數(shù)字激光告警系統(tǒng)探測接收前端設(shè)計

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)帶來了日益嚴峻的威脅，激光告警設(shè)備對激光來襲的探測與預(yù)報是激光對抗的基本手段。如何從復(fù)雜的環(huán)境下探測判斷激光來襲信號是告警系統(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等來處理告警信號成為可能。
    文章針對數(shù)字激光告警系統(tǒng)而設(shè)計的探測接收前端，主要目的是探測一定波段的來襲激光信號，具有高的靈敏度，可探測的最小激光能量達到1μW，動態(tài)范圍達到100 dB。設(shè)計中采用高靈敏度的激光探測二極管，得到激光來襲信號的脈沖電流，在最小脈沖作用下系統(tǒng)等效帶寬400 MHz以上，通過大帶寬、低噪運算放大器工作在跨導(dǎo)放大模式下進行放大和電流電壓變換，再通過放大整形后得到數(shù)字電路能識別的脈沖信號，從而根據(jù)脈沖寬度判斷來襲激光信號的強度等信息。由于窄脈沖對系統(tǒng)中的電容敏感，采用ADS仿真方式確定了各級電容的大小，仿真與測試結(jié)果顯示接收前端具有高的探測靈敏度、大的動態(tài)范圍、能為后處理的數(shù)字系統(tǒng)提供準確的來襲信號特性。系統(tǒng)提出的用寬帶跨導(dǎo)運算放大電路代替?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，為放大微弱的ns級及以下的窄脈沖電流信號提供一個很好的寬帶方案，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)環(huán)境能力強，易于維護。

1 探測接收前端方案設(shè)計與仿真
    根據(jù)后端數(shù)字系統(tǒng)要求，需要把來襲的激光信號通過光電探測二極管變換成數(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的作用下產(chǎn)生的是一個窄脈沖電流，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。由于在來襲信號較低時或過大時，脈沖信號都達不到數(shù)字信號需要的電壓，需要進行的整形與放大，以期達到數(shù)字系統(tǒng)常規(guī)電壓的標準(高電壓5～3．3 V，低電壓為2．1～0 V)，系統(tǒng)中采用把接收信號一直放大到使其后級放大電路飽和的方法來實現(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后的圖示；最后把光電管探測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)最小信號帶寬很寬、脈沖電流微弱，對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)仿真方法進行系統(tǒng)仿真，圖2為仿真電路拓撲圖。根據(jù)系統(tǒng)最小檢測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)的運放實現(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，還可以計算出來襲激光能量大小。

2 接收前端電路實現(xiàn)
    根據(jù)上述仿真結(jié)果，選用中電集團第44所生產(chǎn)的GD3561光電探測器為激光探測二極管，最小可檢測能量1μw，最小響應(yīng)時間2．5 ns。第一級采用形式跨導(dǎo)放大方式，器件與放大中間級均使用BB司的寬帶、低噪聲運放芯片OPA656，增益帶寬積達到500 MHz，8 ns的電壓建立時間，輸入噪聲18 nV／Hz；整形電路采用AD8611，具有4 ns極短的延遲時間，系統(tǒng)具體電路見圖8。

    測試采用10 000 w的激光光源，波長為1．3μm，通過光學(xué)衰減器，衰減100 dB可以達到系統(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，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)字電路能辨識的矩形脈沖信號，信號到來的強弱與輸出脈沖成正比。系統(tǒng)的動態(tài)范圍達到100 dB。

3 結(jié) 語
    測試結(jié)果表明，該探測接收前端具有最低可探測1μw的來襲激光信號，動態(tài)范圍達到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電路提供準確的探測信號。系統(tǒng)采用寬帶跨導(dǎo)運算放大電路方式放大微弱的窄脈沖信號，采用在ADs軟件中仿真方式處理了窄脈沖對電容敏感的關(guān)鍵問題，為提供微弱窄脈沖電流信號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級以下，同時價格低廉，性價比高。實際測試中，誤報率低，探測速度快，探測接收前端產(chǎn)生的噪聲低。系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，易于維護，不僅可用于激光來襲探測，也可用于激光安防系統(tǒng)等。