專利名稱：一種用于光電激光探測系統(tǒng)中的三波段激光探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用激光探測目標(biāo)的光電激光探測系統(tǒng)中的三波段激光探頭。
本實(shí)用新型的三波段激光探頭包括濾光片、光電探測器、熱釋電探測器及對(duì)光電探測器和熱釋電探測器輸出信號(hào)進(jìn)行處理的二路信號(hào)處理系統(tǒng)。
A.光電探測器為兩只相同的工作波長為0.8μm～1.7μm的InGaAs-PIN高速光電探測器1，其中一只光電探測器前置有1.06μm波段的窄帶濾光片2，另一只光電探測器前置有1.54μm波段的窄帶濾光片3，分別用于探測1.06μm、1.54μm兩種激光信號(hào)，由于兩種激光性能基本相同，所以二光電探測器的輸出信號(hào)共用一路信號(hào)處理系統(tǒng)4。
B.由于熱釋電探測器信號(hào)較弱，為增加探測率，采用兩只相同的鍺透鏡浸沒型LiTaO3探測器5，該二探測器前分別置有一片相同的10.6μm波段的窄帶濾光片6，共同用于探測10.6μm激光信號(hào)，二探測器的輸出信號(hào)進(jìn)入同一路信號(hào)處理系統(tǒng)7。
所說的信號(hào)處理系統(tǒng)4由前置放大器401、帶通濾波器402和后續(xù)處理電路403組成。
前置放大器401對(duì)于多級(jí)放大器并具有高增益來說，總噪聲主要決定于第一級(jí)前放噪聲。因此，考慮第一級(jí)采用低噪聲、高fT管擔(dān)任電壓放大。根據(jù)噪聲的分析，在高頻和較寬頻域工作時(shí)，主要噪聲為RL電阻熱噪聲。所以設(shè)計(jì)匹配前置放大器要考慮最佳源電阻，使噪聲系數(shù)NF至少應(yīng)≤3db，保持原器件良好的信噪比。
帶通濾波器402根據(jù)脈沖最佳頻率分析，1.06μm 6～12nS和1.54μm 6～12nS激光脈沖信號(hào)應(yīng)在13.2MHz～84MHz的頻率內(nèi)傳輸損失最小。
后續(xù)處理電路403由帶通濾波器輸出的信號(hào)，經(jīng)后續(xù)處理電路中的放大器和門限比較器輸出≥10V的電壓值。
所說的信號(hào)處理系統(tǒng)7由前置放大器701、帶通濾波器702和后續(xù)處理電路703組成。
前置放大器701采用了高跨導(dǎo)場效應(yīng)管組成放大器。同時(shí)，在這一級(jí)放大電路中采用了高頻補(bǔ)償手段，使頻率在1MHz左右開始有上翹作用。并且，該前放的電壓增益為30倍。
帶通濾波器702根據(jù)脈沖最佳頻率分析，10.6μm 50nS激光脈沖信號(hào)的最佳工作頻率應(yīng)選擇為3.2MHz～10MHz，其信號(hào)損失最小。
后續(xù)處理電路703該電路中包括二路放大電路和一路門限電路。每路放大電路都有高頻補(bǔ)償電路，始終保持該系統(tǒng)的頻率在1MHz左右開始有上翹作用。使該路在正常工作情況下探測器在高頻段也有較好響應(yīng)。經(jīng)后續(xù)處理電路中的放大器和門限比較器要保證信號(hào)輸出≥10V的電壓值。
上述各部件是裝在一個(gè)專門設(shè)計(jì)的70mm×55mm×60mm探頭中，由于探頭要同時(shí)可探測三種波段的激光信號(hào)，為減少探頭正常工作時(shí)信號(hào)互相干擾，二路探測信號(hào)的前放處理電路的印制板8緊置于探測器旁，后續(xù)處理電路置于另一印制板9上，二板之間用金屬板10隔開，使探頭的電磁謙容性更加可靠。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是1.由于光電探測器的工作波長為0.8μm～1.7μm，覆蓋了要探測的二激光波段1.06μm、1.54μm，從而使二光電探測器的輸出信號(hào)可共用一路信號(hào)處理系統(tǒng)。
2.熱釋電探測器為鍺透鏡浸沒型LiTaO3探測器，由于浸沒透鏡的作用，有效的光敏面比靈敏元面積大得多，另外由于探測率與探測器所對(duì)應(yīng)的視場角有關(guān)，通過浸沒透鏡后，可以保持更大的視場角，從而提高了探測率，縮小了LiTaO3探測元件的尺寸。
熱釋電探測器為鍺透鏡浸沒型LiTaO3探測器，透鏡作增透處理，浸沒膠用硒砷錠硫，視場角大于55°。
置于兩只光電探測器件前的窄帶濾光片分別為1.06μm和1.54μm，波長半寬度Δλ＝0.02μm。
置于兩只熱釋電探測器件前的窄帶濾光片為二片相同的，波長為10.6μm，波長半寬度Δλ≈0.4μm。
信號(hào)處理系統(tǒng)前置放大器401和701由噪聲原理得知，總噪聲是由第一級(jí)噪聲F1決定。F=F1+F2-1G1+F3-1G1G2+ΛΛ]]>為了考慮第一級(jí)的作用，因此采用低噪聲、高fT管擔(dān)任電壓放大。
在高頻、較寬頻域工作時(shí)，主要噪聲項(xiàng)為RL電阻熱噪聲。所以匹配第一級(jí)前放設(shè)計(jì)時(shí)考慮最佳源電阻，使噪聲系數(shù)NF(至少應(yīng)≤3db)，保持原器件良好信噪比。
當(dāng)RL＝Ropt＝VN/IN時(shí)，噪聲系數(shù)最小，這時(shí)NFmin=10lg(1+VNIN2KTΔf)]]>性能優(yōu)良的低噪聲晶體管，其VNIN乘積可達(dá)10-24量級(jí)，但即便10-22量級(jí)的管子，只要實(shí)現(xiàn)Ropt＝VN/IN，NFmin也可≤1db。
由上可知，設(shè)計(jì)1.06μm 6～12nS、1.54μm 6～12nS這一路放大器的第一級(jí)前放時(shí)，采用雙級(jí)型晶體管2SC194和3CG140，它在100Hz以后一般按1/ 規(guī)律下降，幾十兆赫時(shí)可達(dá)10-11V/ 量級(jí)，而IN則在10-12A/ 量級(jí)。所以選用雙級(jí)型晶體管為匹配級(jí)實(shí)現(xiàn)Ropt≈VN/IN是不成問題的。該前放閉環(huán)增益實(shí)際為20倍左右，并具有RC選頻網(wǎng)路，工作頻率13.2MHz～84MHz。因?yàn)椋@一路激光信號(hào)很強(qiáng)，后續(xù)放大器的增益有10～20倍，其總增益為300倍，通過門限比較器就可達(dá)到≥10V。
設(shè)計(jì)10.6μm 50nS放大器的第一級(jí)前放時(shí)，由于LiTaO3器件體電容有60pf左右，前放等效輸入電容40pf左右，輸入端復(fù)阻抗中電容起主導(dǎo)作用，1/ωc約240Ω。這時(shí)前放VN為10-11V/ 量級(jí)，IN為10-13～10-12A/ 量級(jí)，基本滿足Ropt＝VN/IN。該探頭采用雙LiTaO3器件及第一級(jí)采用對(duì)管2SK194和3CG140放大。因?yàn)樾盘?hào)疊加，噪聲等于單管放大的噪聲，這樣可以增加探測的靈敏度，而噪聲保持不變。所以，前放閉環(huán)增益實(shí)際為30倍左右，并具有RC選頻網(wǎng)路，工作頻率3.2MHz～10MHz。因?yàn)?，這一路激光信號(hào)很弱，并且LiTaO3器件還要隨著頻率升高，探測器的響應(yīng)率下降。所以，在每一級(jí)放大電路中采取高頻補(bǔ)償，才能使其電路的總增益≥50000倍。實(shí)際設(shè)計(jì)電路總增益為40000倍～80000倍，才能通過門限比較器達(dá)到≥10V信號(hào)輸出。
在這兩路前置放大器中均采用復(fù)合放大，這樣可以充分利用電源的效率，并保證這一級(jí)工作頻率范圍。特別是10.6μm 50nS激光信號(hào)探測，使其的閉環(huán)增益隨著工作頻率增加而增加。連接LiTaO3探測器后，使該探測器在正常工作時(shí)對(duì)高頻有較好響應(yīng)。
帶通濾波器402和702根據(jù)最佳脈沖傳輸原理得出1.06μm 6～12nS和1.54μm 6～12nS激光脈沖信號(hào)，由RC低通濾波器得知。若輸入脈沖Vi的幅值為E，脈寬為t2-t1，電容C要充電達(dá)到輸入脈沖幅值E，脈沖時(shí)間t2-t1應(yīng)正好等于地通濾波器時(shí)間常數(shù)t2’-t1’的5倍。因此，對(duì)于t2-t1＝6nS的脈沖來說，t2’-t1’應(yīng)為1.2nS。1.2nS當(dāng)然又能滿足把12nS脈寬的脈沖充到幅值E。若要保證傳輸(1-1/e)E幅值6nS脈沖，高端工作頻率應(yīng)為(1-1e)12π(t2,-t1,)=84MHz]]>對(duì)于低端工作頻率，RC高通濾波器時(shí)間常數(shù)為輸入脈沖持續(xù)時(shí)間10倍時(shí)，輸出脈沖后沿下降至0.9E。RC為輸入脈沖持續(xù)時(shí)間0.1倍時(shí)，輸出脈沖后沿降至0.1E。介于0.1倍至10倍之間的輸出結(jié)果。如果取中間值1倍，12nS脈沖輸出后沿降至約0.5E處，則輸出脈沖能量占輸入脈沖能量近似為75％。
這時(shí)底端頻率fL=16.28×1×12×10-9≈13.2MHz]]>所以，最佳工作頻率Δf＝84MHz-13.2MHz＝70.8MHz。在這樣的頻域內(nèi)6nS～12nS脈沖傳輸損失小于50％。
同理，得出10.6μm 50nS激光脈沖信號(hào)的最佳工作頻率為3.2MHz～10MHz。
后續(xù)處理電路403和703在后續(xù)放大電路中均采用高性能集成運(yùn)放AD811，保證了脈沖信號(hào)最佳傳輸。并且能馬上驅(qū)動(dòng)門限電路，做出報(bào)警信號(hào)。
門限電路設(shè)計(jì)，由于1.06μm或1.54μm脈沖激光瞬時(shí)功率較強(qiáng)，電路總增益只有300倍左右。而且噪聲按1/ 規(guī)律下降，由信號(hào)估算中得出VN＝7.7μV，經(jīng)放大，輸出噪聲為2.3mV。門電平可設(shè)定為門電路的反向輸入端直流電位比正向輸入端無信號(hào)時(shí)靜態(tài)電位高5倍左右，既保證有足夠高的信號(hào)電平輸出，而且又能抑制因噪聲引起的誤警。
對(duì)10.6μm脈沖激光信號(hào)的門限電路設(shè)計(jì)時(shí)，考慮激光信號(hào)很弱，以及LiTaO3器件的性能，在信號(hào)估算中得出VN＝6.4×10-7V，電路總增益為40000～80000倍。由于增益很高，所以總噪聲電平可達(dá)1V左右。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)門電平可設(shè)定為門電路的反向輸入端直流電位比正向輸入端無信號(hào)時(shí)靜態(tài)電位高出2～3倍為宜。
權(quán)利要求1.一種用于光電激光探測系統(tǒng)中的三波段激光探頭，包括濾光片、光電探測器、熱釋電探測器及對(duì)光電探測器和熱釋電探測器輸出信號(hào)進(jìn)行處理的二路信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在于A.光電探測器為兩只相同的工作波長為0.8μm～1.7μm的InGaAs-PIN高速光電探測器(1)，其中一只光電探測器前置有1.06μm波段的窄帶濾光片(2)，另一只光電探測器前置有1.54μm波段的窄帶濾光片(3)，二光電探測器的輸出信號(hào)共用一路信號(hào)處理系統(tǒng)(4)；B.熱釋電探測器為兩只相同的鍺透鏡浸沒型LiTaO3探測器(5)，該二探測器前各置有一片10.6μm波段的窄帶濾光片(6)，二探測器的輸出信號(hào)共用一路信號(hào)處理系統(tǒng)(7)；二路信號(hào)處理系統(tǒng)的前置放大處理電路的印制板(8)緊置于探測器旁，二路信號(hào)處理系統(tǒng)的后續(xù)處理電路置于另一印制板(9)上，二板之間用金屬板(10)隔開；所說的信號(hào)處理系統(tǒng)(4)由前置放大器(401)、帶通濾波器(402)和后續(xù)處理電路(403)組成；所說的信號(hào)處理系統(tǒng)(7)由前置放大器(701)、帶通濾波器(702)和后續(xù)處理電路(703)組成。
專利摘要一種用于光電激光探測系統(tǒng)中的三波段激光探頭，包括窄帶濾光片、光電探測器、鍺浸沒型LiTaO
文檔編號(hào)G01J1/00GK2567553SQ02216829
公開日2003年8月20日 申請(qǐng)日期2002年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月16日
發(fā)明者沈?qū)W民, 湯志鳴, 馬繼富 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所