【文章內(nèi)容簡介】 過整形電路變成窄脈沖信號，從而產(chǎn)生激光二極管所需的脈沖電流。電路中采用功率半導(dǎo)體器作為開關(guān)器件，利用窄脈沖信號驅(qū)動功率 VMOS 器件的導(dǎo)通和截止，實現(xiàn)具有大電流窄脈沖信號來驅(qū)動半導(dǎo)體激光器發(fā)光。驅(qū)動電路有一個二極管，它的響應(yīng)速度極高，因而能有效地將負(fù)向短脈沖( 即浪涌) 短路，不致破壞半導(dǎo)體激光器。1：功率驅(qū)動電路功率放大電路如圖 2 所示，其電路由三極管、VMOS 管和二極管組成。兩個三極管組成互補(bǔ)射極跟隨器，對調(diào)制過來的脈沖信號放大后作為 VMOS 管的柵極控制電壓。射極跟隨器采用高速開關(guān)管，其少 β50,其上升下降時間17μ? VMOS 管是電壓控制元件，具有輸入阻抗高、驅(qū)動電流小、開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻小、工作電流大、熱穩(wěn)定性能好等優(yōu)點。激光器兩端反并的二極管用來消除加在激光器兩端的反向電壓，保護(hù)激光器不被反向擊穿。該電路具有易調(diào)整、波形好、可獲得較大工作電流以及發(fā)射效率高的優(yōu)點。 112233445566D DC CB BA ATitleNumber RevisionSizeBDate: 202241 Sheet of File: C:\Documents and Settings\..\ Drawn By:IND2D3Q1Q2T12VinVout GND36R1212LD51R11C14C3VCC 圖 2 驅(qū)動電路 2：脈沖整形電路9 U iU oU 1U 3U 2R xC 1 圖 3 脈沖整形電路圖 3 所示電路是由 CMOS 與非門構(gòu)成的電容微分型電路，該電路實際上是一個電容微分型單穩(wěn)態(tài)電路。通過調(diào)節(jié) Rx 電阻，改變時間常數(shù) RC 的大小，從而得到我們需要的較窄的觸發(fā)脈沖。3 激光接收機(jī)的設(shè)計激光接收模塊由光電探測器、前置放大器、主放大器及閥值檢測電路等部分組成。光電探測器將光學(xué)系統(tǒng)接收到的激光信號轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號經(jīng)放大整形后輸送給微機(jī)進(jìn)行信號處理。如圖 4 所示：回 波 信 號 主 放 大 器前 置 放 大 器光 電 探 測 器 閥 值 檢 測 信 號 處 理 系 統(tǒng) 圖 4 接收模塊原理圖從系統(tǒng)工程的角度看，其中任何一部分都直接影響整機(jī)的性能，因此都必須力求最佳化。 光電探測器的選擇光電探測器是一種把輻射能轉(zhuǎn)換成電信號的器件，是光電系統(tǒng)的核心組成部分，在光電系統(tǒng)中的作用是發(fā)現(xiàn)信號，測量信號，并隨后提取某些必要的信息。半導(dǎo)體光電探測器是六十年代以來得到迅速發(fā)展的一種輻射探測元件。它的特點是:能量分辨率高，線性響應(yīng)好，脈沖上升時間短，結(jié)構(gòu)簡單，探測效率高，操作方便，所以得到了廣泛的應(yīng)用。光電器件的選擇應(yīng)遵循以下原則:10(1)光電檢測器件必須和輻射信號源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配。(2)光電檢測器件的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射能量相匹配。首先要注意的是感光面要和照射光匹配好。(3)光電檢測器件必須和光信號的調(diào)制形式、信號頻率及波形相匹配，以保證得到?jīng)]有頻率失真的輸出波形和良好的時間響應(yīng)。這種情況主要是選擇響應(yīng)時間短或上限頻率高的器件。(4)光電檢測器件必須和輸入電路在電特性上良好地匹配，以保證有足夠大的轉(zhuǎn)換系數(shù)、線形范圍、信噪比及快速的動態(tài)響應(yīng)。基于以上要求，并考慮到實測波段范圍在 905nm 附近，故光電探測器選擇重慶光電所生產(chǎn)的低噪、高放大硅光電二極管 GT101 型，它的光敏面積大、響應(yīng)速度快、暗電流低，可以滿足大視場接收的要求。 光探測器性能參數(shù)和噪聲光探測器和其他器件一樣，有一套根據(jù)實際需要而制定的性能參數(shù)。根據(jù)這一套參數(shù)，人們就可以評價探測器性能的優(yōu)劣，比較不同探測器之間的差異，從而達(dá)到格局需要合理選擇和正確使用光探測器的目的。(1)響應(yīng)率用以表征探測器將入射光信號轉(zhuǎn)換為電信號的能力。(2)量子效率定義為一個入射光子照在器件上并產(chǎn)生一個探測器電流有貢獻(xiàn)的光電載流子對的概率。探測器的效率越高越好。(3)噪聲等效功率在實際的光電探測系統(tǒng)中，即使在探測器不加任何輻射信號時，探測器仍有一定的輸出，這是因為探測器本身存在著噪聲。這種噪聲的存在，限制了探測器對微弱光信號的探測能力，使探測器能探測到的最小入射功率受到限制。探測器輸出的信號功率與噪聲功率之比為 1 時，入射到探測器上的信號功率稱為噪聲等效功率(NEP)或最小可探測功率。(4)光譜響應(yīng)指不同波長的光輻射照到探測器光敏面時，探測器的響應(yīng)率等特征參量隨光輻射波長而變化的特性。 (5)截至波長 指響應(yīng)率下降到峰值的 50%處所對應(yīng)的波長。有時也采用響應(yīng)率降到 10%處的波長作為截至波長。 (6)響應(yīng)時間 響應(yīng)速度是描述探測器對入射輻射響應(yīng)快慢的一個特性參量。探測器的輸11出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需的時間叫做探測器的響應(yīng)時間(時間常數(shù):)。 任何一個探測器，都有一定的噪聲。也就是說攜帶信息的信號在傳輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)中不可避免地受到各種干擾而使信號發(fā)生某種程度的畸變，在它輸出端總是存在著一些毫無規(guī)律、事先無法預(yù)知的電壓起伏。通常把這些非有用信號的各種干擾統(tǒng)稱為噪聲，噪聲是限制檢測系統(tǒng)性能的決定性因素。實現(xiàn)微弱光信號的探測，就是從噪聲中如何提取信號的問題。根據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光探測器的噪聲大致分為散粒噪聲、產(chǎn)生一復(fù)合噪聲、光子噪聲、熱噪聲和低頻噪聲等。(1)散粒噪聲光電發(fā)射材料表面光電子的隨機(jī)發(fā)射或半導(dǎo)體內(nèi)光生載流子的隨即產(chǎn)生和流動，引起探測器輸出電流的起伏，這種由光激發(fā)載流子的本征擾動產(chǎn)生的電流起伏稱為散粒噪聲，又稱量子噪聲。這是許多光電探測器，特別是光電倍增管和光電二極管中的主要噪聲源。(2)產(chǎn)生復(fù)合噪聲在沒有光照的情況下，在半導(dǎo)體體內(nèi)的平衡過程實際上是一種動態(tài)平衡過程。由于載流子的產(chǎn)生、復(fù)合過程的隨機(jī)性，自由載流子濃度總是圍繞其平均值漲落，引起電導(dǎo)率的起伏，因而導(dǎo)致外回路電流或電壓的起伏。這種由體內(nèi)的光生載流子隨機(jī)產(chǎn)生和復(fù)合的過程引起的噪聲稱為產(chǎn)生復(fù)合噪聲。(3)光子噪聲當(dāng)用光功率恒定的光照射探測器時，由于它實際上是光子數(shù)的統(tǒng)計平均值，每一瞬時到達(dá)探測器的光子數(shù)是隨機(jī)的。因此光激發(fā)的載流子一定也是隨機(jī)起伏的，也要產(chǎn)生起伏噪聲，即散粒噪聲。因為這里強(qiáng)調(diào)光子起伏，故稱為光子噪聲。 (4) 1/f 噪聲幾乎所有的探測器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大約 I kHz 以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率 f 成反比，故稱為低頻噪聲或 I /f 噪聲。這種噪聲產(chǎn)生的原因目前還不十分清楚，但實驗發(fā)現(xiàn)，探測器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻等)對這種噪聲的影響很大。一般來說，只要限制低頻調(diào)制頻率不低于I kHz，這種噪聲就可以防止。 光電探測方式光輻射的探測是將光波中的信息提取出來的過程。這里光是信息的載體，把信號加載于光波的方法有多種，如強(qiáng)度調(diào)制、幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制。從原理上來說，強(qiáng)度調(diào)制、幅度調(diào)制和偏振調(diào)制(可以很容易地12轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制)可以直接由光探測器解調(diào)，因而稱為直接探測方式。然而，頻率和相位調(diào)制則必須采用光外差(相干)探測的方法。在直接探測方式中，光波直接輻射到光探測器光敏面上，光探測器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度而輸出相應(yīng)的電流或電壓，然后送入信號處理系統(tǒng)，就可以再現(xiàn)原信息。.直接探測是一種簡單又實用的方法，然而它只能探測光輻射的強(qiáng)度及其變化，會丟失光輻射的頻率和相位的信息。光頻外差探測的原理和無線電波外差接收原理完全一樣，其中必須有兩束滿足相干條件的光束。在外差探測方式中，光電探測器起著光學(xué)混頻器的作用，它響應(yīng)信號光與本振光的差頻分量，輸出一個中頻光電流。由于探測器利用信號光和本振光在探測器光敏面上干涉得出，因而外差探測又稱相干探測。外差探測利用光場的相干性實現(xiàn)對光輻射的振幅、強(qiáng)度、相位和頻率的測量。這種接收方式靈敏度高，信噪比大，但設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)難度大。本系統(tǒng)采用直接檢測接收的方式進(jìn)行激光的接收。 光電檢測分析和電路設(shè)計 光電信號檢測原理要對激光器輸出的光信號進(jìn)行研究分析，一種簡單可行的辦法是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。通用的光電轉(zhuǎn)換器件是光電二極管。采用光電檢測的共同特點是:待研究的信息通過各種效應(yīng)(機(jī)、熱、聲、電、磁 )被調(diào)制到光載波上，然后將這些有用信號解調(diào)出來，實現(xiàn)光信號—電信號的轉(zhuǎn)換。各種光電檢測電路是實現(xiàn)光電變換的重要環(huán)節(jié)。用光電二極管組成的光電檢測電路，實際上是一個光——電流——電壓的一個變換過程。光電二極管將接收的光信號變換成與之成比例的微弱電流信號，通過和與光電二極管串聯(lián)的電阻組成的放大器變換成電壓信號，如圖 5 所示： 圖 5 簡單的光電轉(zhuǎn)換電路 光電檢測電路的設(shè)計許多物質(zhì)受輻射照射之后其電學(xué)特性會發(fā)生變化，表現(xiàn)為電阻、電壓或電容的變化，由此可取因輻射照射產(chǎn)生的信號。對于大多數(shù)的光電裝置，光電器件需要通過檢測電路才能實現(xiàn)光電信號的變換。通常，光電檢測電路是由光電檢測器件、輸入電路和前置放大器組成。輸13入電路是連接光電器件和電信號放大器的中間環(huán)節(jié)，它的基本作用是為光電器件提供正常的電路工作條件，進(jìn)行電參量的變換(例如將電流和電阻變換為電壓變化)，并完成和前置放大器的電路匹配。輸入電路的設(shè)計應(yīng)根據(jù)電信號的性質(zhì)、大小，器件的噪聲電平等初始條件，以及輸出電平和通頻帶等技術(shù)要求來確定電路的連接形式和工作參量，保證光電器件和后級電路的最佳工作狀態(tài)，最終使整個檢測電路滿足下列技術(shù)要求:(1)靈敏度的光一電轉(zhuǎn)換能力:使給定的輸入光信號在允許的非線性失真條件下有最佳的信號傳輸系數(shù)，得到最大的功率、電壓或電流輸出。(2)快速的動態(tài)響應(yīng)能力:滿足信號通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘柕目焖夙憫?yīng)。(3)最佳的信號檢測能力:具有為可靠檢測所必需的信噪比或最小可檢測信號功率。(4)長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。在光接收器中，PIN 管的作用是將入射光信號轉(zhuǎn)換為電信號，但是，轉(zhuǎn)換后的電流很微弱，不足以保證接收器能有效處理，所以，在 PIN 管之后還需要額外的電路將光生電流放大，以便進(jìn)行處理。前置放大器是一種用來完成傳感器與后續(xù)電路性能匹配的部件，對其主要的性能要求由傳感器性質(zhì)和后續(xù)處理電路的要求決定。前置放大器最重要的性能要求是低噪聲的設(shè)計，最主要的功能是放大來自探測器的信號，并盡可能低的產(chǎn)生附加噪聲。接收器不是對任何微弱信號都能夠正確接收的，這是因為信號在傳輸、檢測和放大過程中總會受到一些干擾，并不可避免的要引進(jìn)一些噪聲。雖然來自環(huán)境或者空間無線電波所產(chǎn)生的電磁干擾能通過屏蔽的方式減弱或防止，但隨機(jī)噪聲是接收系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的，是信號在檢測過程中引進(jìn)的，人們只能通過電路設(shè)計和工藝措施盡量減小它，卻不能完全消除它。雖然放大器的增益可以做得足夠大，但在微弱信號被放大的同時，噪聲也被放大了，當(dāng)接收信號太弱時，必定會被噪聲淹沒。前置放大器在減弱或防止電磁干擾和抑制噪聲方面起著特別重要的作用。接收器的前端是光電二極管，緊接著就是前置放大器。回波信號入射到光電二極管的光敏面上，光電二極管把光信號轉(zhuǎn)換為隨時間變化的電信號，前置放大器的作用是放大該電信號，以供主放大器進(jìn)一步放大和處理。前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，