【正文】 理 系 統(tǒng)激 光 發(fā) 射 接 收 瞄準(zhǔn) 一 體 系 統(tǒng)激 發(fā) 開(kāi)關(guān)目 標(biāo)命 中 聲 音 指示打 印 機(jī) 輸 出上 位 機(jī) 處理數(shù) 據(jù) 顯 示 圖 1 模擬器整機(jī)原理圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，安裝于一個(gè)機(jī)箱之內(nèi)。(2)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡。要傳輸?shù)男盘?hào)從電端口輸入，經(jīng)放大輸出到激光器的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射激光脈沖。(2)接收望遠(yuǎn)鏡。探測(cè)到的光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信5號(hào)后，經(jīng)前置整形放大，送到信號(hào)檢測(cè)電路處理。2 激光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)激光發(fā)射模塊由激光器及其工作電路組成。由于激光發(fā)射在系統(tǒng)中承載著激光準(zhǔn)確發(fā)射的功能，對(duì)整體系統(tǒng)性能的影響很大，因而它的選擇是一個(gè)非常重要的選擇。激光器的分類如下:、氣體、液體、半導(dǎo)體激光器等。液體激光器包括各種染料激光器，其工作物質(zhì)是若丹明、碳化著等染料溶于乙醇或三氯甲烷等溶劑中，形成溶液，經(jīng)高速循環(huán)，將染料從一薄嘴噴出，形成良好的光學(xué)液面，泵浦光經(jīng)一定角度放置泵浦鏡后，打到液面上，使染料受激產(chǎn)生激光。半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的一類激光器，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、價(jià)格低、效率高、壽命長(zhǎng)。連續(xù)激光是以穩(wěn)定的、連續(xù)的光束釋放其激光能量。半連續(xù)激光也是以脈沖的形式來(lái)釋放能量，所不同的是每個(gè)脈沖之間的間隔時(shí)間非常短暫，也不可調(diào)節(jié)，激光能量以緊密聯(lián)結(jié)在一起的脈沖群的形式釋放出來(lái)(如銅蒸氣激光的脈沖以每秒 600015000 個(gè)脈沖群的方式釋放)，因此有時(shí)也將半連續(xù)激光稱為擬連續(xù)激光或準(zhǔn)連續(xù)激光。、氣體放電激光器、化學(xué)激光器等。 半導(dǎo)體激光器的概述1962 年在前蘇聯(lián)的列別捷夫物理研究所、美國(guó)通用電氣公司的 2 個(gè)研究所、國(guó)際商用機(jī)械公司(IBM)、麻省理工學(xué)院(MIT) 的林肯實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跬瑫r(shí)宣布研究6出同異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(亦稱激光二極管，LD)。 Nd:YAG 激光器，1961) 12 年，但這些激光器面世不久即進(jìn)入商用，歷經(jīng) 10 多年的艱苦磨練，半導(dǎo)體激光器真可謂“大器晚成”。在半導(dǎo)體激光器的增益介質(zhì)方面，由所謂體材料發(fā)展到量子阱(QW)和正在研究的量子線和量子點(diǎn)，并由晶格匹配材料發(fā)展到應(yīng)變材料。這些手段使得激光器的閥值電流密度不斷降低，激光線寬不斷減少、轉(zhuǎn)換效率等性能不斷提高。其所以如此，是有它的許多異乎尋常的特點(diǎn)所決定的:，其產(chǎn)生激光的核心部分(芯片)各維的線度都在微米量級(jí)，封裝后的體積也僅火柴盒大小。，因此它是高效率的電子一光子轉(zhuǎn)換器。實(shí)際上，由于增益介質(zhì)中不可避免地存在注入電子和產(chǎn)生的光子的損耗，但其功率效率也能達(dá) 30%以上，是所有激光器中效率最高的。一般小功率半導(dǎo)體激光器的工作壽命能達(dá)數(shù)十萬(wàn)乃至百萬(wàn)小時(shí)。 激光器的選擇為適應(yīng)野戰(zhàn)的要求，須選擇體積小、重量輕、效率高、易調(diào)整、使用壽命長(zhǎng)的激光器。所以系統(tǒng)應(yīng)用的大光腔脈沖激光二極管為海特公司的 LDMP0905003050 型號(hào)，它的電流上升率和電壓上升率高，關(guān)斷時(shí)間短，峰值功率達(dá) 30W，這既提高了發(fā)射距離，又增加了系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性。所謂的直接調(diào)制是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入到半導(dǎo)體光源從而獲得己調(diào)制信號(hào)。根據(jù)調(diào)制信號(hào)的類型，直接調(diào)制又可以分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種，前者是用連續(xù)的模擬信號(hào)( 如電視、話音等信號(hào))直接對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制，后者是用7脈沖編碼調(diào)制(PCM)的數(shù)字信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。即先用模擬調(diào)制信號(hào)對(duì)電脈沖序列的某參量(幅度、寬度、頻率、位置等)進(jìn)行電調(diào)制，使之按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，成為己調(diào)脈沖序列，然后在用電脈沖序列對(duì)光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。要實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個(gè)過(guò)程:抽樣、量化和編碼。為了消除這些電沖擊對(duì)半導(dǎo)體激光器的破壞作用，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)一定的保護(hù)電路，以增加激光器的使用壽命。這樣就從根本上保證了半導(dǎo)體激光器不會(huì)受到電源開(kāi)啟或關(guān)斷時(shí)而產(chǎn)生的電沖擊影響。 穩(wěn)定電流源電路按工作方式，半導(dǎo)體激光器可分為連續(xù)和脈沖兩大類。此后，輸出功率隨電流的增加而直線上升。工作在連續(xù)下的激光器驅(qū)動(dòng)電源，一定要加某種形式的反饋，如功率反饋、電壓和電流反饋，這樣才能保證穩(wěn)態(tài)輸出光功率的穩(wěn)定。脈沖式半導(dǎo)體激光器對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的基本要求是，它在低阻負(fù)載上應(yīng)該能產(chǎn)生快速電流脈沖。又由于半導(dǎo)體激光器兩端的壓降是由 PN 結(jié)壓降及串聯(lián)8歐姆電阻壓降組成，所以電源除了要求能提供大的電流脈沖外，還應(yīng)給出足夠大的脈沖電壓幅度，脈沖的前后沿越陡越好，此外，對(duì)大功率脈沖激光器的驅(qū)動(dòng)電源，可以加反饋，也可以不加反饋。 工作電路的設(shè)計(jì)激光發(fā)射技術(shù)就是如何將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的激光信號(hào)并且發(fā)射出去。其工作原理為:來(lái)自微機(jī)的占空比 1: 1,頻率為 l 0KHz 的脈沖信號(hào)通過(guò)整形電路變成窄脈沖信號(hào)，從而產(chǎn)生激光二極管所需的脈沖電流。驅(qū)動(dòng)電路有一個(gè)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。兩個(gè)三極管組成互補(bǔ)射極跟隨器，對(duì)調(diào)制過(guò)來(lái)的脈沖信號(hào)放大后作為 VMOS 管的柵極控制電壓。激光器兩端反并的二極管用來(lái)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。 112233445566D DC CB BA ATitleNumber RevisionSizeBDate: 202241 Sheet of File: C:\Documents and Settings\..\ Drawn By:IND2D3Q1Q2T12VinVout GND36R1212LD51R11C14C3VCC 圖 2 驅(qū)動(dòng)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(shí)際上是一個(gè)電容微分型單穩(wěn)態(tài)電路。3 激光接收機(jī)的設(shè)計(jì)激光接收模塊由光電探測(cè)器、前置放大器、主放大器及閥值檢測(cè)電路等部分組成。如圖 4 所示：回 波 信 號(hào) 主 放 大 器前 置 放 大 器光 電 探 測(cè) 器 閥 值 檢 測(cè) 信 號(hào) 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。半導(dǎo)體光電探測(cè)器是六十年代以來(lái)得到迅速發(fā)展的一種輻射探測(cè)元件。光電器件的選擇應(yīng)遵循以下原則:10(1)光電檢測(cè)器件必須和輻射信號(hào)源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配。首先要注意的是感光面要和照射光匹配好。這種情況主要是選擇響應(yīng)時(shí)間短或上限頻率高的器件?；谝陨弦螅⒖紤]到實(shí)測(cè)波段范圍在 905nm 附近，故光電探測(cè)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(chǎng)接收的要求。根據(jù)這一套參數(shù)，人們就可以評(píng)價(jià)探測(cè)器性能的優(yōu)劣，比較不同探測(cè)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(cè)器的目的。(2)量子效率定義為一個(gè)入射光子照在器件上并產(chǎn)生一個(gè)探測(cè)器電流有貢獻(xiàn)的光電載流子對(duì)的概率。(3)噪聲等效功率在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中，即使在探測(cè)器不加任何輻射信號(hào)時(shí)，探測(cè)器仍有一定的輸出，這是因?yàn)樘綔y(cè)器本身存在著噪聲。探測(cè)器輸出的信號(hào)功率與噪聲功率之比為 1 時(shí)，入射到探測(cè)器上的信號(hào)功率稱為噪聲等效功率(NEP)或最小可探測(cè)功率。 (5)截至波長(zhǎng) 指響應(yīng)率下降到峰值的 50%處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。 (6)響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)速度是描述探測(cè)器對(duì)入射輻射響應(yīng)快慢的一個(gè)特性參量。 任何一個(gè)探測(cè)器，都有一定的噪聲。通常把這些非有用信號(hào)的各種干擾統(tǒng)稱為噪聲，噪聲是限制檢測(cè)系統(tǒng)性能的決定性因素。根據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光探測(cè)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。這是許多光電探測(cè)器，特別是光電倍增管和光電二極管中的主要噪聲源。由于載流子的產(chǎn)生、復(fù)合過(guò)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。(3)光子噪聲當(dāng)用光功率恒定的光照射探測(cè)器時(shí)，由于它實(shí)際上是光子數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值，每一瞬時(shí)到達(dá)探測(cè)器的光子數(shù)是隨機(jī)的。因?yàn)檫@里強(qiáng)調(diào)光子起伏，故稱為光子噪聲。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。一般來(lái)說(shuō)，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。這里光是信息的載體，把信號(hào)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。然而，頻率和相位調(diào)制則必須采用光外差(相干)探測(cè)的方法。.直接探測(cè)是一種簡(jiǎn)單又實(shí)用的方法，然而它只能探測(cè)光輻射的強(qiáng)度及其變化，會(huì)丟失光輻射的頻率和相位的信息。在外差探測(cè)方式中，光電探測(cè)器起著光學(xué)混頻器的作用，它響應(yīng)信號(hào)光與本振光的差頻分量，輸出一個(gè)中頻光電流。外差探測(cè)利用光場(chǎng)的相干性實(shí)現(xiàn)對(duì)光輻射的振幅、強(qiáng)度、相位和頻率的測(cè)量。本系統(tǒng)采用直接檢測(cè)接收的方式進(jìn)行激光的接收。通用的光電轉(zhuǎn)換器件是光電二極管。各種光電檢測(cè)電路是實(shí)現(xiàn)光電變換的重要環(huán)節(jié)。光電二極管將接收的光信號(hào)變換成與之成比例的微弱電流信號(hào)，通過(guò)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(hào)，如圖 5 所示： 圖 5 簡(jiǎn)單的光電轉(zhuǎn)換電路 光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)許多物質(zhì)受輻射照射之后其電學(xué)特性會(huì)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(hào)。通常，光電檢測(cè)電路是由光電檢測(cè)器件、輸入電路和前置放大器組成。輸入電路的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)電信號(hào)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(lái)確定電路的連接形式和工作參量，保證光電器件和后級(jí)電路的最佳工作狀態(tài)，最終使整個(gè)檢測(cè)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(hào)在允許的非線性失真條件下有最佳的信號(hào)傳輸系數(shù)，得到最大的功率、電壓或電流輸出。(3)最佳的信號(hào)檢測(cè)能力:具有為可靠檢測(cè)所必需的信噪比或最小可檢測(cè)信號(hào)功率。在光接收器中，PIN 管的作用是將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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。前置放大器最重要的性能要求是低噪聲的設(shè)計(jì)，最主要的功能是放大來(lái)自探測(cè)器的信號(hào)，并盡可能低的產(chǎn)生附加噪聲。雖然來(lái)自環(huán)境或者空間無(wú)線電波所產(chǎn)生的電磁干擾能通過(guò)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(hào)在檢測(cè)過(guò)程中引進(jìn)的，人們只能通過(guò)電路設(shè)計(jì)和工藝措施盡量減小它，卻不能完全消除它。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?；夭ㄐ盘?hào)入射到光電二極管的光敏面上，光電二極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間變化的電信號(hào)，前置放大器的作用是放大該電信號(hào)，以供主放大器進(jìn)一步放大和處理。根據(jù)系統(tǒng)的要求適當(dāng)?shù)倪x擇前置放大器的形式，使之兼顧噪聲和頻帶兩方面的要求是很重要的。圖 7 是一個(gè)由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的互阻抗前置放大器，它的特點(diǎn)是加了一個(gè)反饋電阻 Rf，保證接收機(jī)既有低的噪聲又有寬的帶寬。: