微弱激光能量監測系統的研究

王奇，王曉曼，趙海麗，劉鵬，李志剛，張立媛

（1.長春理工大學　電子信息工程學院，長春　130022；2.長春理工大學　空地激光通信技術國防重點學科實驗室，長春　130022）

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微弱激光能量監測系統的研究

王奇1，王曉曼1，趙海麗1，劉鵬2，李志剛1，張立媛1

（1.長春理工大學電子信息工程學院，長春130022；2.長春理工大學空地激光通信技術國防重點學科實驗室，長春130022）

摘要：設計了一種基于光電法的微弱激光能量檢測系統。采用PIN光電二極管作為能量檢測系統的探頭，利用多級運算放大電路完成了信號的I/V變換、放大和保持，并通過數模轉換器和微處理器采集、處理和輸出數據。實驗結果表明，測量能量在微焦級時，系統的不準確度為5%。該方案實現了微弱激光能量的準確測量。

關鍵詞：微弱激光能量；光電檢測；光電二極管；運算放大器

近年來光電檢測技術的快速發展使得在激光武器測試中對遠場微弱激光能量測量的準確度要求越來越高。在遠場弱激光能量的測量上，光熱法由于受到吸收體材料和環境影響等因素的限制，使得測量精度降低、響應時間變慢，無法滿足靶場測試要求。本文利用光電測量法實現了微弱激光能量的檢測。

光電法是指選用高靈敏度的光電探測器作為傳感器件，經光電轉換后輸出與入射激光的能量成正比的電信號，以實現對激光能量的測量［1］。該法具有高準確度、響應靈敏、體積小、成本低的優點。

1　微弱激光能量檢測系統設計

1.1激光能量測量原理

光電二極管有良好的光電特性，其輸出光電流與光敏面上的輻射光通量成線性關系：

式中：ip—光電二極管光電流；S—為光電二極管靈敏度；φ—光通量。

由光能量和光通量的關系可知：

式中：Qv—光能量。

由上述（1）式和（2）式可得到光能量和光電二極管光電流關系：

因此對能量的測量即變為對一定時間內的電流量的測量，通常我們習慣把電流量轉換為電壓量進行測量，根據I∝U可知：

式中，Kr為系統激光能量系數，Up為積分后的電壓值，最后通過與標準能量計標校，得到準確的Kr，便可得到準確的能量值。

1.2系統總體方案設計

系統檢測的激光波長為1064nm、脈沖寬度為30ns，頻率為20Hz，到達系統的能量在微焦級。系統設計針對微弱激光脈沖信號的測量要求，綜合采用I/V變換、積分放大、峰值保持、A/D轉換多種信號處理技術，從而保證足夠的響應度和穩定性。

圖1　激光能量檢測系統總體框圖

微弱激光能量檢測系統設計為內觸發工作方式，總體框圖如圖1所示，主要由光電探測器、信號處理單元、數據處理單元和上位機操控軟件組成。激光脈沖信號經過光電探測器轉換為電流信號［2，3］，然后經由信號調理電路變換、積分、放大和保持。經調理并放大到可測量幅度要求的電壓信號通過ADC轉換為數字量送給微處理器處理，最后將得到的能量值發送到上位機顯示。

1.3系統中各單元設計

1.3.1光電探測器選型

由于所測信號為微弱的激光窄脈沖信號，為了保證系統的準確度，必須要求光電探測器的光電轉換特性與入射輻射成正比，而且還應具有小的噪聲系數、良好的動態響應、較好的靈敏度以及可長期工作的穩定可靠性［4］。根據系統檢測的激光波長為1064nm、脈沖寬度為50ns，頻率為20Hz，到達系統的能量在微焦級，系統選用PIN光電二極管S2387-1010R，在可見光至近紅外范圍內它具有高線性、高靈敏度、低噪聲功率、大的感光面，非常適用于設計光測量裝置，其光譜特性及參數如圖2和表1所示。1μJ，則通過光敏面的輻射光功率為：φ=Qt = 0.02mW，光電二極管產生的光電流為：i=S?φ= 6.6μA，所產生的最小光電流遠大于光電二極管的暗電流，且最小輻射功率也遠大于S2387-1010R在20Hz時的噪聲功率，因此S2387-1010R可以滿足系統的測量要求。

圖2　S2387-1010R光譜響應曲線

表1　S2387-1010R主要參數

1.3.2信號調理電路設計

S2387光電二極管產生的電流信號比較微弱的，因此，設計了調理電路將其進行適當的放大，以滿足后期處理電路測量幅度的要求［6］，為保證測量精度和測量寬度，調理電路設計為1500倍的放大倍數。調理電路如圖3所示，分為I/V變換、積分變換、二級放大、峰值保持、電壓跟隨和觸發電路六部分。

圖3　信號調理電路

根據激光能量測量原理，系統電路中需要設計有積分電路，對I/V變換后的電壓值做積分采集，要求積分時間要大于信號的脈沖寬度50ns。圖3中U2A為系統的積分電路，積分時間為：τ=R2?C2= 100ns，滿足系統要求。為了減小誤差和提高直流負反饋穩定的偏置電壓，在電容C2上并聯一個大阻值電阻，也用來防止積分漂移所造成的飽和或截止現象。在積分變換之后，對信號進行二次放大，為下一級電路提供適當的幅度。U2部分選用了高速低噪聲雙運放OPA2132，它內部使用了FET作為放大單元，只需要很小的輸入偏置電流（最大50pA），偏移誤差一般也非常小，所以在此部分電路設計時，沒有采用增加靜態平衡電阻的方法來消除偏置電流對電路的影響，以防止由于平衡電阻的原因而引入外部噪聲。

U3部分電路為跨導型峰值保持電路，其作用是對積分放大后的電壓峰值保持一段時間，保證ADC有足夠的時間采集到準確的電壓值。如圖中U3所示，跨導型峰值保持電路主要由跨導放大器（U3A）、二極管（D1，D2）、保持電容（C1）和電壓緩沖器（U3B）組成。峰值保持電路需要保持電容快速充電到峰值，要使用轉換速率高的放大器，另外，由于放大器的輸出端接有電容，還應注意負反饋的穩定性，所以本部分電路選用OPA2132，不但具有高轉換速率（20V/μs），而且雙運放具有很好的一致性。在電路中，二極管起選通開關的作用，為達到好的保持效果，要選用反向恢復時間短的二極管，保證輸出電壓到達峰值時立刻截止，減少反向電量泄露，設計中選用Schottky二極管，其導通電壓小、開關時間短。保持電容影響著電路的帶寬和反應速度，而且還要選擇介質吸收盡量小的電容，在電路制作中，選擇了22nF的聚丙烯薄膜電容。經仿真測試，所設計的保持電路的響應時間為5μs，保持時間約為13μs，無過沖現象。

U4和U5電路分別為電壓跟隨器和觸發電路。電壓跟隨器在電路中起到阻抗匹配的作用。觸發電路選用比較器LM211，其作用是給微處理器提供觸發信號，使微處理器控制ADC進行采樣，比較電路設計為回差式過零比較電路，可以有效的剔除毛刺干擾，防止誤動。

在仿真實驗中，用信號電流源替代光電二極管產生微小電流信號，其參數設置如圖4（a）所示，因為電流信號無法用示波器觀察，所以選擇U1輸出端作為觀察點，信號波形為一經放大的反向的脈沖信號（圖4（b）中U0），和最終輸出信號觀察比較（圖4（b）中Uout），得出整個放大電路放大倍數為1653倍，在實際電路中，經過觀察測試，放大倍數約為1500倍。

圖4　電路仿真

1.3.3數據處理單元

數據處理單元由微處理器和ADC組成，接口電路如圖5所示。ADC要在峰值保持的時間內采樣，才能保證數據的準確，還應具有足夠的精度。本模塊選用MAXIM推出的可編程12位精度并行輸出芯片MAX1304作為A/D轉換器［6］，并采用內部時鐘工作模式，其有0～+5V的輸入范圍，內部時鐘下仍具有非常快的采樣時間（983ksps/s，約為1μs），很小的誤差（最大INL為1LSB、DNL為0.9LSB），可以滿足系統需求。微處理器模塊選用ATMEL公司的ATMEGA128單片機，完成對MAX1304的控制、數據的讀取和處理工作。單片機使用RS422標準串口與上位機通信，完成對結果的顯示。

單片機PA口的低4位和PF口分別與MAX1304 的12個數據端口相連，其中可以通過配置低8位D0～D7來選通啟動的模擬輸入通道。上電時，在啟動轉換位CONVST（接PC0）之前配置寄存器，選擇輸入通道。寫配置時，將片選CS（接PC1）和寫使能WR（接PC2）置為低電平，然后將D0～D7位裝載到并行總線，再將WR置為高電平，數據在WR上升沿鎖存。讀數據時，在轉換結束標志位EOC（接PC5）下降沿，將CS和讀使能RD（接PC3）置為低電平，將轉換結果置于并行總線，在RD上升沿讀取數據到單片機端口寄存器。

上位機軟件使用LabVIEW編寫測控軟件，完成對下位機的控制、激光漫反射能量檢測數據的實時顯示和存儲。LabVIEW具有圖形化的操作和顯示界面，使得測試系統便于觀察和操作［7］。

圖5　數據處理單元接口電路

2　系統軟件設計與測試結果

2.1實驗測試結果

本激光能量檢測系統采用單片機微處理器控制，結合了適當的算法和硬件電路研制而成。本系統通過與標準激光能量計比對，標定出能量和電壓的比值關系Kr=146.9，通過公式：Qv=Kr?Up= 146.9Up進行換算，得出能量值。實測數據見表2，能量曲線如圖6所示，下方曲線為系統的實測曲線，上方曲線為標準能量計。

表2　激光能量檢測系統測試數據

圖6　測試數據曲線圖

從圖中可以看出，系統的準確測量范圍在0～300μJ，在此線性范圍內，系統的平均絕對誤差|ΔW| =2.35，系統的不準確度小于5%。系統的測量誤差和測量范圍主要來自于光電二極管的響應誤差、放大電路的溫漂，可以根據器件參數進行補償，提高性能。

3　結論

本激光能量檢測系統利用了S2387高靈敏度、較寬的光譜響應范圍和A/D芯片MAX1304高精度的優勢，改善了激光能量的測量準確度。系統操作簡單、快速和準確，通過實驗數據表明，本激光能量檢測系統準確、可靠，可對0～300μJ微弱能量信號準確測量。

參考文獻

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Research on Weak Laser Energy Detection System

WANG Qi1，WANG Xiaoman1，ZHAO Haili1，LIU Peng2，LI Zhigang1，ZHANG Liyuan1
（1.School of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2. Fundammontal Science on Space-ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Abstract：The paper designs a laser energy detection system based on photoelectric method. The system uses a PIN photodiode to detect laser energy. Some operational amplifiers composed of signal conditioning module in system. The system also uses high-speed A/D converter to complete data collection and MCU to process data. The experimental results show that the energy level in the μJ，the system of inaccuracy is 5%. And the test laser spectral range is wide，can achieve visible light to near infrared wavelengths. The program achieves an accurate measurement of weak laser energy.

Key words：weak laser energy；photodetector；photodiode；operational amplifiers

中圖分類號：TN29

文獻標識碼：A

文章編號：1672-9870（2016）02-0062-05

收稿日期：2015-09-20

基金項目：總裝靶場測試項目（KYC-XZ-XM-2014-015）

作者簡介：王奇（1989-），男，碩士研究生，E-mail：wq_welcome@163.com

通訊作者：王曉曼（1956-），女，教授，博士生導師，E-mail：wmftys@126.com