激光引信雪崩二极管光电探测

郭 婧,张 河,张祥金,王晓锋

(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室,江苏南京 210094)

0 引言

激光引信是一种利用激光束探测目标的光学引信。相对于传统的光、电引信,激光引信具有对目标探测的主动性、探测视场的方向性和不易受电子干扰等优点。因此,在各种导弹以及一些常规弹药中得到了日趋广泛的应用:美国2.75英寸火箭弹用激光引信,“猎鹰”4H导弹和“小棉树”导弹用激光引信,美国圣巴巴拉新研制的配用于“响尾蛇”AIM-9L导弹的激光引信,以及航空炸弹、迫弹等一些常规弹药引信等。国内的激光引信应用对象主要集中在导弹引信上,而对在常规武器弹药引信中的应用研究仅局限在低速弹上,如某迫弹激光近炸引信[1-3]。

激光引信的主体是由发射系统、接收系统、光学系统和信息处理系统等部分构成的测距系统。激光引信探测距离的大小取决于激光器的发射功率、束散角以及接收系统的探测灵敏度等。目前,进一步提高国内半导体脉冲激光器的输出峰值功率有所限制。激光引信普遍采用PIN型光电二极管探测,其噪声电平虽然可以达到10-14A/,但系统灵敏度因受放大器热噪声电平的限制,实际只能达到且无增益[4]。PIN型光电二极管激光定距引信探测远距离微弱的回波信号困难,因此,将雪崩二极管应用于激光引信探测系统中。

1 激光引信光电探测器与雪崩二级管

激光引信大多采用主动方式探测,发射部分由激光器和发射系统组成,激光照射目标,经漫发射后进入激光接收系统。激光发射系统将激光器产生的激光发射出去,激光接收系统汇聚激光的功率并构成对目标的定向和定距探测的基本环节。光电探测器是把目标反射的激光信号转变为电信号的敏感元件,是激光引信光电探测系统中的一个重要元件,对系统性能影响很大。

在激光定距引信系统中,由于需要精确测量激光脉冲的飞行时间,所以对光电探测器的响应时间有很高的要求。另外,由于探测器接收的是目标反射回来的微弱信号,所以探测器应该对微弱信号敏感,信噪比较高。雪崩光电二极管具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、抗强磁场干扰和动态范围大等优点,特别是其响应时间短,由于内倍增效应,它对微弱信号也有相当高的灵敏度,因此对于远距离激光定距引信,既能保证系统的定距精度,又能扩大定距范围,比起PIN探测器能使整个系统有更好的信噪比。因此,APD是远距离激光引信系统激光接收器件的最佳选择。

2 APD探测接收系统

对于远距离激光定距引信,采用脉冲激光测距机定距体制,图1是APD探测接收系统原理框图。APD接收目标漫反射回来的微弱激光脉冲信号,并转换为电信号。此电信号由放大电路放大,送给比较判别电路进行比较判别,输出电平,供给后续电路处理。偏压控制电路为APD提供最佳偏置电压,以便探测器获得最佳倍增因子。电压幅度控制是调节放大器输出信号幅度的,能减小测距系统盲区的范围,做到无盲区测量。判别阈值电路比较电压,该电压值要比信号电压低,比噪声电压高,这样才能输出有用信号电平,最后送至CPU处理。

图1 接收系统原理框图Fig.1 Receive system principle block diagram

接收系统的核心部件是APD探测器,与PIN光电二极管一样,APD由两类半导体组成P-N结,只允许电流在一个方向流动。如果二极管上加一反向偏置,则在没有光时仅存在由热电子组成的“暗电流”;当受光照时,便产生电子-空穴对,形成电流。在PIN光电二极管中,该过程就此结束。但在APD中,偏置电压较高,电子被充分加速,致使半导体原子电离,产生新的自由电子。新电子又被加速,产生更多电子-离子对,到雪崩终止时,每一初始光子产生几百或几千个电子,光电流大大增加,显著提高了光探测器的灵敏度。图2所示为PIN及APD的信噪比与输入信号功率关系图[5],可见APD对微弱信号的接收能力显著高于PIN型探测器。图2 PIN及APD信噪比与输入信号功率关系Fig.2 PIN and APD SNR-input signal power

APD因其量子效率高,具有将光信号倍增10～100的内增益,且倍增后的噪声仅与放大器本身的热噪声电平相当,从而冲破了晶体管宽带放大器制作水平的限制,大大提高了接收系统的信噪比。但APD偏压升高后,噪声电流也随偏压的增加而升高,使信噪比下降。式(1)为APD器件的光探测信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)[5]:

式中,M为APD的倍增因子;e为电子电荷;k为玻尔兹曼常数;B n为接收器带宽;R L为等效负载电阻;Is为回波信号电流;Ib为背景噪声电流;Id为APD的暗电流。

当APD达到合适增益M时,可使系统获得最佳信噪比。若继续增大M值,则使散粒噪声大于等效负载电阻的热噪声,此时噪声的增加比信号增加要快,使信噪比下降。因此,使用雪崩管时应控制最佳偏压的稳定。

在激光定距引信接收系统中,低噪声放大电路的设计对系统的定距精度和探测距离有重要的影响。激光引信接收系统输入光波功率很微弱,必须经过多级放大才能够满足信号处理的要求。

激光接收系统中采用高性能的APD探测器,将其与前置放大级设计为最佳阻抗匹配耦合,可以大大提高接收信号的传输,有效降低背景噪声和负载电阻上产生的热噪声,使最小可探测功率与一般前放级相比提高约一个数量级。

图3是APD工作的等效电路模型。其中:i s为回波信号电流;i b为背景辐射噪声电流;i d为探测器暗电流;iRL为负载电阻噪声电流;Ci为输入电容;RL为负载电阻。

图3 APD等效工作电路模型Fig.3 Model of APD equivalent working circuit

由图3可知,为有效地将APD信号传输到前放级,增大RL的同时前置放大器的输入阻抗也要相应提高,从而提高探测灵敏度。要全面兼顾地满足前级的高增益、宽带宽和低噪声等综合要求很难做到,因此采用多级运放互相匹配的做法比较合理,在经过反复模拟仿真后,证实前置放大电路在采用互阻放大器形式时具有最好的信噪比[6]。

3 测试及结果分析

激光引信雪崩二极管探测系统主要由APD偏压控制电路及接收放大电路组成,雪崩二极管为PerkinElmer公司的C30737,图4为系统硬件板图。利用已经研制的脉冲激光发射模块,辅助光学系统在一定距离照射目标,引信探测系统(有接收的光学系统)接收目标的回波信号。由光电探测器输出后的信号进入放大电路,使用示波器观察由探测器及放大器的输出波形。实验分别对雪崩二极管及PIN光电二极管进行脉冲激光回波测试分析。

APD的工作电压较高,需要偏压控制电路为其提供反向偏置电压,通过分析测试得到在160 V左右时,APD可以获得最佳探测灵敏度。图5(a)所示为APD工作在典型偏置电压160V,接收波长805 nm,脉冲半导体激光器的中等强度回波脉冲时APD的脉冲电压输出曲线。输出信号幅值约为300 mV,噪声电压幅度范围集中在40 mV左右,信噪比达到了8。图5(b)为相同条件下PIN探测系统的脉冲回波输出曲线,输出信号幅度50 mV,噪声电压较大。通过对比分析得到,APD的探测灵敏度远高于PIN型探测器,且噪声小,信噪比显著提高。图 6为APD探测系统前放及放大电路输出脉冲信号,输出幅值较大,且噪声电压较小,调节好阈值信号电路后,完全满足后续信号处理的要求。

图4 硬件板图Fig.4 Circuit of the system

图5 APD、PIN输出信号曲线Fig.5 Output signal of APD and PIN

图6 APD前放及放大电路输出图Fig.6 Output of the APD amplifier circuit

经实验测试,在十几米到几百米的范围内,APD探测系统都能为后续处理系统提供满意输出信号。因此,雪崩二极管探测可用于不同定距距离的激光引信,尤其适用远距离激光定距引信。

4 结论

本文提出采用雪崩二极管作为远距离激光定距引信的光电探测器。雪崩二极管具有高灵敏度、高增益、低噪声等优点,控制调整其最佳偏压可使系统获得高信噪比。实验表明,APD光电接收电路的信噪比较PIN光电接收系统有了明显改善,对微弱信号的接收能力强,使远距离作用引信更为有效。由于APD接收放大系统的探测范围大,因此可用于不同距离的定距引信中,并且定距距离增大时,引信的定距精度不会降低。系统电路功耗低、体积小,对远距离作用引信有很好的实际应用价值。

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