光纤阵列接收子系统的调试与分析

阵列探测处理电路是一个多路并行的电信号处理系统，可以说其多通道脉冲信号的调试实验是一个非常重要又繁琐的过程，探测处理电路的一些参数只有通过多次调试实验才能确定，它的调试还需要高性能的实验仪器支持。

搭建的光路调试和APD 放大电路测试实验平台如图5-12 所示。当激光发射模块测试到有激光发射后，将其安装到机械结构的发射光学系统后端，并初步调整好准直透镜位置，使发射激光以35mrad 的发散角照射到约3m 远处的白色墙面，对APD 光电探测模块的放大电路进行调试。此时由于传输到目标的光斑被扩散，单位面积的光功率已经很弱，超出了红外激光检测卡的灵敏度范围。为此，不能用本书第3 章介绍的检测激光的方式，改用高灵敏度的红外相机观察，通过观察目标的光斑形状，进一步调整准直透镜的位置使光斑尽可能地均匀化处理，然后微调接收透镜的位置，使5×5 光纤阵列位于接收透镜的焦平面处，以保证接收光学系统达到最佳的接收效率。接着给APD 电路板上电，根据AD500-8-TO52S2 型号APD 数据手册，调整APD 高压偏置电源部分电位器的阻值分配，使加到APD 的偏置电压为135V，逐一连接5×5 光纤阵列的光纤输出端到APD 光敏面，再把放大电路输出的电脉冲信号由探头输入示波器进行观察。从红外相机配套的显示屏上可以清楚地看到目标墙上明亮的光斑，示波器上也检测到了APD 放大电路输出的电脉冲信号，通过与LASER COMPONENTS 公司提供的测试报告中激光发射模块输出的脉冲信号比较，可以看到两者的形状很接近，说明采用的放大电路能够很好地还原发射激光脉冲信号。

图5-12　APD 光路调试和放大电路测试实验

在确保放大电路能够正常工作后，焊接好时刻鉴别电路部分的电子元器件及输出接口，安装到机械结构相应位置，在距离探测目标10m 远处进行目标光斑均匀性观测、探测面积测定和APD 阵列探测处理模块整体调试实验。由于探测距离增大目标光斑变大，单位面积的激光功率减小，即便采用红外相机也只能在黑暗环境下才能观察到目标光斑，为此，我们在夜间观测目标光斑，从图5-13 可以看到夜间使用红外相机拍下的明暗程度不均匀的光斑。(www.xing528.com)

关于单脉冲探测目标大小的测量，根据光路可逆原理，用发射红光的激光笔从光纤输出端发射到目标，然后将坐标纸紧靠探测目标承载可见的红色激光。从坐标纸上可以估算出单次激光脉冲探测面积的大小为25cm×24cm，可见其基本满足设计指标中单脉冲探测面积的要求。

由于高速光电探测模块输入的光信号直接由分光片得到，光功率远大于接收子系统在10m 处收到的回波信号，而它的探测处理过程类似接收子系统其中一个APD 探测处理电路，为了吸取经验，在调试并行时刻鉴别电路之前先将高速光电探测模块输出的Start 信号输入示波器观察进行调试。关于高速光电探测模块的调试，主要是调节APD 的偏压和比较参考电平值，最终调试出高速光电探测模块的APD 偏压为60V 时就满足输出TTL 电平的要求，高速比较器的参考电平值约为38mV。从示波器可以看到Start 信号幅值约为5V，但是Start 信号的脉宽信号远大于8ns，主要原因是分光片分出的极小部分的反射激光功率相对APD 的灵敏度依然很强，导致高速光电探测模块上的APD 探测器饱和，这一问题可以通过衰减进入高速光电探测器光敏面的激光加以改善。

图5-13　光纤阵列接收子系统调试实验

以放大电路调试实验得到的135V 偏压和高速光电探测模块调试实验得到的38mV 的参考电平值为依据，调试并行时刻鉴别电路。调节电位器使5 个APD 探测处理单元电路板上的偏压为135V，比较器参考电平值为38mV，然后逐一连接5×5 光纤阵列的光纤输出端到APD 光敏面，对25 个APD 的时刻鉴别电路输出的数字脉冲信号(即Stop 信号)，由50Ω 同轴电缆输入示波器进行观察。在刚开始测试时发现有些通道没有数字信号输出，通过分析发现这些没有数字信号输出的通道对应探测目标的位置刚好位于激光照明目标光强比较弱的地方，需要增加偏压来提高增益，但是增益的提高噪声也随之增加，所以需要反复调节每个电路板上的偏压和参考电平到合适大小，直到各个通道有TTL 电平的Stop信号输出。最后5 个基本探测处理单元调试好的偏压分别为143V、149V、139V、156V、145V，对应的参考电平为41mV、45mV、40mV、46mV、43mV。调试好之后，通过示波器可观察到Stop 信号的幅值都约为5V，脉冲宽度为10ns 左右，完全满足时间间隔测量电路对输入信号的要求。