數字激光告警系統探測接收前端設計
加入技術(shù)交流群
激光技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，激光武器已從理論走向實(shí)踐。激光武器的大量出現帶來(lái)了日益嚴峻的威脅，激光告警設備對激光來(lái)襲的探測與預報是激光對抗的基本手段。如何從復雜的環(huán)境下探測判斷激光來(lái)襲信號是告警系統面臨的首要任務(wù)。隨著(zhù)數字技術(shù)的發(fā)展，處理速度的不斷提高，采用數字技術(shù)如FPGA等來(lái)處理告警信號成為可能。
文章針對數字激光告警系統而設計的探測接收前端，主要目的是探測一定波段的來(lái)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(dòng)態(tài)范圍達到100 dB。設計中采用高靈敏度的激光探測二極管，得到激光來(lái)襲信號的脈沖電流，在最小脈沖作用下系統等效帶寬400 MHz以上，通過(guò)大帶寬、低噪運算放大器工作在跨導放大模式下進(jìn)行放大和電流電壓變換，再通過(guò)放大整形后得到數字電路能識別的脈沖信號，從而根據脈沖寬度判斷來(lái)襲激光信號的強度等信息。由于窄脈沖對系統中的電容敏感，采用ADS仿真方式確定了各級電容的大小，仿真與測試結果顯示接收前端具有高的探測靈敏度、大的動(dòng)態(tài)范圍、能為后處理的數字系統提供準確的來(lái)襲信號特性。系統提出的用寬帶跨導運算放大電路代替傳統的專(zhuān)用三極管來(lái)放大微弱窄脈沖的方式，具有帶寬寬(500 MHz)，成本低的特點(diǎn)，為放大微弱的ns級及以下的窄脈沖電流信號提供一個(gè)很好的寬帶方案，同時(shí)系統結構簡(jiǎn)單，適應環(huán)境能力強，易于維護。
1 探測接收前端方案設計與仿真
根據后端數字系統要求，需要把來(lái)襲的激光信號通過(guò)光電探測二極管變換成數字系統能處理的數字脈沖。由于光電二極管在激光信號的作用下產(chǎn)生的是一個(gè)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(mǎn)足這一要求采用500．MHz的大帶寬的運算放大器擔任放大作用，并完成電流與電壓的轉換，得到脈沖電壓。由于在來(lái)襲信號較低時(shí)或過(guò)大時(shí)，脈沖信號都達不到數字信號需要的電壓，需要進(jìn)行的整形與放大，以期達到數字系統常規電壓的標準(高電壓5～3．3 V，低電壓為2．1～0 V)，系統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(lái)實(shí)現數字電壓整形?？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值，在A(yíng)DS(Ad-vatreed Design System)軟件中采用瞬態(tài)仿真方法進(jìn)行系統仿真，圖2為仿真電路拓撲圖。根據系統最小檢測要求以及光電管原理特征，在A(yíng)DS軟件中用脈沖電流源、電阻與電容并聯(lián)模型代替實(shí)際的光電管在激光作用下產(chǎn)生脈沖電流的模型，如圖3中所示的電路參數設置是采用最小的來(lái)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，對應的端口電流仿真波形如圖4所示。系統中放大器采用低噪聲高增益帶寬積(500 MHz)的運放實(shí)現放大，仿真了在來(lái)襲激光不同光能量作用下的系統輸出波形，不同來(lái)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(lái)表示。結果如圖5～圖7所示。從結果可以看出該放大方式能得到數字脈沖，輸出的脈沖寬度與來(lái)襲激光的功率成正比。系統不僅能判斷出有無(wú)來(lái)襲激光，還可以計算出來(lái)襲激光能量大小。
評論