PSD激光探测功率对给定目标回波信号影响的研究

樊国耀 方园园 郭鼎

西安工业大学电子信息工程学院，陕西西安 710021

关键字：PSD探测器；给定目标；探测方程；激光脉冲。

0 前言

位置敏感探测器（Position Sensitive Detector，PSD）是一种基于横向光电效应的光电探测器，具有高分辨力、良好的瞬态响应、紧凑的结构以及简单的信号处理电路等特点，被广泛应用在激光探测、目标位置移动距离与目标定位[1]。目前，国内外对于PSD探测器的研究主要包括探测器的输出特性和参数分析，而对于激光回波功率对PSD的影响研究较少。

本文以激光近炸引信目标探测信号为研究对象，开展数学建模和实验进行参量分析。PSD探测器的输出情况跟脉冲激光的照射功率密切相关，因此，本文主要是根据扩展目标接收功率公式，仿真探测脉冲激光系统中光束照射在给定目标表面之后，通过分析其回波功率的大小与探测距离、目标表面法线与接收系统光轴间的夹角、传输反射率之间的关系对PSD探测器的输出电流的影响。由于探测器的输出电流信号很微弱，只有几微安到几十微安[2]，因此对微弱电流信号的处理至关重要。激光对不同目标的回波信号进行实验验证，观察信号处理后的电压信号大小以及分析其原理，这对于PSD探测器在激光探测系统中的研究提供理论支撑。

1 脉冲激光探测系统建模及分析

1.1 系统逻辑模型的建立

脉冲激光探测系统仿真逻辑模型示意图如图1所示。脉冲激光探测系统主要包括四大模块，分别为：激光发射模块、激光接收模块、光学系统模块、信号处理模块[3]。其探测原理是基准信号发生器产生了相关的脉冲信号后，通过激光器发出激光束；通过光学系统之后，发射光束经过大气介质到达目标表面；通过目标物体表面发生漫反射；通过聚光透镜后产生的回波信号通过空气中；最后通过接收光学系统入射到光电位置敏感探测器的光敏面上。探测器可以将光信号转化为相应的电流信号[4]，不同功率的信号以及在探测器表面的不同位置的激光光斑使得输出的电流不同，对影响其的因素进行理论研究、仿真分析、实验验证。

1.2 PSD探测器响应机理分析

PSD探测器的工作原理是基于横向光电效应[5]。横向光电效应是指当半导体PN结或者金属结—半导体结的一面受到非均匀的辐照时[6]，平行于结的一面出现电势差的现象。PSD由3层构成，最上一层是P层，下层是N层，中间插入一较厚的高阻I层，形成P—I—N结构，其结构原理如图2所示，其中Io为光能量产生的光电流；I1和I2是Io沿P层被分为I1和I2两部分输出，XA是入射光点到光斑中心位置的距离，L为光斑中心到两极的距离。

电极输出的光电流反比于入射光位置到各自电极之间的距离[7]，光电流I1和I2可以用下面两种方式表示：

（1）当坐标原点选在PSD中心时：

（2）当坐标原点选在PSD一端时：

由结构原理图可知，探测器将激光反射的光能转换为电流信号流入到探测器两极之间，当激光光斑照射在探测器的不同位置时，其两极输出的电流I1和I2不同，但是两者之和等于输出电流Io，即：

1.3 激光回波功率模型与光电转换模型

脉冲激光波长660 nm，输出功率10 mW，照射到墙面上的反射光束通过聚光透镜之后汇聚成一个光斑点，该光斑点照射在PSD探测器表面。利用数学建模解算出探测器的接收功率大小（即回波功率），通过建模计算探测器接收到激光照射在给定墙面的反射光束通过聚光透镜的回波功率的大小[8]，为PSD探测器信号处理电路的搭建提供理论基础。

对于扩展目标，发射的激光光斑全部落在目标上，并位于接收视场内，入射光照射在目标上，发生漫反射，反射光进入PSD光敏面的光路图如图3所示。

根据激光雷达的接收功率方程[10]可得发生漫反射时的接收功率公式为：

其中，R为目标到探测器之间的距离（m）；θt为激光束散角；σexp为激光目标截面积；ρexp为目标的平均反射系数（MRC）；Pt为激光发射功率；Pr为目标接收功率；D为接收装置孔径；ηAtm为激光在大气中的单程传输系数；ηsys为接收光学系统的透过率；θnorm为目标表面法线与接收激光光轴间的夹角。

由式（4）可知，回波功率的大小和激光发射功率的大小成正比，已知激光发射功率为Pt=10 mW，给定墙面的反射系数为ρexp=60%，设接收光束的光学系统孔径为D=35 mm，设目标到激光发射器之间的距离为R=2 m，激光在大气中的单程传输系数ηAtm=83.75%，光学系统的透过率ηsys=90%，目标表面法线与接收系统光轴间的夹角θnorm=0°。通过以上给定的参数值带入到式（4）中得：

由于PSD探测器的响应度re=I/P= 0.56A/W，则目标反射的光点产生的光电流为：

通过计算得知，回波功率为45.9 µW，探测器输出的电流大概为25.54 µA，入射到PSD探测器的输出电流与输入的激光功率有必然的关系。

1.4 激光目标回波信号仿真分析及验证

为指导探测系统设计，首先需要分析探测模型中各参量变化对探测器可接收回波信号的影响，从而推断探测信号重要影响因子，以此为依据进行探测系统最优化参数设置[11]。

本文按照探测系统的技术指标要求和初步设计的电路工作参数，在特定条件下进行仿真，观察仿真回波功率和探测电压信号的变化规律及变化幅度，分析探测系统各参变量的相互影响。首先考虑光束轴线与被探测平面法线夹角对回波功率和探测电压的影响。当夹角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°时，其回波功率和探测电流仿真曲线如图4所示；同样条件下，改变目标反射系数，其回波功率和探测电流仿真曲线如图5所示。

由图4、图5可知，目标的平均反射系数ρ越大，反射得到的回波功率越大，探测器的输出电流越大。随着探测距离的增加，激光的功率相应地会损失一部分，回波功率变小，由于PSD探测器的响应灵敏度一定，回波功率大小和探测器的输出电流成正比。从曲线总体趋势来看，距离越近，幅度下降越迅速；在一定距离以外，回波功率和电流值都很低，降幅不明显。法线夹角θ从0°到75°变化时，目标到探测器距离相同，夹角越大，回波功率越小，由于夹角越大，激光照射在探测器表面的光功率会损失一部分，回波功率也变小。由于探测电流信号的大小跟回波信号功率大小成正比，因此回波功率仿真曲线和探测电流仿真曲线变化比较接近。

2 仿真验证

根据以上的仿真图以及探测电流的输出结果，在Multisim电路仿真软件中选择合适的转换电路和放大电路，使得输出结果在一个稳定的范围之内。输入电流0～10 µA，通过调理电路之后，使得输出电压信号在0～4 V之间，具体情况如图6所示。

如图7所示，通过信号处理电路观察输出电压的情况，该电路是通过两级放大，前一级通过反向比例放大电路将电流信号转换为电压信号，后一级采用 “T”型放大器，“T”型反馈网络来检测微弱电流，可以减小反馈电阻，有效提高电路的灵敏度和精度。利用电路仿真软件验证，当输入电压分别为1 µA、 5 µA、10 µA时，经过转换电路和放大电路选择电阻值，确定适当的放大倍数，得到输出电压分别为156 mV、756 mV、1.5 V。当采用硬件进行实验验证时，根据输出的电压信号就可以计算出探测器两极的输出电流，具体情况如下所述。

3 实验验证

搭建硬件电路，包括激光脉冲发射模块、角度调节装置、探测器的信号处理模块，当从不同角度照射或者激光光斑直接照射在探测器表面不同位置时，观察探测器的输出情况，如图8所示。

观察光束轴线与被探测平面法线夹角θ对PSD探测器两极电流I1和I2输出的影响，当入射角度相同时，光斑照射在探测器不同位置，其两个电极的输出电流通过信号处理电路转换成电压信号（单位：V），具体情况如表1所示。

由表1得出的数据可知：当θ= 0°时，输出电流之和最大；当θ逐渐变大，输出的电流值逐渐变小，两极的输出电流也将会逐渐变小（照射在探测器的同一个位置），与理论值相符合。

表1 入射角度和照射位置对探测器输出的影响（ρ=0.8，R=2 m）

硬件实验平台主要包括：激光器、PSD探测器、信号处理电路、光学聚光镜、示波器、不同材料背景。当激光分别照射在不同目标表面（镜面、不锈钢、地砖、墙面、塑料）后反射到探测器表面，通过信号处理后输出电压值，用示波器观察输出结果如图9所示。

由图9可知，探测功率和探测角度相同时，由于激光照射在不同材料目标表面上激光束的反射率不同，使照射不同目标表面通过聚光透镜反射到PSD探测器表面的回波功率不同，探测器两极的输出电流大小也不相同，通过信号处理电路输出电压分别为4.56 V、3.77 V、3.17 V、2.33 V、1.88 V。激光发射功率Pt=10 mW，根据激光回波功率公式进行仿真，图10（a）是不同目标反射的回波功率仿真曲线图，图10（b）是激光照射在探测器中间位置输出微弱电流通过信号处理电路之后输出的电压值仿真图，激光照射在不同物体表面之后输出的电压信号和仿真探测电压基本符合，其变化规律基本一致。

4 结束语

本文分析了近距离激光探测系统的回波模型和仿真参数变化对激光回波信号的影响，验证了不同光束入射角以及光斑照射在探测器不同位置时输出电流的情况。根据实验结果可得，入射角度和光斑位置影响两个电极的输出电流，入射角度影响两个电极的输出电流之和，其随着角度的增大而减小。对回波功率和探测器输出电流进行仿真，回波信号仿真数据和曲线与实际探测试验数据规律相吻合。通过硬件实验平台对不同目标的回波信号进行实验验证，由于不同目标激光反射率不同，其输出信号也不同，该激光探测系统可以通过回波信号大小的差异来区分具有不同材料的目标。