智能激光威脅源預警儀的設計與研究

聶萌 馮濤

摘 要：本文提出了一種基于多窗口透鏡光纖的激光檢測方法，并根據此方法設計了一種新型激光威脅源預警系統。本系統單個探測窗口的探測視角可達90°，并且具有很強的抗電磁干擾能力，抗高功率激光損傷能力。設計成果可以良好地檢測到功率小于1mW的微弱激光信號，并且對激光的入射方向反應準確，經多次測量檢驗，系統工作正常無誤。

關鍵詞：激光探測 透鏡光纖 多窗口探測

中圖分類號：TN242 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0008-02

激光是一種特殊光源，具有脈沖寬度窄、單色性好、方向性好、平行度好、亮度高等優點，許多高科技領域都是以激光為載體進行發展研究的。如今激光技術在世界領域內飛速發展，對激光威脅源預警儀的設計與研究有重要價值。

采用基于光電二極管陣列的多窗口激光探測技術的傳統激光威脅源預警系統，由于光電二極管安裝在探測窗口附近，易受到環境中電磁波的干擾，所以有虛警率高的缺點。而采用光纖延遲技術的激光威脅源預警儀則需要高速計時電路，電路復雜，且光纖使用量大，成本較高。

本文將基于光電二極管陣列的多窗口激光探測技術與光纖技術加以融合，得到一種新型的激光預警技術。采用光纖耦合的激光預警儀在抗電磁干擾方面有明顯的優勢，可以提高系統的可靠性，降低虛警率；并且由于來襲激光不直接作用于光電二極管，從而達到了抗高功率激光損傷的目的。

1 光纖探測器

如圖1所示，在半球型的光纖探測器上分布著12個光學窗口，每個光學窗口對應一根透鏡光纖，光纖探頭擺放在凸透鏡焦平面前散焦的位置上，單個窗口視角為90°，角分辨率為30°。這樣就能實現水平0°～360°、俯仰-45°～90°的半球形檢測。透鏡光纖的末端與光電二極管相耦合，工作時通過檢測光電二極管是否接收到電流，來判斷是否有激光入射并聲光報警。

探測窗口的內部結構如圖2所示，窗口與透鏡的材料采用K9玻璃（ND=1.51637），K9玻璃在300 nm～1100 nm波段具有優良且穩定的透光性。K9玻璃正、反面加鍍AR增透膜，可增加6%～10%的透光率。采用了光譜傳輸范圍為380 nm～2400 nm的雙石英光纖，衰減值<4dB/km。光纖前端磨成116.12°錐形，錐尖部分加工成球狀，構成透鏡光纖，以獲得更大的檢測視場。

2 激光信號處理裝置

如圖3所示，當激光入射時，光纖探測器產生感應電流，光信號轉換成電信號。利用前置放大電路將微弱的感應電流轉變為放大后的電壓信號輸出。電壓信號經前置放大電路后轉換為TTL電平，但由于該電平脈沖寬度小，需要信號整形電路將其展寬。展寬后的信號經AD采樣后送給單片機處理，最后利用液晶進行顯示和語音報警。

2.1 前置放大電路

激光脈沖寬度為10～20 ns（其中上升沿5～6 s），因而光纖探測器輸出的信號幅度很小且寬度較窄，無法滿足對輸出電壓的探測要求，這就需要設計一個前置放大電路。

如圖4所示，選用OPF432光電二極管與光纖相耦合，該組件頻譜敏感度500 nm～1100 nm，反向電壓100 V，暗電流0.1 nA，上升時間2 ns，下降時間2 ns。光電二極管1N4449用來消除暗電流誤差。放大器選用帶寬145MHz的AD8065放大器，放大器U1的反饋部分采用3.3 pF電容和24.9 kΩ電阻，其中，電阻將微弱的電流信號轉成電壓信號，電容則用于補償零點以消除振蕩。兩個放大器U1與U2中間設有32 MHz左右的一階高通濾波器，主要用來濾除環境中的干擾光源。放大器U2將電壓信號放大傳給MAX913比較器，信號經比較器后轉換為TTL電平。

2.2 信號整形電路

由于前置放大電路輸出的TTL電平的脈沖寬度較小，不能滿足單片機信號采集和轉換的要求。為了降低成本和信號處理的復雜性，本系統設計了信號整形電路，利用555芯片構成的單穩態電路將輸出的TTL電平展寬。經檢測，TTL電平被展寬為22us脈沖寬度的方波信號，滿足測量要求，成功實現了利用單片機對激光高速脈沖信號的分辨與處理。

3 結語

本文提出了一種基于多窗口透鏡光纖的激光檢測方法，并根據此方法設計了一種新型激光威脅源預警系統。實驗表明：系統能良好的檢測到功率小于1mW的微弱激光信號，并且對激光信號的入射方向反應準確，虛警率低，抗高功率激光損傷能力和抗電磁干擾能力強，經多次測量檢驗，系統工作正常無誤。

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