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測試測量

激光光斑測量系統(tǒng)的電路設計與實現(xiàn)

星之球科技 來源:現(xiàn)代電子技術(shù)2011-07-29 我要評論(0 )   

摘要:為了直接測量遠場激光光斑,設計開發(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,將探測器響應信號通過前置放大、增益放大、峰...

摘要:為了直接測量遠場激光光斑,設計開發(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工作的,具有熱電效應。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:

  約翰遜噪聲

  式中:k是玻爾茲曼常數(shù);T是導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)的電路設計

  激光光斑測量系統(tǒng)的電路設計框圖如圖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的激光參數(shù)。

激光光斑測量系統(tǒng)的電路設計框圖

  2.1 信噪比選取及放大電路設計

  熱釋電探測器由晶體的極化效應產(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10 mV的前提下應盡量減少放大倍數(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30 dB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。

差分電路

 

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