PSD激光探測功率對給定目標回波信號影響的研究

樊國耀 方園園 郭鼎

西安工業大學電子信息工程學院，陜西西安 710021

關鍵字：PSD探測器；給定目標；探測方程；激光脈沖。

0 前言

位置敏感探測器（Position Sensitive Detector，PSD）是一種基于橫向光電效應的光電探測器，具有高分辨力、良好的瞬態響應、緊湊的結構以及簡單的信號處理電路等特點，被廣泛應用在激光探測、目標位置移動距離與目標定位[1]。目前，國內外對于PSD探測器的研究主要包括探測器的輸出特性和參數分析，而對于激光回波功率對PSD的影響研究較少。

本文以激光近炸引信目標探測信號為研究對象，開展數學建模和實驗進行參量分析。PSD探測器的輸出情況跟脈沖激光的照射功率密切相關，因此，本文主要是根據擴展目標接收功率公式，仿真探測脈沖激光系統中光束照射在給定目標表面之后，通過分析其回波功率的大小與探測距離、目標表面法線與接收系統光軸間的夾角、傳輸反射率之間的關系對PSD探測器的輸出電流的影響。由于探測器的輸出電流信號很微弱，只有幾微安到幾十微安[2]，因此對微弱電流信號的處理至關重要。激光對不同目標的回波信號進行實驗驗證，觀察信號處理后的電壓信號大小以及分析其原理，這對于PSD探測器在激光探測系統中的研究提供理論支撐。

1 脈沖激光探測系統建模及分析

1.1 系統邏輯模型的建立

脈沖激光探測系統仿真邏輯模型示意圖如圖1所示。脈沖激光探測系統主要包括四大模塊，分別為：激光發射模塊、激光接收模塊、光學系統模塊、信號處理模塊[3]。其探測原理是基準信號發生器產生了相關的脈沖信號后，通過激光器發出激光束；通過光學系統之后，發射光束經過大氣介質到達目標表面；通過目標物體表面發生漫反射；通過聚光透鏡后產生的回波信號通過空氣中；最后通過接收光學系統入射到光電位置敏感探測器的光敏面上。探測器可以將光信號轉化為相應的電流信號[4]，不同功率的信號以及在探測器表面的不同位置的激光光斑使得輸出的電流不同，對影響其的因素進行理論研究、仿真分析、實驗驗證。

1.2 PSD探測器響應機理分析

PSD探測器的工作原理是基于橫向光電效應[5]。橫向光電效應是指當半導體PN結或者金屬結—半導體結的一面受到非均勻的輻照時[6]，平行于結的一面出現電勢差的現象。PSD由3層構成，最上一層是P層，下層是N層，中間插入一較厚的高阻I層，形成P—I—N結構，其結構原理如圖2所示，其中Io為光能量產生的光電流；I1和I2是Io沿P層被分為I1和I2兩部分輸出，XA是入射光點到光斑中心位置的距離，L為光斑中心到兩極的距離。

電極輸出的光電流反比于入射光位置到各自電極之間的距離[7]，光電流I1和I2可以用下面兩種方式表示：

（1）當坐標原點選在PSD中心時：

（2）當坐標原點選在PSD一端時：

由結構原理圖可知，探測器將激光反射的光能轉換為電流信號流入到探測器兩極之間，當激光光斑照射在探測器的不同位置時，其兩極輸出的電流I1和I2不同，但是兩者之和等于輸出電流Io，即：

1.3 激光回波功率模型與光電轉換模型

脈沖激光波長660 nm，輸出功率10 mW，照射到墻面上的反射光束通過聚光透鏡之后匯聚成一個光斑點，該光斑點照射在PSD探測器表面。利用數學建模解算出探測器的接收功率大小（即回波功率），通過建模計算探測器接收到激光照射在給定墻面的反射光束通過聚光透鏡的回波功率的大小[8]，為PSD探測器信號處理電路的搭建提供理論基礎。

對于擴展目標，發射的激光光斑全部落在目標上，并位于接收視場內，入射光照射在目標上，發生漫反射，反射光進入PSD光敏面的光路圖如圖3所示。

根據激光雷達的接收功率方程[10]可得發生漫反射時的接收功率公式為：

其中，R為目標到探測器之間的距離（m）；θt為激光束散角；σexp為激光目標截面積；ρexp為目標的平均反射系數（MRC）；Pt為激光發射功率；Pr為目標接收功率；D為接收裝置孔徑；ηAtm為激光在大氣中的單程傳輸系數；ηsys為接收光學系統的透過率；θnorm為目標表面法線與接收激光光軸間的夾角。

由式（4）可知，回波功率的大小和激光發射功率的大小成正比，已知激光發射功率為Pt=10 mW，給定墻面的反射系數為ρexp=60%，設接收光束的光學系統孔徑為D=35 mm，設目標到激光發射器之間的距離為R=2 m，激光在大氣中的單程傳輸系數ηAtm=83.75%，光學系統的透過率ηsys=90%，目標表面法線與接收系統光軸間的夾角θnorm=0°。通過以上給定的參數值帶入到式（4）中得：

由于PSD探測器的響應度re=I/P= 0.56A/W，則目標反射的光點產生的光電流為：

通過計算得知，回波功率為45.9 μW，探測器輸出的電流大概為25.54 μA，入射到PSD探測器的輸出電流與輸入的激光功率有必然的關系。

1.4 激光目標回波信號仿真分析及驗證

為指導探測系統設計，首先需要分析探測模型中各參量變化對探測器可接收回波信號的影響，從而推斷探測信號重要影響因子，以此為依據進行探測系統最優化參數設置[11]。

本文按照探測系統的技術指標要求和初步設計的電路工作參數，在特定條件下進行仿真，觀察仿真回波功率和探測電壓信號的變化規律及變化幅度，分析探測系統各參變量的相互影響。首先考慮光束軸線與被探測平面法線夾角對回波功率和探測電壓的影響。當夾角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°時，其回波功率和探測電流仿真曲線如圖4所示；同樣條件下，改變目標反射系數，其回波功率和探測電流仿真曲線如圖5所示。

由圖4、圖5可知，目標的平均反射系數ρ越大，反射得到的回波功率越大，探測器的輸出電流越大。隨著探測距離的增加，激光的功率相應地會損失一部分，回波功率變小，由于PSD探測器的響應靈敏度一定，回波功率大小和探測器的輸出電流成正比。從曲線總體趨勢來看，距離越近，幅度下降越迅速；在一定距離以外，回波功率和電流值都很低，降幅不明顯。法線夾角θ從0°到75°變化時，目標到探測器距離相同，夾角越大，回波功率越小，由于夾角越大，激光照射在探測器表面的光功率會損失一部分，回波功率也變小。由于探測電流信號的大小跟回波信號功率大小成正比，因此回波功率仿真曲線和探測電流仿真曲線變化比較接近。

2 仿真驗證

根據以上的仿真圖以及探測電流的輸出結果，在Multisim電路仿真軟件中選擇合適的轉換電路和放大電路，使得輸出結果在一個穩定的范圍之內。輸入電流0～10 μA，通過調理電路之后，使得輸出電壓信號在0～4 V之間，具體情況如圖6所示。

如圖7所示，通過信號處理電路觀察輸出電壓的情況，該電路是通過兩級放大，前一級通過反向比例放大電路將電流信號轉換為電壓信號，后一級采用 “T”型放大器，“T”型反饋網絡來檢測微弱電流，可以減小反饋電阻，有效提高電路的靈敏度和精度。利用電路仿真軟件驗證，當輸入電壓分別為1 μA、 5 μA、10 μA時，經過轉換電路和放大電路選擇電阻值，確定適當的放大倍數，得到輸出電壓分別為156 mV、756 mV、1.5 V。當采用硬件進行實驗驗證時，根據輸出的電壓信號就可以計算出探測器兩極的輸出電流，具體情況如下所述。

3 實驗驗證

搭建硬件電路，包括激光脈沖發射模塊、角度調節裝置、探測器的信號處理模塊，當從不同角度照射或者激光光斑直接照射在探測器表面不同位置時，觀察探測器的輸出情況，如圖8所示。

觀察光束軸線與被探測平面法線夾角θ對PSD探測器兩極電流I1和I2輸出的影響，當入射角度相同時，光斑照射在探測器不同位置，其兩個電極的輸出電流通過信號處理電路轉換成電壓信號（單位：V），具體情況如表1所示。

由表1得出的數據可知：當θ= 0°時，輸出電流之和最大；當θ逐漸變大，輸出的電流值逐漸變小，兩極的輸出電流也將會逐漸變小（照射在探測器的同一個位置），與理論值相符合。

表1 入射角度和照射位置對探測器輸出的影響（ρ=0.8，R=2 m）

硬件實驗平臺主要包括：激光器、PSD探測器、信號處理電路、光學聚光鏡、示波器、不同材料背景。當激光分別照射在不同目標表面（鏡面、不銹鋼、地磚、墻面、塑料）后反射到探測器表面，通過信號處理后輸出電壓值，用示波器觀察輸出結果如圖9所示。

由圖9可知，探測功率和探測角度相同時，由于激光照射在不同材料目標表面上激光束的反射率不同，使照射不同目標表面通過聚光透鏡反射到PSD探測器表面的回波功率不同，探測器兩極的輸出電流大小也不相同，通過信號處理電路輸出電壓分別為4.56 V、3.77 V、3.17 V、2.33 V、1.88 V。激光發射功率Pt=10 mW，根據激光回波功率公式進行仿真，圖10（a）是不同目標反射的回波功率仿真曲線圖，圖10（b）是激光照射在探測器中間位置輸出微弱電流通過信號處理電路之后輸出的電壓值仿真圖，激光照射在不同物體表面之后輸出的電壓信號和仿真探測電壓基本符合，其變化規律基本一致。

4 結束語

本文分析了近距離激光探測系統的回波模型和仿真參數變化對激光回波信號的影響，驗證了不同光束入射角以及光斑照射在探測器不同位置時輸出電流的情況。根據實驗結果可得，入射角度和光斑位置影響兩個電極的輸出電流，入射角度影響兩個電極的輸出電流之和，其隨著角度的增大而減小。對回波功率和探測器輸出電流進行仿真，回波信號仿真數據和曲線與實際探測試驗數據規律相吻合。通過硬件實驗平臺對不同目標的回波信號進行實驗驗證，由于不同目標激光反射率不同，其輸出信號也不同，該激光探測系統可以通過回波信號大小的差異來區分具有不同材料的目標。