微弱激光能量監(jiān)測系統(tǒng)的研究

王奇，王曉曼，趙海麗，劉鵬，李志剛，張立媛

（1.長春理工大學　電子信息工程學院，長春　130022；2.長春理工大學　空地激光通信技術(shù)國防重點學科實驗室，長春　130022）

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微弱激光能量監(jiān)測系統(tǒng)的研究

王奇1，王曉曼1，趙海麗1，劉鵬2，李志剛1，張立媛1

（1.長春理工大學電子信息工程學院，長春130022；2.長春理工大學空地激光通信技術(shù)國防重點學科實驗室，長春130022）

摘要：設(shè)計了一種基于光電法的微弱激光能量檢測系統(tǒng)。采用PIN光電二極管作為能量檢測系統(tǒng)的探頭，利用多級運算放大電路完成了信號的I/V變換、放大和保持，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和微處理器采集、處理和輸出數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明，測量能量在微焦級時，系統(tǒng)的不準確度為5%。該方案實現(xiàn)了微弱激光能量的準確測量。

關(guān)鍵詞：微弱激光能量；光電檢測；光電二極管；運算放大器

近年來光電檢測技術(shù)的快速發(fā)展使得在激光武器測試中對遠場微弱激光能量測量的準確度要求越來越高。在遠場弱激光能量的測量上，光熱法由于受到吸收體材料和環(huán)境影響等因素的限制，使得測量精度降低、響應(yīng)時間變慢，無法滿足靶場測試要求。本文利用光電測量法實現(xiàn)了微弱激光能量的檢測。

光電法是指選用高靈敏度的光電探測器作為傳感器件，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后輸出與入射激光的能量成正比的電信號，以實現(xiàn)對激光能量的測量［1］。該法具有高準確度、響應(yīng)靈敏、體積小、成本低的優(yōu)點。

1　微弱激光能量檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1激光能量測量原理

光電二極管有良好的光電特性，其輸出光電流與光敏面上的輻射光通量成線性關(guān)系：

式中：ip—光電二極管光電流；S—為光電二極管靈敏度；φ—光通量。

由光能量和光通量的關(guān)系可知：

式中：Qv—光能量。

由上述（1）式和（2）式可得到光能量和光電二極管光電流關(guān)系：

因此對能量的測量即變?yōu)閷σ欢〞r間內(nèi)的電流量的測量，通常我們習慣把電流量轉(zhuǎn)換為電壓量進行測量，根據(jù)I∝U可知：

式中，Kr為系統(tǒng)激光能量系數(shù)，Up為積分后的電壓值，最后通過與標準能量計標校，得到準確的Kr，便可得到準確的能量值。

1.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)檢測的激光波長為1064nm、脈沖寬度為30ns，頻率為20Hz，到達系統(tǒng)的能量在微焦級。系統(tǒng)設(shè)計針對微弱激光脈沖信號的測量要求，綜合采用I/V變換、積分放大、峰值保持、A/D轉(zhuǎn)換多種信號處理技術(shù)，從而保證足夠的響應(yīng)度和穩(wěn)定性。

圖1　激光能量檢測系統(tǒng)總體框圖

微弱激光能量檢測系統(tǒng)設(shè)計為內(nèi)觸發(fā)工作方式，總體框圖如圖1所示，主要由光電探測器、信號處理單元、數(shù)據(jù)處理單元和上位機操控軟件組成。激光脈沖信號經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換為電流信號［2，3］，然后經(jīng)由信號調(diào)理電路變換、積分、放大和保持。經(jīng)調(diào)理并放大到可測量幅度要求的電壓信號通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給微處理器處理，最后將得到的能量值發(fā)送到上位機顯示。

1.3系統(tǒng)中各單元設(shè)計

1.3.1光電探測器選型

由于所測信號為微弱的激光窄脈沖信號，為了保證系統(tǒng)的準確度，必須要求光電探測器的光電轉(zhuǎn)換特性與入射輻射成正比，而且還應(yīng)具有小的噪聲系數(shù)、良好的動態(tài)響應(yīng)、較好的靈敏度以及可長期工作的穩(wěn)定可靠性［4］。根據(jù)系統(tǒng)檢測的激光波長為1064nm、脈沖寬度為50ns，頻率為20Hz，到達系統(tǒng)的能量在微焦級，系統(tǒng)選用PIN光電二極管S2387-1010R，在可見光至近紅外范圍內(nèi)它具有高線性、高靈敏度、低噪聲功率、大的感光面，非常適用于設(shè)計光測量裝置，其光譜特性及參數(shù)如圖2和表1所示。1μJ，則通過光敏面的輻射光功率為：φ=Qt = 0.02mW，光電二極管產(chǎn)生的光電流為：i=S?φ= 6.6μA，所產(chǎn)生的最小光電流遠大于光電二極管的暗電流，且最小輻射功率也遠大于S2387-1010R在20Hz時的噪聲功率，因此S2387-1010R可以滿足系統(tǒng)的測量要求。

圖2　S2387-1010R光譜響應(yīng)曲線

表1　S2387-1010R主要參數(shù)

1.3.2信號調(diào)理電路設(shè)計

S2387光電二極管產(chǎn)生的電流信號比較微弱的，因此，設(shè)計了調(diào)理電路將其進行適當?shù)姆糯?，以滿足后期處理電路測量幅度的要求［6］，為保證測量精度和測量寬度，調(diào)理電路設(shè)計為1500倍的放大倍數(shù)。調(diào)理電路如圖3所示，分為I/V變換、積分變換、二級放大、峰值保持、電壓跟隨和觸發(fā)電路六部分。

圖3　信號調(diào)理電路

根據(jù)激光能量測量原理，系統(tǒng)電路中需要設(shè)計有積分電路，對I/V變換后的電壓值做積分采集，要求積分時間要大于信號的脈沖寬度50ns。圖3中U2A為系統(tǒng)的積分電路，積分時間為：τ=R2?C2= 100ns，滿足系統(tǒng)要求。為了減小誤差和提高直流負反饋穩(wěn)定的偏置電壓，在電容C2上并聯(lián)一個大阻值電阻，也用來防止積分漂移所造成的飽和或截止現(xiàn)象。在積分變換之后，對信號進行二次放大，為下一級電路提供適當?shù)姆?。U2部分選用了高速低噪聲雙運放OPA2132，它內(nèi)部使用了FET作為放大單元，只需要很小的輸入偏置電流（最大50pA），偏移誤差一般也非常小，所以在此部分電路設(shè)計時，沒有采用增加靜態(tài)平衡電阻的方法來消除偏置電流對電路的影響，以防止由于平衡電阻的原因而引入外部噪聲。

U3部分電路為跨導型峰值保持電路，其作用是對積分放大后的電壓峰值保持一段時間，保證ADC有足夠的時間采集到準確的電壓值。如圖中U3所示，跨導型峰值保持電路主要由跨導放大器（U3A）、二極管（D1，D2）、保持電容（C1）和電壓緩沖器（U3B）組成。峰值保持電路需要保持電容快速充電到峰值，要使用轉(zhuǎn)換速率高的放大器，另外，由于放大器的輸出端接有電容，還應(yīng)注意負反饋的穩(wěn)定性，所以本部分電路選用OPA2132，不但具有高轉(zhuǎn)換速率（20V/μs），而且雙運放具有很好的一致性。在電路中，二極管起選通開關(guān)的作用，為達到好的保持效果，要選用反向恢復時間短的二極管，保證輸出電壓到達峰值時立刻截止，減少反向電量泄露，設(shè)計中選用Schottky二極管，其導通電壓小、開關(guān)時間短。保持電容影響著電路的帶寬和反應(yīng)速度，而且還要選擇介質(zhì)吸收盡量小的電容，在電路制作中，選擇了22nF的聚丙烯薄膜電容。經(jīng)仿真測試，所設(shè)計的保持電路的響應(yīng)時間為5μs，保持時間約為13μs，無過沖現(xiàn)象。

U4和U5電路分別為電壓跟隨器和觸發(fā)電路。電壓跟隨器在電路中起到阻抗匹配的作用。觸發(fā)電路選用比較器LM211，其作用是給微處理器提供觸發(fā)信號，使微處理器控制ADC進行采樣，比較電路設(shè)計為回差式過零比較電路，可以有效的剔除毛刺干擾，防止誤動。

在仿真實驗中，用信號電流源替代光電二極管產(chǎn)生微小電流信號，其參數(shù)設(shè)置如圖4（a）所示，因為電流信號無法用示波器觀察，所以選擇U1輸出端作為觀察點，信號波形為一經(jīng)放大的反向的脈沖信號（圖4（b）中U0），和最終輸出信號觀察比較（圖4（b）中Uout），得出整個放大電路放大倍數(shù)為1653倍，在實際電路中，經(jīng)過觀察測試，放大倍數(shù)約為1500倍。

圖4　電路仿真

1.3.3數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元由微處理器和ADC組成，接口電路如圖5所示。ADC要在峰值保持的時間內(nèi)采樣，才能保證數(shù)據(jù)的準確，還應(yīng)具有足夠的精度。本模塊選用MAXIM推出的可編程12位精度并行輸出芯片MAX1304作為A/D轉(zhuǎn)換器［6］，并采用內(nèi)部時鐘工作模式，其有0～+5V的輸入范圍，內(nèi)部時鐘下仍具有非常快的采樣時間（983ksps/s，約為1μs），很小的誤差（最大INL為1LSB、DNL為0.9LSB），可以滿足系統(tǒng)需求。微處理器模塊選用ATMEL公司的ATMEGA128單片機，完成對MAX1304的控制、數(shù)據(jù)的讀取和處理工作。單片機使用RS422標準串口與上位機通信，完成對結(jié)果的顯示。

單片機PA口的低4位和PF口分別與MAX1304 的12個數(shù)據(jù)端口相連，其中可以通過配置低8位D0～D7來選通啟動的模擬輸入通道。上電時，在啟動轉(zhuǎn)換位CONVST（接PC0）之前配置寄存器，選擇輸入通道。寫配置時，將片選CS（接PC1）和寫使能WR（接PC2）置為低電平，然后將D0～D7位裝載到并行總線，再將WR置為高電平，數(shù)據(jù)在WR上升沿鎖存。讀數(shù)據(jù)時，在轉(zhuǎn)換結(jié)束標志位EOC（接PC5）下降沿，將CS和讀使能RD（接PC3）置為低電平，將轉(zhuǎn)換結(jié)果置于并行總線，在RD上升沿讀取數(shù)據(jù)到單片機端口寄存器。

上位機軟件使用LabVIEW編寫測控軟件，完成對下位機的控制、激光漫反射能量檢測數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲。LabVIEW具有圖形化的操作和顯示界面，使得測試系統(tǒng)便于觀察和操作［7］。

圖5　數(shù)據(jù)處理單元接口電路

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計與測試結(jié)果

2.1實驗測試結(jié)果

本激光能量檢測系統(tǒng)采用單片機微處理器控制，結(jié)合了適當?shù)乃惴ê陀布娐费兄贫?。本系統(tǒng)通過與標準激光能量計比對，標定出能量和電壓的比值關(guān)系Kr=146.9，通過公式：Qv=Kr?Up= 146.9Up進行換算，得出能量值。實測數(shù)據(jù)見表2，能量曲線如圖6所示，下方曲線為系統(tǒng)的實測曲線，上方曲線為標準能量計。

表2　激光能量檢測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

圖6　測試數(shù)據(jù)曲線圖

從圖中可以看出，系統(tǒng)的準確測量范圍在0～300μJ，在此線性范圍內(nèi)，系統(tǒng)的平均絕對誤差|ΔW| =2.35，系統(tǒng)的不準確度小于5%。系統(tǒng)的測量誤差和測量范圍主要來自于光電二極管的響應(yīng)誤差、放大電路的溫漂，可以根據(jù)器件參數(shù)進行補償，提高性能。

3　結(jié)論

本激光能量檢測系統(tǒng)利用了S2387高靈敏度、較寬的光譜響應(yīng)范圍和A/D芯片MAX1304高精度的優(yōu)勢，改善了激光能量的測量準確度。系統(tǒng)操作簡單、快速和準確，通過實驗數(shù)據(jù)表明，本激光能量檢測系統(tǒng)準確、可靠，可對0～300μJ微弱能量信號準確測量。

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Research on Weak Laser Energy Detection System

WANG Qi1，WANG Xiaoman1，ZHAO Haili1，LIU Peng2，LI Zhigang1，ZHANG Liyuan1
（1.School of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2. Fundammontal Science on Space-ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Abstract：The paper designs a laser energy detection system based on photoelectric method. The system uses a PIN photodiode to detect laser energy. Some operational amplifiers composed of signal conditioning module in system. The system also uses high-speed A/D converter to complete data collection and MCU to process data. The experimental results show that the energy level in the μJ，the system of inaccuracy is 5%. And the test laser spectral range is wide，can achieve visible light to near infrared wavelengths. The program achieves an accurate measurement of weak laser energy.

Key words：weak laser energy；photodetector；photodiode；operational amplifiers

中圖分類號：TN29

文獻標識碼：A

文章編號：1672-9870（2016）02-0062-05

收稿日期：2015-09-20

基金項目：總裝靶場測試項目（KYC-XZ-XM-2014-015）

作者簡介：王奇（1989-），男，碩士研究生，E-mail：wq_welcome@163.com

通訊作者：王曉曼（1956-），女，教授，博士生導師，E-mail：wmftys@126.com