1所示。熱釋電探測器光敏面接收激光照射信號，經(jīng)熱釋電效應(yīng)將光能量轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，再經(jīng)峰值保持、可變增益放大、A/D采集和主控計算機處理得到該探測器點對應(yīng)的激光參數(shù)。
2.1 信噪比選取及放大電路設(shè)計
熱釋電探測器由晶體的極化效應(yīng)產(chǎn)生的電壓為3.05mV～3.05V，為保證在輸出端有足夠的信噪比，應(yīng)盡量提高信號放大器的輸出電壓。由于放大器在信號放大的過程中，噪聲也同時被放大，在滿足最小10mV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。
為保證輸出信號有足夠的電壓值，根據(jù)前置放大的輸出幅值和后級放大帶寬影響，增益選擇30dB的動態(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
采用峰值保持電路，將增益放大輸出電壓值進行峰值保持，為使后級采集系統(tǒng)具有足夠的采集時間，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電路組成，其一，單片機根據(jù)輸入光脈沖產(chǎn)生的電信號給采集系統(tǒng)觸發(fā)信號；其二，峰保電路為充放電電路，存在充放電時間，為縮短放電時間，在峰保采樣完成后應(yīng)合上放電開關(guān)，將電容上的電壓放掉，在下一個脈沖到來前應(yīng)提前斷開放電開關(guān)，對新的脈沖進行峰保。放電開關(guān)的控制信號由輸入信號經(jīng)延時得到，具體控制過程由單片機完成。
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，以減小長線傳輸帶來的噪聲和損失。采用16位A/D轉(zhuǎn)換以提高采樣精度。具體電路設(shè)計實現(xiàn)如圖3所示。
主控計算機完成對光斑數(shù)據(jù)的實時接收和存儲，然后根據(jù)光斑圖像計算光斑的形心、質(zhì)心、總能量和能量密度等參數(shù)。
3 設(shè)計電路在激光光斑測量系統(tǒng)中的應(yīng)用
該設(shè)計電路已在某型激光光斑測量系統(tǒng)中得以成功運用，該光斑測量系統(tǒng)采用了16行×16列熱釋電探測器陣列。激光光斑測量系統(tǒng)采用圖3所示電路進行設(shè)計后，所測得的光斑原始圖像如圖4所示，原始圖像為探測器陣列所對應(yīng)的16×16像素圖像。通過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
基于探測器陣列靶的遠場光斑測量系統(tǒng)核心技術(shù)主要是探測器的選取和硬件電路的設(shè)計開發(fā)，尤其是硬件電路的設(shè)計開發(fā)。本文通過對探測器放大電路和采集系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，實現(xiàn)了激光遠場光斑的有效測量。該系統(tǒng)在遠場激光光斑的測量中已經(jīng)成功運用，完全能夠滿足目前大功率激光器的測量需求。
