王開元 王寶玉 任華軍

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450000）

0 引言

近些年隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，我國目前已開展了多個(gè)激光武器系統(tǒng)研制項(xiàng)目，針對(duì)激光信號(hào)測(cè)量及性能指標(biāo)評(píng)估的需求也越來越高。脈沖激光信號(hào)測(cè)量靶板主要功能就是測(cè)量脈沖激光信號(hào)的光斑強(qiáng)度、光斑分布等信息，進(jìn)而測(cè)量到激光器信號(hào)的發(fā)散角、近遠(yuǎn)場(chǎng)能量密度分布[1]。對(duì)激光信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量主要有測(cè)量精度和測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍兩個(gè)重要指標(biāo)，如何在保證測(cè)量精度的前提下增加測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，是脈沖激光測(cè)量靶板的要求研究方向。

1 激光強(qiáng)度常見測(cè)試方法

1.1 激光信號(hào)脈寬測(cè)量

激光信號(hào)脈沖測(cè)量是利用放大后的激光信號(hào)的脈沖寬度來測(cè)量激光信號(hào)的強(qiáng)度，一般情況下激光信號(hào)的脈寬越寬強(qiáng)度也越大。脈寬測(cè)量的原理框圖如圖1所示，激光信號(hào)通過探測(cè)器轉(zhuǎn)為電信號(hào)，電信號(hào)通過濾波電路、放大電路、門限判決電路最終輸出為脈沖信號(hào)。

圖1 激光脈寬信號(hào)測(cè)量原理框圖

激光信號(hào)脈寬測(cè)量這種方式電路比較簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍比較寬，可以達(dá)到近80 dB，但是由于運(yùn)放飽和電壓的限制，這種測(cè)量方式測(cè)量精度不高。如圖2所示，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過放大器后沒有飽和，最終輸出的脈寬信號(hào)與激光信號(hào)強(qiáng)度是線性變化的；然而當(dāng)信號(hào)經(jīng)過放大器后飽和，最終輸出的脈寬信號(hào)與激光信號(hào)強(qiáng)度成正比，但非線性變化，這種情況下就需要對(duì)脈寬信號(hào)和激光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定，這種標(biāo)定工作量大，而且最終得到的精度也不高。

圖2 激光脈沖信號(hào)波形圖

1.2 激光信號(hào)單級(jí)幅度測(cè)量

激光信號(hào)單級(jí)幅度測(cè)量是由接收光學(xué)系統(tǒng)、光電檢測(cè)電路、峰值保持電路等組成。激光信號(hào)源發(fā)出的激光信號(hào)經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)匯聚后入射到光電探測(cè)器光敏面，經(jīng)光電效應(yīng)將光能量轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，并經(jīng)放大得到光能量所對(duì)應(yīng)的電壓值，再經(jīng)整形、峰值保持等處理輸出得到該探測(cè)器點(diǎn)對(duì)應(yīng)的能量值。如圖3所示，激光信號(hào)單級(jí)幅度測(cè)量這種方式測(cè)量精度高，但是受運(yùn)放飽和電壓的影響，測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍比較小，一般情況下為20 dB左右。

圖3 單級(jí)放大短波紅外探測(cè)單元原理框圖

2 基于對(duì)數(shù)放大的脈沖激光測(cè)試靶板

大多數(shù)線性放大器可用的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍通常小于20 dB，對(duì)于激光強(qiáng)度測(cè)量來說太小了。而對(duì)數(shù)放大器相對(duì)于線性放大器具有更寬的動(dòng)態(tài)范圍[2]，用對(duì)數(shù)放大器代替線性放大器應(yīng)用在脈沖激光測(cè)試靶板中，既可以保證測(cè)量精度，也可以大幅增加測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。圖4為基于對(duì)數(shù)放大的脈沖激光測(cè)試方式。

圖4 基于對(duì)數(shù)放大的脈沖激光測(cè)試原理框圖

3 對(duì)數(shù)放大電路設(shè)計(jì)

3.1 光電轉(zhuǎn)換器

光電轉(zhuǎn)換由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)被測(cè)光照射到光探測(cè)器上時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的光電流，即將光信號(hào)轉(zhuǎn)成電流信號(hào)。不同波長的光作用于同一種半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率不同，不同材料的半導(dǎo)體對(duì)波長的響應(yīng)范圍也是不同的。目前使用的PIN管主要有Si、Ge、InGaAsP和InGaAs四種材料，不同的材料相應(yīng)的波段也不同，本次考慮到本光功率計(jì)的探測(cè)范圍要覆蓋1 060 nm波長區(qū)域，因此應(yīng)該選用InGaAs材料制成的光檢測(cè)器。在此設(shè)計(jì)中，選用的是InGaAs（GD3561T）光電二極管[3]，它具有超低的暗電流、高靈敏度等特性。

3.2 對(duì)數(shù)放大電路

激光信號(hào)一般多為ns級(jí)別的脈沖信號(hào)，因此，對(duì)數(shù)放大器要具有較高的增益帶寬積。AD8304是一款基于連續(xù)壓縮技術(shù)的對(duì)數(shù)放大器，該對(duì)數(shù)放大器提供92 dB的動(dòng)態(tài)范圍，即使在100 MHz的頻率下仍能提供88 dB的動(dòng)態(tài)范圍[4]。AD8304采用先進(jìn)的跨導(dǎo)線性技術(shù)，可提供多樣、易用的極寬動(dòng)態(tài)范圍，它有專門的光電二極管接口，內(nèi)部集成了溫度補(bǔ)償電路，提高了轉(zhuǎn)換精度。對(duì)數(shù)放大器的輸出電壓值Vout和被測(cè)功率值P的關(guān)系如下[5-6]：

式中，K1和C1由外圍電路決定為常數(shù)；IZ是GD3561T的截止電流；IS和PPD是GD3561T的輸出電流和功率值。

由公式（1）可知，輸出電壓和被測(cè)光功率為線性關(guān)系。圖5為AD8304的電路原理圖。

圖5 AD8304電路原理圖

4 結(jié)語

利用對(duì)數(shù)放大器動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，將對(duì)數(shù)放大器應(yīng)用在脈沖激光測(cè)量靶板中，既滿足了激光測(cè)量靶板測(cè)試精度的要求，又滿足了激光測(cè)量靶板動(dòng)態(tài)范圍廣的要求。

[1]張顯國.靶場(chǎng)外測(cè)設(shè)備檢測(cè)方法研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2005.

[2]王志剛.現(xiàn)代電子線路（下冊(cè)）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3]中國電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所.產(chǎn)品手冊(cè)[Z]，2017.

[4]Analogy Devices公司.AD8304數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z]，2002.

[5]雷越辰，余葭穎.基于AD8304對(duì)數(shù)放大器的開放型數(shù)字式光功率計(jì)[J].科技視界，2012（20）：47-48.

[6]楊浩，劉譯文，趙笠錚，等.基于AD8304對(duì)數(shù)放大器的高精度光功率計(jì)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2015，13（4）：217-218.