CN105973071A - 小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置，包括光学接收窗口、浸没透镜、光电探测器、前置放大模块；其中浸没透镜为由高折射率材料制成的半球形结构，浸没透镜平端粘接在探测器的光敏面前端，且浸没透镜的半径大于探测器的半径；聚焦物镜的焦点位置与浸没透镜的球心重合，且探测器光敏面中心与浸没透镜的球心重合。本发明浸没透镜与探测器通过光胶法粘接在一起，构成了浸没型探测器，优点是在高重频激光接收系统中，在保持大视场角不变情况下，可以将光学成像尺寸缩小，以小光敏面的探测器代替大光敏面的探测器，这样做的好处，既降低了探测器的输出电压噪声，提高探测器的信噪比，又满足了制导系统的大接收视场角的使用要求。
Description
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，主要涉及一种激光接收机前端装置，尤其涉及一种小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置，通过增加光学辅助设计和低噪声前置放大模块设计后，使激光接收机前端装置的性能得到改进。
背景技术
在脉冲激光远场目标识别系统中，为了增大作用距离、提高目标探测精度，目前多采用大功率、高重频的激光器。作为激光信息传输系统的最佳光源，它的高重频特性使其在用作信息传输用途时提供了更多的信息容量，可压缩信息传输时间，减少系统反应时间，为高速激光远场目标识别系统提供了更好的适应性。而作为该系统空间信息场的信息接收系统，激光接收机担负着高重频同步光信息远距离传输的接收工作，并将微弱光信息准确有效地转换成电信号，经过信号放大后，通过解算空间信息编码技术，从而识别信息的特征并进行后续处理。
在高重频激光接收系统的设计中，激光接收机的前端设计是最为重要的组成部分，它包括了接收光学窗口设计、光电探测器和低噪声前置放大器三大部分，激光接收光学窗口设计将通过接收口径的激光收集并汇聚到探测器光敏面上，探测器光敏面的尺寸决定了接收机的接收视场。滤光片则对进入光学窗口的激光进行光谱滤波，减小了杂散光和背景辐射对探测器的干扰，接收机光学窗口的设计为整个探测系统提高了输入信噪比。为了对远距离的微弱光信号进行探测和识别，低噪声前置放大器的设计也非常重要，它决定了整个探测系统的灵敏度及输出信噪比。因此，接收系统激光接收机前端的设计决定了整个接收机系统的设计水平。
激光光源采用了高重频的信息编码，要求接收机的探测器件对激光信号进行快速响应。目前国内现有的接收机前端设计中，主要有两方面影响：
(1)在激光主动探测系统中，尤其是在激光远场目标定位识别、激光通信领域，希望通过具有大接收视场来实现较广的接收覆盖面。为了设计大视场的接收系统，传统上通过压缩接收光学系统的焦距，增大探测器的面积来实现。而现有的大光敏光电探测器都存在对光谱响应时间较长的问题，尤其当入射光工作频率达两百千赫兹以上时，大光敏面光电探测器对光脉冲信号作出响应，经过光电转换后，输出易发生信号重叠现象，无法识别信息编码，动态工作范围降低，达不到预期系统设计要求。
(2)激光接收机采用大视场角接收，满足了脉冲激光远场目标识别系统的接受需求，但是增加了接收有用信号的背景噪声，输入信噪比降低，影响了探测接收系统的灵敏度，造成了系统功能下降。
发明内容
针对脉冲激光远场目标识别系统中激光接收机所存在的高重频接收问题，本发明提出了一种小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置。
本发明的技术方案为：
所述一种小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置，其特征在于：包括光学接收窗口、浸没透镜、光电探测器、前置放大模块；所述光学接收窗口包括滤光片和聚焦物镜；浸没透镜为由高折射率材料制成的半球形结构，浸没透镜平端粘接在探测器的光敏面前端，且浸没透镜的半径大于探测器的半径；聚焦物镜的焦点位置与浸没透镜的球心重合，且探测器光敏面中心与浸没透镜的球心重合；光电探测器对输入激光信号进行光电转换并输出给前置放大模块，前置放大模块对输入电信号进行放大处理。
进一步的优选方案，所述一种小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置，其特征在于：前置放大模块包括前置放大偏置电路及前置放大电路；光电探测器输出的电流信号经过电阻R1转化为电压信号，电压信号通过耦合电容C1输入到前置放大电路晶体管V1基极；所述前置放大偏置电路由偏置电阻R2、偏置电阻R3、偏置电阻R4组成，偏置电阻R2与偏置电阻R3串联后接在直流电压VCC2和地之间，偏置电阻R4一端接在偏置电阻R2与偏置电阻R3之间，另一端接在前置放大电路晶体管V1基极；
前置放大电路包括晶体管V1和晶体管V2，集电极电阻R5接在直流电压VCC2和晶体管V1的集电极之间，晶体管V1的集电极接晶体管V2的基极，直流电压VCC2接晶体管V2的集电极；晶体管V1的射极依次接射极反馈电阻R6和射极阻容网络后接地；晶体管V2的射极接电阻R8后接地。
进一步的优选方案，所述一种小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置，其特征在于：光电探测器由光电探测器反向偏置电路供电；所述光电探测器反向偏置电路由限流电阻R9、滤波电容C3和旁路电容C4组成，直流电压VCC1通过限流电阻R9接光电探测器N极。
进一步的优选方案，所述一种小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置，其特征在于：浸没透镜平端采用胶合剂粘接在探测器的光敏面前端，且胶合剂的折射率低于透镜的折射率。
进一步的优选方案，所述一种小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置，其特征在于：探测器为InGaAs探测器，InGaAs探测器P极与前置放大模块的输入级相连接，InGaAs探测器N极接光电探测器反向偏置电路。
有益效果
本发明的有益效果体现在以下几个方面：
(一)在本发明的接收机装置中，浸没透镜与探测器通过光胶法粘接在一起，构成了浸没型探测器，此技术带来的显著优点是：在高重频激光接收系统中，在保持大视场角不变的情况下，可以将光学成像尺寸缩小，以小光敏面的探测器代替大光敏面的探测器，这样做的好处，既降低了探测器的输出电压噪声，提高探测器的信噪比，又满足了制导系统的大接收视场角的使用要求。
(二)本发明适用于高重复频率范围的激光接收系统，采用了低噪前置放大技术及滤波处理电路，极大地降低了噪声功率，提高了输出信噪比，对后续处理电路有非常重要的作用。前置放大电路采用了分立元件，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1是接收机工作示意图；
图2是浸没透镜与探测器的光路示意图；
图3是低噪前放电路图。
其中：1、滤光片；2、聚光物镜；3、浸没型探测器；4、前置放大模块；5、入射激光；6、浸没透镜；7、InGaAs探测器；8、光电探测器反向偏置电路；9、前置放大偏置电路；10、前置放大电路。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
正如图1所示，本实施例中的小光敏面大接收视场高重频(两百千赫兹以上)激光接收机前端装置，依次包括光学接收窗口、浸没型探测器3、前置放大模块4。
所述光学接收窗口包括滤光片1和聚焦物镜2。滤光片采用前端增透，后端窄带透过的光学镜片，光谱滤光后使1.06μm激光通过。聚焦物镜2采用镀有增透膜的聚焦透镜。
如图2所示，浸没型探测器3由浸没透镜6和InGaAs探测器7组成，浸没透镜为由高折射率材料制成的半球形结构，浸没透镜平端用胶合剂粘接在探测器的光敏面前端，同时保证胶合剂的折射率低于浸没透镜6的折射率，且浸没透镜6的半径大于探测器7的半径。聚焦物镜2的焦点位置与浸没透镜7的球心重合，且探测器7前端中心与浸没透镜7的球心重合。
高重频激光光源的入射激光5由光学接收窗口接收并汇聚在InGaAs探测器7的焦平面上，浸没型探测器3将超出探测器7光敏面的入射光折射到探测器7的光敏面上，等效于一个大光敏面探测器的接收。
InGaAs探测器7对经过光学系统汇聚的激光信号进行光电转换并输出到前置放大模块，前置放大模块对电信号进行放大处理。InGaAs探测器P极接前置放大模块，InGaAs探测器N极接光电探测器反向偏置电路8。
如图3所示，光电探测器反向偏置电路8主要由限流电阻R9和滤波电容C3和旁路电容C4组成，反向偏置电压VCC1通过限流电阻R9接光电探测器N极，反向偏置电压VCC1使光电探测器的线性范围和光电变换的动态范围加宽，限流电阻R9主要保护探测器在偏置电压过高时不被损坏，滤波电容C3主要滤除偏置工作电压的噪声，减小探测器的输出噪声。旁路电容C4主要用于避免电源电压的波动传输到探测器的输入端，而提供的一种对地的回路。
如图3所示，前置放大模块4是一种低噪声设计的放大器模块，主要包括：前置放大偏置电路9及前置放大电路10。光电探测器输出的电流信号经过电阻R1转化为电压信号，电压信号通过耦合电容C1输入到前置放大电路晶体管V1基极。
前置放大偏置电路9是一种低噪声的偏置电路设计，由偏置电阻R2、偏置电阻R3、偏置电阻R4组成，偏置电阻R2与偏置电阻R3串联后接在直流电压VCC2和地之间，偏置电阻R4一端接在偏置电阻R2与偏置电阻R3之间，另一端接在前置放大电路晶体管V1基极。前置放大偏置电路9可有效减小偏置电阻上的直流压降引起的噪声对整个放大电路的影响，同时通过合理的参数设计，保证晶体三极管放大器V1的静态工作点工作在放大区。
前置放大电路包括低噪声、高增益的晶体管V1和晶体管V2，晶体管V1的集电极接晶体管V2的基极，第一个晶体管V1及集电极电阻R5、射极反馈电阻R6、射极阻容网络R7和C2共同构成了电流串联负反馈电路，用于完成实现低噪声、高输入阻抗、高增益的放大作用。集电极电阻R5接在直流电压VCC2和晶体管V1的集电极之间，晶体管V1的射极依次接射极反馈电阻R6和射极阻容网络R7和C2后接地。第二个晶体管V2构成一个射极跟随器，主要实现将能量加于微弱信号上，增强负载驱动能力的电压跟随作用，直流电压VCC2接晶体管V2的集电极；晶体管V2的射极接电阻R8后接地。
低噪声前置放大模块4的工作过程如下：当本发明接收机接通直流电源后，探测器N极接通探测器的工作电压VCC1，探测器工作在反偏状态下，当有高重频的激光5入射到接收视场时，探测器D1产生光电效应，通过光电转换后，从探测器D1的P极输出电流信号，通过负载电阻R1后产生电压信号，经过耦合电容C1进入低噪声前置放大电路10的晶体三极管V1的输入端，同时输入端通过低噪声偏置电路9设计，既保证了放大器工作在放大区，同时减小了偏置电路对噪声的影响。信号经低噪声功率晶体管V1放大后，进入低噪声功率放大晶体V2的输入端，低噪声功率放大晶体V2通过在射极接一个电阻R8，主要实现了电压跟随的作用，使输出信号在整个带宽内的输出阻抗较低，可以提高电路的驱动能力。
Claims (5)
1.一种小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置，其特征在于：包括光学接收窗口、浸没透镜、光电探测器、前置放大模块；所述光学接收窗口包括滤光片和聚焦物镜；浸没透镜为由高折射率材料制成的半球形结构，浸没透镜平端粘接在探测器的光敏面前端，且浸没透镜的半径大于探测器的半径；聚焦物镜的焦点位置与浸没透镜的球心重合，且探测器光敏面中心与浸没透镜的球心重合；光电探测器对输入激光信号进行光电转换并输出给前置放大模块，前置放大模块对输入电信号进行放大处理。
2.根据权利要求1所述一种小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置，其特征在于：前置放大模块包括前置放大偏置电路及前置放大电路；光电探测器输出的电流信号经过电阻R1转化为电压信号，电压信号通过耦合电容C1输入到前置放大电路晶体管V1基极；所述前置放大偏置电路由偏置电阻R2、偏置电阻R3、偏置电阻R4组成，偏置电阻R2与偏置电阻R3串联后接在直流电压VCC2和地之间，偏置电阻R4一端接在偏置电阻R2与偏置电阻R3之间，另一端接在前置放大电路晶体管V1基极；
前置放大电路包括晶体管V1和晶体管V2，集电极电阻R5接在直流电压VCC2和晶体管V1的集电极之间，晶体管V1的集电极接晶体管V2的基极，直流电压VCC2接晶体管V2的集电极；晶体管V1的射极依次接射极反馈电阻R6和射极阻容网络后接地；晶体管V2的射极接电阻R8后接地。
3.根据权利要求2所述一种小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置，其特征在于：光电探测器由光电探测器反向偏置电路供电；所述光电探测器反向偏置电路由限流电阻R9、滤波电容C3和旁路电容C4组成，直流电压VCC1通过限流电阻R9接光电探测器N极。
4.根据权利要求2所述一种小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置，其特征在于：浸没透镜平端采用胶合剂粘接在探测器的光敏面前端，且胶合剂的折射率低于透镜的折射率。
5.根据权利要求3所述一种小光敏面大接收视场高重频激光接收机前端装置，其特征在于：探测器为InGaAs探测器，InGaAs探测器P极与前置放大模块的输入级相连接，InGaAs探测器N极接光电探测器反向偏置电路。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160928 |