激光光斑測量系統的電路設計與實(shí)現

摘要：為了直接測量遠場(chǎng)激光光斑，設計開(kāi)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。針對熱釋電探測器噪聲特性，將探測器響應信號通過(guò)前置放大、增益放大、峰值保持、A／D采集等電路處理，最后由主控計算機存儲光斑信息，并對光斑圖像進(jìn)行分析處理。通過(guò)實(shí)際的遠場(chǎng)激光測試實(shí)驗，驗證了該設計能夠有效測量遠場(chǎng)激光光斑。
關(guān)鍵詞：遠場(chǎng)激光光斑；熱釋電探測器；自極化效應；差分電路

0 引言
激光武器裝備的作戰效能直接取決于發(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，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的激光能量，不能滿(mǎn)足在遠場(chǎng)對激光武器光束質(zhì)量的檢測。遠場(chǎng)激光的檢測必須采用專(zhuān)用的方法和設備。目前，遠場(chǎng)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(guò)探測器后續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(diǎn)研究探測器陣列測量系統中的硬件電路設計。

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(wú)外部機械力或電場(chǎng)的作用時(shí)，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(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。
鉭酸鋰熱釋電探測器具有溫度穩定性高、環(huán)境溫度適應范圍寬、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。該探測器噪聲主要是由電子無(wú)規則熱運動(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；T是導體或電阻的絕對溫度(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)噪聲對大信號影響不大，但對微弱信號會(huì )產(chǎn)生較大的干擾。所以在設計電路時(shí)要對探測器的噪聲進(jìn)行嚴格控制。

2 激光光斑測量系統的電路設計
激光光斑測量系統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(diǎn)對應的激光參數。

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(guò)程中，噪聲也同時(shí)被放大，在滿(mǎn)足最小10 mV的前提下應盡量減少放大倍數。因此，取系統信噪比SNR=3。

為保證輸出信號有足夠的電壓值，根據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(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，在該設計中放大器采用了儀表用高精度線(xiàn)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。