摘要:為了直接測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)激光光斑,設(shè)計(jì)開(kāi)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(guò)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(guò)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。
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(mǎn)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(zhuān)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(guò)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(wú)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(wú)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)鲆娣糯蟆/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)
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。
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