基于四象限探测器的激光脉冲探测系统的设计方案

3.5.2.1　电路系统总体设计

激光脉冲发射脉宽为20ns，激光脉冲经过目标反射并被接收光学系统汇聚到四象限探测器光敏面，转换为电流信号。在这个过程中，脉冲信号的脉宽被展宽到100ns左右，上升沿时间为tr≈40ns，此时可用下式计算激光回波脉冲信号的带宽

四象限探测器采用的型号是上海欧光OSQ100-PIN型，光敏面直径为10mm，其特性参数见表3.5。

表3.5　PIN型四象限探测器参数（探测激光波长：1 064nm）

信号处理子系统又可分为模拟式峰值提取和数字式峰值提取，本节主要是对模拟式峰值提取电路进行了设计，而数字式峰值提取的电路设计方法与其类似，只是需要额外采用高速模数转换器和高速处理器，所以本书中不再另行设计，而是使用宽带示波器完成数字信号采集。

在电路系统中，其总体包括激光脉冲探测电路子系统和信号采集处理电路子系统，如图3.37所示。对四象限探测器的四个象限电路通道采用相同的电路设计。

图3.37　电路系统框图

激光脉冲探测电路子系统包括前置放大电路、信号调理电路以及激光脉冲检测电路等子电路模块，各个子电路的通带频宽需大于fL，以保证激光脉冲信号在电路中的通畅传递和脉冲波形形状上的不失真。前置放大子电路的主要功能是对从四象限探测器输出的电流脉冲信号进行放大，并转换成电压的形式，以便测量。信号调理子电路的主要功能是对电压脉冲信号进行二级放大并滤除信号中的低频噪声。激光脉冲检测子电路的主要功能是判别激光脉冲是否到达，并发送触发脉冲至处理器。

信号采集处理电路子系统主要包括脉冲峰值提取电路、模数转换电路和处理器子电路模块。窄脉冲信号峰值提取子电路主要分为模拟式和数字式。模拟式脉冲信号的峰值提取主要由峰值保持电路完成，即电路将脉冲的峰值保持一段时间，以供后续低速模数（A/D）转换模块使用，具有成本低、精度低的特点。数字式脉冲信号的峰值提取是由高速模数转换芯片和高速处理器完成，即高速模数转换芯片将整个脉冲转换为数字信号，再由高速处理器计算出脉冲峰值，具有精度高、成本高的特点。模数转换子电路的功能是完成对模拟式脉冲信号峰值的数字采样。处理器的功能是控制前置放大子电路的可编程增益控制、控制峰值保持电路的开始与闭合、使能模数转换功能、完成脉冲峰值数字提取以及计算四象限探测器测角值等。

3.5.2.2　目标方位偏差角测量试验

（1）测量试验平台搭建

经过加工制作的基于四象限探测器的目标方位探测电路板和光学系统如图3.38所示，电路板主要分为两部分，其中一部分是四象限探测器、前置放大电路和信号调理电路，另一部分是激光脉冲检测电路、窄脉冲峰值保持电路、模数转换电路和处理器。为了尽可能地滤除环境背景噪声，应在光学系统的镜片上加镀窄带通滤光膜，但考虑到镀膜的成本，在此仅在光学系统前端加一片可见光截止滤光片，这样既不影响光路，又能实现滤除90%以上可见光的功能。

图3.38　经过加工制作的电路板和光学系统

（a）电路板；（b）光学系统(www.xing528.com)

将目标方位探测系统电路板和光学系统装配完成以制成样机，并固定在光学稳定平台上的精密光学旋转台上，样机纵轴与水平面平行，初始位置在旋转平台上的0°位置。在样机纵轴方向安装一个红色激光指示笔，用于样机的初始对准，激光笔的出光中心距离样机光学系统中心的距离为dp。目标为倾斜角度可调的木靶板，距离样机约8m。图3.39所示为试验平台场景。

图3.39　试验平台场景

（a）后视场景；（b）前视场景

（2）目标方位偏差角模拟式测量试验

试验过程：首先，激光目标指示器照射在目标上的位置为样机上红色激光笔照亮位置下方dp处，并利用红外成像仪进行人工辅助对准操作，使样机在旋转平台初始位置时，纵轴方向对准激光目标指示器照射点。激光目标指示器的参数设置为重复频率5 000Hz、激光脉冲平均功率40mW，而实际发出的激光脉冲平均功率为20mW。其次，微调光学旋转台，使样机侧向旋转，此时样机经过计算输出的目标位置偏差角即为微调的旋转角。

在试验过程中利用示波器存储记录波形，示波器型号为Tektronix公司的TDS 2020，采样速度为2GS/s，带宽为200MHz。试验中的各象限电路通道的放大增益设置为相同，即2×105。

在模拟式脉冲信号峰值采集方式下，在某次旋转平台旋转角为4°时，测量四象限探测器各象限通道的电压脉冲信号及峰值保持信号示波器采集如图3.40所示。

由图3.40可知，该电路中的噪声最大幅值在±30mV之内，表明该目标方位探测系统具有较好的抑噪能力；该电路对于峰值为200mV的电压脉冲信号也能够完成较好的峰值保持。另外，在脉冲峰值较小时受噪声影响比较明显。

（3）目标方位偏差角数字式测量统计试验

数字式脉冲测量时的信号采集工作使用示波器完成。同样按照模拟式测量试验的过程，当旋转平台旋转角为4°时，四象限探测器B象限电路通道的3次电压脉冲波形采集如图3.41所示，同时已将波形数据点存储。

由图3.41可知，电路噪声基本符合高斯白噪声类型，对每次信号的峰值确实有轻微影响，当示波器采样频率为2GS/s时，根据示波器存储的数据点，图中3次电压信号采样的峰值分别为312mV、308mV、316mV。

图3.40　四象限探测器各象限通道的电压脉冲信号及峰值保持信号示波器采集

（a）象限A；（b）象限B；（c）象限C；（d）象限D；（e）象限A峰值保持；（f）象限B峰值保持；（g）象限C峰值保持；（h）象限D峰值保持

图3.41　四象限探测器B象限电路通道3次电压脉冲波形采集

经过试验验证，上述系统能够满足功能要求，并对单兵火箭灵巧引信的设计提供理论支持。