激光光斑测量系统的电路设计与实现

摘要：为了直接测量远场激光光斑，设计开发了一套基于热释电探测器阵列靶的激光光斑测量系统。针对热释电探测器噪声特性，将探测器响应信号通过前置放大、增益放大、峰值保持、A／D采集等电路处理，最后由主控计算机存储光斑信息，并对光斑图像进行分析处理。通过实际的远场激光测试实验，验证了该设计能够有效测量远场激光光斑。
关键词：远场激光光斑；热释电探测器；自极化效应；差分电路

0 引言
    激光武器装备的作战效能直接取决于发射激光到达靶目标处光斑的能量密度及分布。激光武器都是远距离作战，通用的激光功率／能量检测设备因接收口径有限，只能检测到极小特定空域内的激光能量，不能满足在远场对激光武器光束质量的检测。远场激光的检测必须采用专用的方法和设备。目前，远场激光光斑的测量主要有两种方法，一种是非接触式的摄像法；一种是探测器阵列直接测量法，即用探测器阵列靶直接接收激光，通过探测器后续处理电路得到激光光斑空间的绝对能量密度分布。本文重点研究探测器阵列测量系统中的硬件电路设计。

1 热释电探测器噪声特性分析
    当前光斑测量所用探测器材料品种众多，其中热释电探测器由于具有高灵敏度而备受关注，它是由钽酸锂(LiTaO3)材料制成。钽酸锂探测器是利用晶体的自极化效应工作的，具有热电效应。无外部机械力或电场的作用时，钽酸锂晶体的自发极化强度随温度变化而改变。在探测器光敏面受到激光照射时，会使其晶片的温度发生变化，从而产生电荷流动，外电路闭合便形成热电流。
    钽酸锂热释电探测器具有温度稳定性高、环境温度适应范围宽、频率范围宽等优点，同时也存在一些不足，如干扰噪声较难控制。该探测器噪声主要是由电子无规则热运动产生的热噪声。
    热噪声也叫约翰逊噪声：
   
    式中：k是玻尔兹曼常数；T是导体或电阻的绝对温度(单位：K)；R是电阻或阻抗的实部；△fn是等效噪声功率带宽。这个噪声对大信号影响不大，但对微弱信号会产生较大的干扰。所以在设计电路时要对探测器的噪声进行严格控制。

2 激光光斑测量系统的电路设计
    激光光斑测量系统的电路设计框图如图1所示。热释电探测器光敏面接收激光照射信号，经热释电效应将光能量转换成电脉冲信号，再经峰值保持、可变增益放大、A／D采集和主控计算机处理得到该探测器点对应的激光参数。

2．1 信噪比选取及放大电路设计
    热释电探测器由晶体的极化效应产生的电压为3．05 mV～3．05 V，为保证在输出端有足够的信噪比，应尽量提高信号放大器的输出电压。由于放大器在信号放大的过程中，噪声也同时被放大，在满足最小10 mV的前提下应尽量减少放大倍数。因此，取系统信噪比SNR=3。

    为保证输出信号有足够的电压值，根据前置放大的输出幅值和后级放大带宽影响，增益选择30 dB的动态范围。前置放大电路必须采用高输入阻抗的低噪声前置放大器，在该设计中放大器采用了仪表用高精度线性放大器。为降低外部电磁干扰，放大电路外壳体采取了屏蔽措施。为降低共模噪声干扰，放大电路采用了差分电路，以提高输入信号的信噪比，如图2所示。

2．2 峰值保持控制及采集系统设计
    采用峰值保持电路，将增益放大输出电压值进行峰值保持，为使后级采集系统具有足够的采集时间，需要将电压值保持200μs左右，以便采集系统采集处理。控制电路由单片机电路组成，其一，单片机根据输入光脉冲产生的电信号给采集系统触发信号；其二，峰保电路为充放电电路，存在充放电时间，为缩短放电时间，在峰保采样完成后应合上放电开关，将电容上的电压放掉，在下一个脉冲到来前应提前断开放电开关，对新的脉冲进行峰保。放电开关的控制信号由输入信号经延时得到，具体控制过程由单片机完成。
    在采集系统方面，为降低外部电磁干扰，采集卡采用差分输入，将64路／卡合为32路／卡差分输入，以减小长线传输带来的噪声和损失。采用16位A／D转换以提高采样精度。具体电路设计实现如图3所示。

    主控计算机完成对光斑数据的实时接收和存储，然后根据光斑图像计算光斑的形心、质心、总能量和能量密度等参数。

3 设计电路在激光光斑测量系统中的应用
    该设计电路已在某型激光光斑测量系统中得以成功运用，该光斑测量系统采用了16行×16列热释电探测器阵列。激光光斑测量系统采用图3所示电路进行设计后，所测得的光斑原始图像如图4所示，原始图像为探测器阵列所对应的16×16像素图像。通过处理软件处理出的激光光斑二维拟合图像如图5所示。

4 结语
    基于探测器阵列靶的远场光斑测量系统核心技术主要是探测器的选取和硬件电路的设计开发，尤其是硬件电路的设计开发。本文通过对探测器放大电路和采集系统的设计和开发，实现了激光远场光斑的有效测量。该系统在远场激光光斑的测量中已经成功运用，完全能够满足目前大功率激光器的测量需求。