0 引 言

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?qū)嵺`。激光武器的大量出現(xiàn)帶來(lái)了日益嚴(yán)峻的威脅，激光告警設(shè)備對(duì)激光來(lái)襲的探測(cè)與預(yù)報(bào)是激光對(duì)抗的基本手段。如何從復(fù)雜的環(huán)境下探測(cè)判斷激光來(lái)襲信號(hào)是告警系統(tǒng)面臨的首要任務(wù)。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，處理速度的不斷提高，采用數(shù)字技術(shù)如FPGA等來(lái)處理告警信號(hào)成為可能。

文章針對(duì)數(shù)字激光告警系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的探測(cè)接收前端，主要目的是探測(cè)一定波段的來(lái)襲激光信號(hào)，具有高的靈敏度，可探測(cè)的最小激光能量達(dá)到1μW，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到100 dB。設(shè)計(jì)中采用高靈敏度的激光探測(cè)二極管，得到激光來(lái)襲信號(hào)的脈沖電流，在最小脈沖作用下系統(tǒng)等效帶寬400 MHz以上，通過(guò)大帶寬、低噪運(yùn)算放大器工作在跨導(dǎo)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(shù)字電路能識(shí)別的脈沖信號(hào)，從而根據(jù)脈沖寬度判斷來(lái)襲激光信號(hào)的強(qiáng)度等信息。由于窄脈沖對(duì)系統(tǒng)中的電容敏感，采用ADS仿真方式確定了各級(jí)電容的大小，仿真與測(cè)試結(jié)果顯示接收前端具有高的探測(cè)靈敏度、大的動(dòng)態(tài)范圍、能為后處理的數(shù)字系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的來(lái)襲信號(hào)特性。系統(tǒng)提出的用寬帶跨導(dǎo)運(yùn)算放大電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用三極管來(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(jí)及以下的窄脈沖電流信號(hào)提供一個(gè)很好的寬帶方案，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，易于維護(hù)。

1 探測(cè)接收前端方案設(shè)計(jì)與仿真

根據(jù)后端數(shù)字系統(tǒng)要求，需要把來(lái)襲的激光信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)二極管變換成數(shù)字系統(tǒng)能處理的數(shù)字脈沖。由于光電二極管在激光信號(hào)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(jì)算放大電路的頻帶需大于400 MHz，為滿足這一要求采用500．MHz的大帶寬的運(yùn)算放大器擔(dān)任放大作用，并完成電流與電壓的轉(zhuǎn)換，得到脈沖電壓。由于在來(lái)襲信號(hào)較低時(shí)或過(guò)大時(shí)，脈沖信號(hào)都達(dá)不到數(shù)字信號(hào)需要的電壓，需要進(jìn)行的整形與放大，以期達(dá)到數(shù)字系統(tǒng)常規(guī)電壓的標(biāo)準(zhǔn)(高電壓5～3．3 V，低電壓為2．1～0 V)，系統(tǒng)中采用把接收信號(hào)一直放大到使其后級(jí)放大電路飽和的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓整形。總體方案如圖1所示，放大器后波形要求如圖中每級(jí)后的圖示；最后把光電管探測(cè)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(tǒng)最小信號(hào)帶寬很寬、脈沖電流微弱，對(duì)電路中電容元件敏感，為了得到具體的參數(shù)值，在ADS(Ad-vatreed Design System)軟件中采用瞬態(tài)仿真方法進(jìn)行系統(tǒng)仿真，圖2為仿真電路拓?fù)鋱D。根據(jù)系統(tǒng)最小檢測(cè)要求以及光電管原理特征，在ADS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(shù)設(shè)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(duì)應(yīng)的端口電流仿真波形如圖4所示。系統(tǒng)中放大器采用低噪聲高增益帶寬積(500 MHz)的運(yùn)放實(shí)現(xiàn)放大，仿真了在來(lái)襲激光不同光能量作用下的系統(tǒng)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(jié)果如圖5～圖7所示。從結(jié)果可以看出該放大方式能得到數(shù)字脈沖，輸出的脈沖寬度與來(lái)襲激光的功率成正比。系統(tǒng)不僅能判斷出有無(wú)來(lái)襲激光，還可以計(jì)算出來(lái)襲激光能量大小。

2 接收前端電路實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述仿真結(jié)果，選用中電集團(tuán)第44所生產(chǎn)的GD3561光電探測(cè)器為激光探測(cè)二極管，最小可檢測(cè)能量1μw，最小響應(yīng)時(shí)間2．5 ns。第一級(jí)采用形式跨導(dǎo)放大方式，器件與放大中間級(jí)均使用BB司的寬帶、低噪聲運(yùn)放芯片OPA656，增益帶寬積達(dá)到500 MHz，8 ns的電壓建立時(shí)間，輸入噪聲18 nV／Hz；整形電路采用AD8611，具有4 ns極短的延遲時(shí)間，系統(tǒng)具體電路見(jiàn)圖8。

測(cè)試采用10 000 w的激光光源，波長(zhǎng)為1．3μm，通過(guò)光學(xué)衰減器，衰減100 dB可以達(dá)到系統(tǒng)需要的最小功率1μw，輸出端用高速示波器TDS460來(lái)捕捉輸出的脈沖信號(hào)，結(jié)果見(jiàn)圖9～圖12。

圖9表示在1 μw的激光能量作用下，光電管兩端的瞬時(shí)電壓脈沖，可以看出，在最小功率作用下，產(chǎn)生的電壓、電流脈沖時(shí)間短，峰值??；圖10表示脈沖經(jīng)過(guò)系統(tǒng)放大后的具有數(shù)字脈沖波形，滿足數(shù)字電路來(lái)處理要求。圖11為1 mW的作用結(jié)果，圖12為1 w的能量作用結(jié)果?？梢?jiàn)通過(guò)系統(tǒng)的放大后得到數(shù)字電路能辨識(shí)的矩形脈沖信號(hào)，信號(hào)到來(lái)的強(qiáng)弱與輸出脈沖成正比。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到100 dB。

3 結(jié) 語(yǔ)

測(cè)試結(jié)果表明，該探測(cè)接收前端具有最低可探測(cè)1μw的來(lái)襲激光信號(hào)，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到100 dB，產(chǎn)生的脈沖波形滿足數(shù)字電路處理水平。能為后續(xù)的數(shù)字電路如FPGA電路提供準(zhǔn)確的探測(cè)信號(hào)。系統(tǒng)采用寬帶跨導(dǎo)運(yùn)算放大電路方式放大微弱的窄脈沖信號(hào)，采用在ADs軟件中仿真方式處理了窄脈沖對(duì)電容敏感的關(guān)鍵問(wèn)題，為提供微弱窄脈沖電流信號(hào)放大提供很好的方案。放大系統(tǒng)具有500 MHz的帶寬，可以放大的窄脈沖寬度可窄于ns級(jí)以下，同時(shí)價(jià)格低廉，性價(jià)比高。實(shí)際測(cè)試中，誤報(bào)率低，探測(cè)速度快，探測(cè)接收前端產(chǎn)生的噪聲低。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，不僅可用于激光來(lái)襲探測(cè)，也可用于激光安防系統(tǒng)等。