激光光斑測量系統的電路設計與實現

摘要：為了直接測量遠場激光光斑，設計開發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。
關鍵詞：遠場激光光斑；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，不能滿足在遠場對激光武器光束質量的檢測。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生變化，從而產生電荷流動，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定性高、環境溫度適應范圍寬、頻率范圍寬等優點，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則熱運動產生的熱噪聲。
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，經熱釋電效應將光能量轉換成電脈沖信號，再經峰值保持、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。

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。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的動態范圍。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。