微弱激光能量监测系统的研究

王奇，王晓曼，赵海丽，刘鹏，李志刚，张立媛

（1.长春理工大学　电子信息工程学院，长春　130022；2.长春理工大学　空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春　130022）



微弱激光能量监测系统的研究

王奇1，王晓曼1，赵海丽1，刘鹏2，李志刚1，张立媛1

（1.长春理工大学电子信息工程学院，长春130022；2.长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春130022）

摘要：设计了一种基于光电法的微弱激光能量检测系统。采用PIN光电二极管作为能量检测系统的探头，利用多级运算放大电路完成了信号的I/V变换、放大和保持，并通过数模转换器和微处理器采集、处理和输出数据。实验结果表明，测量能量在微焦级时，系统的不准确度为5%。该方案实现了微弱激光能量的准确测量。

关键词：微弱激光能量；光电检测；光电二极管；运算放大器

近年来光电检测技术的快速发展使得在激光武器测试中对远场微弱激光能量测量的准确度要求越来越高。在远场弱激光能量的测量上，光热法由于受到吸收体材料和环境影响等因素的限制，使得测量精度降低、响应时间变慢，无法满足靶场测试要求。本文利用光电测量法实现了微弱激光能量的检测。

光电法是指选用高灵敏度的光电探测器作为传感器件，经光电转换后输出与入射激光的能量成正比的电信号，以实现对激光能量的测量［1］。该法具有高准确度、响应灵敏、体积小、成本低的优点。

1　微弱激光能量检测系统设计

1.1激光能量测量原理

光电二极管有良好的光电特性，其输出光电流与光敏面上的辐射光通量成线性关系：

式中：ip—光电二极管光电流；S—为光电二极管灵敏度；φ—光通量。

由光能量和光通量的关系可知：

式中：Qv—光能量。

由上述（1）式和（2）式可得到光能量和光电二极管光电流关系：

因此对能量的测量即变为对一定时间内的电流量的测量，通常我们习惯把电流量转换为电压量进行测量，根据I∝U可知：

式中，Kr为系统激光能量系数，Up为积分后的电压值，最后通过与标准能量计标校，得到准确的Kr，便可得到准确的能量值。

1.2系统总体方案设计

系统检测的激光波长为1064nm、脉冲宽度为30ns，频率为20Hz，到达系统的能量在微焦级。系统设计针对微弱激光脉冲信号的测量要求，综合采用I/V变换、积分放大、峰值保持、A/D转换多种信号处理技术，从而保证足够的响应度和稳定性。

图1　激光能量检测系统总体框图

微弱激光能量检测系统设计为内触发工作方式，总体框图如图1所示，主要由光电探测器、信号处理单元、数据处理单元和上位机操控软件组成。激光脉冲信号经过光电探测器转换为电流信号［2，3］，然后经由信号调理电路变换、积分、放大和保持。经调理并放大到可测量幅度要求的电压信号通过ADC转换为数字量送给微处理器处理，最后将得到的能量值发送到上位机显示。

1.3系统中各单元设计

1.3.1光电探测器选型

由于所测信号为微弱的激光窄脉冲信号，为了保证系统的准确度，必须要求光电探测器的光电转换特性与入射辐射成正比，而且还应具有小的噪声系数、良好的动态响应、较好的灵敏度以及可长期工作的稳定可靠性［4］。根据系统检测的激光波长为1064nm、脉冲宽度为50ns，频率为20Hz，到达系统的能量在微焦级，系统选用PIN光电二极管S2387-1010R，在可见光至近红外范围内它具有高线性、高灵敏度、低噪声功率、大的感光面，非常适用于设计光测量装置，其光谱特性及参数如图2和表1所示。1μJ，则通过光敏面的辐射光功率为：φ=Qt = 0.02mW，光电二极管产生的光电流为：i=S⋅φ= 6.6μA，所产生的最小光电流远大于光电二极管的暗电流，且最小辐射功率也远大于S2387-1010R在20Hz时的噪声功率，因此S2387-1010R可以满足系统的测量要求。

图2　S2387-1010R光谱响应曲线

表1　S2387-1010R主要参数

1.3.2信号调理电路设计

S2387光电二极管产生的电流信号比较微弱的，因此，设计了调理电路将其进行适当的放大，以满足后期处理电路测量幅度的要求［6］，为保证测量精度和测量宽度，调理电路设计为1500倍的放大倍数。调理电路如图3所示，分为I/V变换、积分变换、二级放大、峰值保持、电压跟随和触发电路六部分。

图3　信号调理电路

根据激光能量测量原理，系统电路中需要设计有积分电路，对I/V变换后的电压值做积分采集，要求积分时间要大于信号的脉冲宽度50ns。图3中U2A为系统的积分电路，积分时间为：τ=R2⋅C2= 100ns，满足系统要求。为了减小误差和提高直流负反馈稳定的偏置电压，在电容C2上并联一个大阻值电阻，也用来防止积分漂移所造成的饱和或截止现象。在积分变换之后，对信号进行二次放大，为下一级电路提供适当的幅度。U2部分选用了高速低噪声双运放OPA2132，它内部使用了FET作为放大单元，只需要很小的输入偏置电流（最大50pA），偏移误差一般也非常小，所以在此部分电路设计时，没有采用增加静态平衡电阻的方法来消除偏置电流对电路的影响，以防止由于平衡电阻的原因而引入外部噪声。

U3部分电路为跨导型峰值保持电路，其作用是对积分放大后的电压峰值保持一段时间，保证ADC有足够的时间采集到准确的电压值。如图中U3所示，跨导型峰值保持电路主要由跨导放大器（U3A）、二极管（D1，D2）、保持电容（C1）和电压缓冲器（U3B）组成。峰值保持电路需要保持电容快速充电到峰值，要使用转换速率高的放大器，另外，由于放大器的输出端接有电容，还应注意负反馈的稳定性，所以本部分电路选用OPA2132，不但具有高转换速率（20V/μs），而且双运放具有很好的一致性。在电路中，二极管起选通开关的作用，为达到好的保持效果，要选用反向恢复时间短的二极管，保证输出电压到达峰值时立刻截止，减少反向电量泄露，设计中选用Schottky二极管，其导通电压小、开关时间短。保持电容影响着电路的带宽和反应速度，而且还要选择介质吸收尽量小的电容，在电路制作中，选择了22nF的聚丙烯薄膜电容。经仿真测试，所设计的保持电路的响应时间为5μs，保持时间约为13μs，无过冲现象。

U4和U5电路分别为电压跟随器和触发电路。电压跟随器在电路中起到阻抗匹配的作用。触发电路选用比较器LM211，其作用是给微处理器提供触发信号，使微处理器控制ADC进行采样，比较电路设计为回差式过零比较电路，可以有效的剔除毛刺干扰，防止误动。

在仿真实验中，用信号电流源替代光电二极管产生微小电流信号，其参数设置如图4（a）所示，因为电流信号无法用示波器观察，所以选择U1输出端作为观察点，信号波形为一经放大的反向的脉冲信号（图4（b）中U0），和最终输出信号观察比较（图4（b）中Uout），得出整个放大电路放大倍数为1653倍，在实际电路中，经过观察测试，放大倍数约为1500倍。

图4　电路仿真

1.3.3数据处理单元

数据处理单元由微处理器和ADC组成，接口电路如图5所示。ADC要在峰值保持的时间内采样，才能保证数据的准确，还应具有足够的精度。本模块选用MAXIM推出的可编程12位精度并行输出芯片MAX1304作为A/D转换器［6］，并采用内部时钟工作模式，其有0～+5V的输入范围，内部时钟下仍具有非常快的采样时间（983ksps/s，约为1μs），很小的误差（最大INL为1LSB、DNL为0.9LSB），可以满足系统需求。微处理器模块选用ATMEL公司的ATMEGA128单片机，完成对MAX1304的控制、数据的读取和处理工作。单片机使用RS422标准串口与上位机通信，完成对结果的显示。

单片机PA口的低4位和PF口分别与MAX1304 的12个数据端口相连，其中可以通过配置低8位D0～D7来选通启动的模拟输入通道。上电时，在启动转换位CONVST（接PC0）之前配置寄存器，选择输入通道。写配置时，将片选CS（接PC1）和写使能WR（接PC2）置为低电平，然后将D0～D7位装载到并行总线，再将WR置为高电平，数据在WR上升沿锁存。读数据时，在转换结束标志位EOC（接PC5）下降沿，将CS和读使能RD（接PC3）置为低电平，将转换结果置于并行总线，在RD上升沿读取数据到单片机端口寄存器。

上位机软件使用LabVIEW编写测控软件，完成对下位机的控制、激光漫反射能量检测数据的实时显示和存储。LabVIEW具有图形化的操作和显示界面，使得测试系统便于观察和操作［7］。

图5　数据处理单元接口电路

2　系统软件设计与测试结果

2.1实验测试结果

本激光能量检测系统采用单片机微处理器控制，结合了适当的算法和硬件电路研制而成。本系统通过与标准激光能量计比对，标定出能量和电压的比值关系Kr=146.9，通过公式：Qv=Kr⋅Up= 146.9Up进行换算，得出能量值。实测数据见表2，能量曲线如图6所示，下方曲线为系统的实测曲线，上方曲线为标准能量计。

表2　激光能量检测系统测试数据

图6　测试数据曲线图

从图中可以看出，系统的准确测量范围在0～300μJ，在此线性范围内，系统的平均绝对误差|ΔW| =2.35，系统的不准确度小于5%。系统的测量误差和测量范围主要来自于光电二极管的响应误差、放大电路的温漂，可以根据器件参数进行补偿，提高性能。

3　结论

本激光能量检测系统利用了S2387高灵敏度、较宽的光谱响应范围和A/D芯片MAX1304高精度的优势，改善了激光能量的测量准确度。系统操作简单、快速和准确，通过实验数据表明，本激光能量检测系统准确、可靠，可对0～300μJ微弱能量信号准确测量。

参考文献

［1］韩丽英.光电变换与检测技术［M］.北京：国防工业出版社，2010：17.

［2］田东.基于AT89C51芯片控制的激光功率计的设计［J］.西安邮电大学学报，2014，19（3）：91-94.

［3］张桂英.小能量脉冲激光能量计的设计［D］.西安：西安电子科技大学，2011.

［4］周真，杨军，秦勇.基于PIN光电二极管的光功率计［J］.仪表技术与传感器，2013，10（6）：43-45.

［5］Jerald Graeme著.赖康生，许祖茂译.光电二极管及其放大电路设计［M］.北京：科学出版社，2012：167-168.

［6］索亮，梁芳.基于AVR单片机大容量数据采集系统的设计［J］.山西电子技术，2011，11（2）：28-30.

［7］薛竣文，裴雪丹，苏秉华，等.基于LabVIEW的激光功率数据采集系统［J］.光学与光电技术，2012，10（2）：69-71.

Research on Weak Laser Energy Detection System

WANG Qi1，WANG Xiaoman1，ZHAO Haili1，LIU Peng2，LI Zhigang1，ZHANG Liyuan1
（1.School of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2. Fundammontal Science on Space-ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Abstract：The paper designs a laser energy detection system based on photoelectric method. The system uses a PIN photodiode to detect laser energy. Some operational amplifiers composed of signal conditioning module in system. The system also uses high-speed A/D converter to complete data collection and MCU to process data. The experimental results show that the energy level in the μJ，the system of inaccuracy is 5%. And the test laser spectral range is wide，can achieve visible light to near infrared wavelengths. The program achieves an accurate measurement of weak laser energy.

Key words：weak laser energy；photodetector；photodiode；operational amplifiers

中图分类号：TN29

文献标识码：A

文章编号：1672-9870（2016）02-0062-05

收稿日期：2015-09-20

基金项目：总装靶场测试项目（KYC-XZ-XM-2014-015）

作者简介：王奇（1989-），男，硕士研究生，E-mail：wq_welcome@163.com

通讯作者：王晓曼（1956-），女，教授，博士生导师，E-mail：wmftys@126.com