0 引言

激光武器裝備的作戰(zhàn)效能直接取決于發(fā)射激光到達靶目標處光斑的能量密度及分布。激光武器都是遠距離作戰(zhàn),，通用的激光功率/能量檢測設備因接收口徑有限,，只能檢測到極小特定空域內的激光能量，不能滿足在遠場對激光武器光束質量的檢測,。遠場激光的檢測必須采用專用的方法和設備,。目前，遠場激光光斑的測量主要有兩種方法,，一種是非接觸式的攝像法,；一種是探測器陣列直接測量法，即用探測器陣列靶直接接收激光,，通過探測器后續(xù)處理電路得到激光光斑空間的絕對能量密度分布,。本文重點研究探測器陣列測量系統(tǒng)中的硬件電路設計。

1 熱釋電探測器噪聲特性分析

當前光斑測量所用探測器材料品種眾多,，其中熱釋電探測器由于具有高靈敏度而備受關注,，它是由鉭酸鋰(LiTaO3)材料制成。鉭酸鋰探測器是利用晶體的自極化效應工作的,，具有熱電效應,。無外部機械力或電場的作用時,，鉭酸鋰晶體的自發(fā)極化強度隨溫度變化而改變。在探測器光敏面受到激光照射時,，會使其晶片的溫度發(fā)生變化,，從而產生電荷流動，外電路閉合便形成熱電流,。

鉭酸鋰熱釋電探測器具有溫度穩(wěn)定性高,、環(huán)境溫度適應范圍寬、頻率范圍寬等優(yōu)點,，同時也存在一些不足,，如干擾噪聲較難控制。該探測器噪聲主要是由電子無規(guī)則熱運動產生的熱噪聲,。

熱噪聲也叫約翰遜噪聲：

式中：k是玻爾茲曼常數,；T是導體或電阻的絕對溫度(單位：K)；R是電阻或阻抗的實部,；△fn是等效噪聲功率帶寬,。這個噪聲對大信號影響不大，但對微弱信號會產生較大的干擾,。所以在設計電路時要對探測器的噪聲進行嚴格控制,。

2 激光光斑測量系統(tǒng)的電路設計

激光光斑測量系統(tǒng)的電路設計框圖如圖1所示。熱釋電探測器光敏面接收激光照射信號,，經熱釋電效應將光能量轉換成電脈沖信號,，再經峰值保持、可變增益放大,、A/D采集和主控計算機處理得到該探測器點對應的激光參數,。

2.1 信噪比選取及放大電路設計

熱釋電探測器由晶體的極化效應產生的電壓為3.05mV～3.05V，為保證在輸出端有足夠的信噪比,，應盡量提高信號放大器的輸出電壓,。由于放大器在信號放大的過程中，噪聲也同時被放大,，在滿足最小10mV的前提下應盡量減少放大倍數,。因此，取系統(tǒng)信噪比SNR=3,。

為保證輸出信號有足夠的電壓值,，根據前置放大的輸出幅值和后級放大帶寬影響，增益選擇30dB的動態(tài)范圍,。前置放大電路必須采用高輸入阻抗的低噪聲前置放大器,，在該設計中放大器采用了儀表用高精度線性放大器。為降低外部電磁干擾,，放大電路外殼體采取了屏蔽措施,。為降低共模噪聲干擾,，放大電路采用了差分電路，以提高輸入信號的信噪比,，如圖2所示,。

2.2 峰值保持控制及采集系統(tǒng)設計

采用峰值保持電路，將增益放大輸出電壓值進行峰值保持,，為使后級采集系統(tǒng)具有足夠的采集時間,，需要將電壓值保持200μs左右，以便采集系統(tǒng)采集處理,?？刂齐娐酚蓡纹瑱C電路組成,，其一,，單片機根據輸入光脈沖產生的電信號給采集系統(tǒng)觸發(fā)信號；其二,，峰保電路為充放電電路,，存在充放電時間，為縮短放電時間,，在峰保采樣完成后應合上放電開關,，將電容上的電壓放掉，在下一個脈沖到來前應提前斷開放電開關,，對新的脈沖進行峰保,。放電開關的控制信號由輸入信號經延時得到，具體控制過程由單片機完成,。

在采集系統(tǒng)方面,，為降低外部電磁干擾，采集卡采用差分輸入,，將64路/卡合為32路/卡差分輸入,，以減小長線傳輸帶來的噪聲和損失。采用16位A/D轉換以提高采樣精度,。具體電路設計實現(xiàn)如圖3所示,。

主控計算機完成對光斑數據的實時接收和存儲，然后根據光斑圖像計算光斑的形心,、質心,、總能量和能量密度等參數。

3 設計電路在激光光斑測量系統(tǒng)中的應用

該設計電路已在某型激光光斑測量系統(tǒng)中得以成功運用,，該光斑測量系統(tǒng)采用了16行×16列熱釋電探測器陣列,。激光光斑測量系統(tǒng)采用圖3所示電路進行設計后，所測得的光斑原始圖像如圖4所示,，原始圖像為探測器陣列所對應的16×16像素圖像,。通過處理軟件處理出的激光光斑二維擬合圖像如圖5所示,。

4 結語

基于探測器陣列靶的遠場光斑測量系統(tǒng)核心技術主要是探測器的選取和硬件電路的設計開發(fā)，尤其是硬件電路的設計開發(fā),。本文通過對探測器放大電路和采集系統(tǒng)的設計和開發(fā),，實現(xiàn)了激光遠場光斑的有效測量。該系統(tǒng)在遠場激光光斑的測量中已經成功運用,，完全能夠滿足目前大功率激光器的測量需求,。