曹文晓，安志勇，段 洁

(长春理工大学 光电工程学院，长春 130022)

0 引言

激光告警接收机属于光电对抗类设备，用于对激光制导武器攻击时的报警，常与雷达告警系统配合来实现对激光制导武器的位置确定、飞行轨迹显示、识别等。随着当前武器信息化的高科技发展，对激光告警接收机全向性和定向精度的要求越来越高［1］。目前常有的激光告警接收机通常使用面阵探测器，或者多个探测器放置在不同窗口方位来实现信息采集，这两种方案中，各自的技术缺点是前者激光窄脉冲判断力低，后者光机结构较为复杂。为解决上述问题，本文在引入四象限探测器的基础上，对激光告警接收机信号处理系统进行了详细设计，使其系统具可凝视监视、高角分辨率等优点［2］。

在激光告警接收机的信号处理系统设计中若使用四象限探测器，就需要合理选择光敏面与性能相匹配且相对较大的四象限探测器，同时需要探测器放大电路具有大的动态接收范围，能够准确采集和计算四象限探测器输出的窄脉冲信号，可以看出在激光接收机信号处理系统设计中，四象限探测器的对应电路合理设计对激光告警接收机的信号处理性能尤为重要。

1 激光告警接收机信号处理系统方案设计

采用低输入阻抗的前置放大电路可提高探测器的窄脉冲响应速度;前置放大输出和二级放大输出同时进行电压保持输出，可以适应探测器较大动态范围的变化，根据这一思路，可设计出三级、四级等级数更多的级联结构，适应更大动态范围;设计的峰值检测电路能可靠工作，输出电压波形保持稳定，没有出现电压保持期间的跌落现象，该信号易于后续电路处理。

图1 四象限探测器激光告警接收机信号处理框图

所设计的激光告警接收机的信号处理系统组成及原理如图1所示。接收系统首先通过四象限探测器将接收的激光脉冲信号转换为电流信号，进入前置放大电路，前置放大电路的输出信号一路进入二级放大电路，另一路进入电压保持电路;二级放大电路将探测信号进一步放大，输出信号一路进入电压保持电路，另一路进入峰值检测电路;电压保持电路为多通道电压保持，当收到峰值检测电路输出信号时，锁定当前时刻的电压，然后稳定输出，稳定输出的信号送往采集和计算处理电路，通过这些流程，完成整个预警信号的处理［3-4］。

通过同时采集多个通道的电压信号，采集和计算电路对前置和二级放大电路的输出信号进行比较;当二级放大电路没有饱和，二级放大电路输出的信号有效，用于计算光斑位置;当二级放大电路饱和，则一级放大电路输出的信号有效，用于计算光斑位置。通过这一有选择性的使用电压信号，使得接收系统可适应不同背景环境下激光能量动态范围大的情况。

2 激光告警接收机信号处理电路设计

2.1 前置放大电路设计

四象限探测器采用GD3544Y型InGaAs探测器，它光敏面大、象限间串扰低、可靠性高，它响应波长850nm到1700nm，在激光定位、精细加工、导航等方面应用广泛。

通过实验测试，测得GD3544Y器件单个象限的结电容大约40pf，为获得探测器对窄激光脉冲的高响应速度，探测器和前置放大电路输入内阻之间的时间常数应该低于激光脉冲宽度，因此前置放大电路应该为低输入内阻高速跨阻放大电路，如图2所示。经过测试前置放大电路输入内阻为200Ω，可计算得到接收前置放大电路对窄激光脉冲的响应时间常数τ为:

这个响应时间，满足激光告警接收机的带宽要求。

在图中，SENSOR1是四象限探测器中的一个象限，等效为一个高速脉冲电流源，SENSOR1一端和偏置电压+HV相连，另外一端和前置放大电路的输入端相连，该前置放大电路为反向跨阻放大，电路跨阻为R2。为了使在静态工作点时OUTPUT1节点电压较高，使用一个3V的稳压二极管D1和Q2的基极串联，使得D1的阴极电压偏置到3.7V，从而OUTPUT1节点静态工作点电压也是3.7V;R2为放大器的跨阻，通过选择R2的大小，可以决定输出电压VOUTPUT1和输入电流ISENSOR1的倍数关系:

为了获得较低的输入内阻，需要采取两点措施。第一，在Q1的器件参数选取时，应当考虑选择rbe较小的NPN高频三级管;第二，设计一个合适的偏置电流，使得Q1的rbe处于较小的线性电阻区。

2.2 二级放大电路

二级放大电路设计为交流耦合的反向电压放大器，输入端INPUT2和前置放大器的输出端连接，C1作为交流耦合电容，滤除环境等对探测器响应的直流信号，如图3所示。

通过调节R4和R6的大小，配置放大器的放大倍数，二级放大电路的输出电压为VOUTPUT2，可通过下式计算:

图2 前置放大电路原理图

图3 二级放大电路原理图

2.3 电压保持电路

电压保持电路具有8个通道，这里选择两个AD684芯片并联工作，如图4所示。

IN1至IN4和前置放大电路输出连接，IN5至IN8和二级放大电路输出连接，8个通道的S/H端并联，受峰值检测电路的控制，电压保持输出A/D1至A/D8与后级的采集和计算处理电路相连。当TRIGER高电平时，输出电压跟踪输入电压;当TRIGER高电平跳变到低电平时，输出信号保持稳定，等待电压采集。IN1至IN8输入端采用低通滤波器的结构，滤除100MHz以上的噪声信号，提高保持电路精度［5］。

2.4 峰值检测电路

峰值检测电路将二级放大电路输出的信号进行峰值时刻检测，在信号达到峰值前将输出触发信号给多路采样保持电路，同时需要提供1ms的低电平保持时间，如图5所示。

图4 电压保持电路原理图

图5 峰值检测电路原理图

二级放大电路输出的四路脉冲信号经过四个电阻电压叠加后和TIN端相连，U3为MAX913，C4、R9组成高通滤波电路，和比较器的反向输入端连接，U3的反向输入端和同向输入端的电压进行比较。当接收到激光脉冲时，U3反向输入端电压高于同向输入端电压，Q端输出低电平脉冲;R10、C5组成1ms定时电路和U3的使能端相连，使触发电路输出脉冲宽度满足模数转换所需要的时间。

3 实验测试结果

3.1 峰值电压保持测试结果

使用波长为905nm，脉冲半宽度为20ns，峰值功率为75W的半导体激光器;使用GT3544Y作为四象限探测器，其响应时间为5ns，响应度为0.4A/W左右，有效光敏面直径为3mm。测试其中一个象限波形，多路采样保持电路输出的电压波形如图6所示。

图6 激光告警信号处理电路输出信号

triger为峰值检测电路输出的高电平到低电平的越变信号，hold voltage为一个象限经过电压保持电路后的输出电压，在-3us至0时刻，电压保持波形跟踪输入波形，在0时刻至50ns内，探测器接收到脉冲激光信号，峰值检测电路输出triger信号，电压保持电路将峰值脉冲进行电压保持，随后的50ns至200ns，保持电路出于不稳定状态，在200ns-2.5us，保持电路输出电压信号稳定。虽然在AD684的输入端口匹配了低通滤波电路，但是，从图中可以看出电压保持电路的输出波形仍具有10mV大小的噪声，这一噪声需要通过后续的采样和计算电路多次采样，采用算术平均算法进行滤除。另外可以看出，在0至200ns时间内，电压保持电路输出波形有一个过冲，说明电压保持电路输出电压在短时间内没有达到稳定，这一特点正好证实了电压保持芯片的稳定时间至少需要200ns的问题［6］。

3.2 动态范围测试结果

实验中，前置放大电路采用的跨阻为3k，二级放大电路电压放大增益为30dB。输入激光脉冲峰值功率经过衰减后，范围从1uW至5mW，使用单片机对保持后的电压进行采样，频率为1us/次，采样100个点取平均值［7］。测试结果如表1所示。

表1 输入动态范围测试

4 结语

针对目前已有激光告警接收机在信号处理中的实际技术问题，设计出基于四象限探测器的激光告警接收机信号处理系统，其具有结构简单、电路工作稳定、信号处理精度高、动态响应范围大等优点。提出并阐明了告警接收机信号处理系统的整体方案与原理，对系统的电路进行了详细的设计，其中包括前置放大电路设计、二级放大电路设计、电压保持电路设计以及峰值检测电路设计。对峰值电压保持特性与动态响应范围的测试结果表明系统可实现8ns的激光窄脉冲响应，其动态范围可达到34dB，输出波形稳定易于后续电路采集，可以满足当前激光告警接收机的实际需要。

［1］董红军，周中亮，王龙.鱼眼成像型激光告警系统光斑中心亚像元定位方法［J］.中国激光，2011，38(9):233-239.

［2］王龙，王永仲，沈学举，等.基于迈克耳孙干涉仪的凝视型激光告警系统设计［J］.中国激光，2011，38(3):215-219.

［3］赵馨，佟首峰，刘云清，等.基于四像限探测器的光斑检测跟踪技术［J］.中国激光，2010，37(7):1756-1761.

［4］胡贞，姜会林，佟首峰，等.空间激光通信终端ATP技术与系统研究［J］.兵工学报，2011，32(6):752-757.

［5］胡永宏，张喜和.高速四元探测器峰值保持电路的设计［J］.弹箭与制导学报，2010，30(3):173-174.

［6］冯志辉，岳永坚，刘恩海，等.基于DE150的高速大电流窄脉宽半导体激光电源［J］.激光与红外，2009，39(5):489-492.

［7］应家驹，王永仲，何永强，等.全向激光告警系统的探测灵敏度分析［J］.红外与激光程，2008，37(6):1038-1042.