PSD激光探测功率对给定目标回波信号影响的研究_樊国耀.pdf

Research&Development 研究动态传感器世界 2022.12Vol.28 NO.12 Total 33013摘要：针对 PSD 激光探测对给定目标回波信号的影响研究，文章首先介绍脉冲激光探测系统仿真逻辑模型示意图，并且根据激光回波功率的数学模型，计算脉冲激光输出功率为10 mW时，相关参数给定时回波功率和输出光电流的输出情况；分析仿真入射角度、反射率及探测距离对于回波信号的影响，通过 Multisim 电路仿真观察微弱电流信号放大滤波电路后输出电压的情况，并且通过实验验证不同入射角和照射在PSD探测器不同位置对其输出信号的影响；最后，分析了 PSD 激光脉冲探测输出信号和光电转换模型的联系。通过对不同目标的回波信号（输出电压）进行实验，观察实际输出结果与理论比较接近，为 PSD 探测器的输出信号处理设计和应用研究提供参考价值。关键字：PSD 探测器；给定目标；探测方程；激光脉冲。中图分类号：TN247 文献标识码：A 文章编号：1006-883X(2022)12-0013-06收稿日期：2022-11-10PSD 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 7100210 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DOI:10.16204/ki.sw.2022.12.010研究动态 Research&Development传感器世界 2022.12Vol.28 NO.12 Total 33014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 PIN 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：（1）（2）当坐标原点选在PSD一端时：（2）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：Io=I1+I2 （3）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，目标/背景反射特性模型（探测方程）光学系统模块发射模块信号处理模块系统分析输出响应接收模块激光探测模型激光探测系统XBXALLIoI1N层I层P层光电流入射光Io=I1+I2I212AoLXIIL-=22AoLXIIL+=漫反射面聚光透镜入射光入射光点PSDResearch&Development 研究动态传感器世界 2022.12Vol.28 NO.12 Total 33015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：（4）其中，R 为目标到探测器之间的距离（m）；t为激光束散角；exp为激光目标截面积；exp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；Atm为激光在大气中的单程传输系数；sys为接收光学系统的透过率；norm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 exp=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 Atm=83.75%，光学系统的透过率sys=90%，目标表面法线与接收系统光轴间的夹角 norm=0。通过以上给定的参数值带入到式（4）中得：（5）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：I=0.56A/W45.9mW=25.54A （6）通过计算得知，回波功率为 45.9 W，探测器输出的电流大概为 25.54 A，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 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。2exp2222exp22cos4cos4trAtm sysnormttAtm sysnormPDPRPDR=22210mW 60%(35mm)4(2m)(83.75%)90%45.9WrP=回波信号功率P（W）探测电流I（A）302520151050024681012142345距离R（m）67891011 122345距离R（m）67891011 12回波功率仿真曲线=0.5仿真曲线=0.5法线夹角0法线夹角15法线夹角30法线夹角45法线夹角60法线夹角75法线夹角0法线夹角15法线夹角30法线夹角45法线夹角60法线夹角75回波信号功率P（W）探测电流I（A）302520151050303540455025201510502345距离R（m）67891011 122345距离R（m）67891011 12回波功率仿真曲线=0.8仿真曲线=0.8法线夹角0法线夹角15法线夹角30法线夹角45法线夹角60法线夹角75法线夹角0法线夹角15法线夹角30法线夹角45法线夹角60法线夹角75研究动态 Research&Development传感器世界 2022.12Vol.28 NO.12 Total 33016法线夹角从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 A，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 A、5 A、10 A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VCC 15VVCC 15VR112R1210 kXSC4ABExt Trig+_+_R111R113C10.1 FU1BLM3243241VCC-15VVCC-15VU1A321141R1050 kC20.1 FR1110 R110 kI10.00005A 探针9V V:7.51 V V(p-p):0 V V(rms):0 V V(dc):7.51 V.探针11AI:-I(p-p):-I(rms):-I(dc):-I(freq):-探针12V V:-2.50 V V(p-p):0 V V(rms):0 V V(dc):-2.50 V(freq):-探针13A I:50.0 uA I(p-p):0 A I(rms):0 A I(dc):50.0 uA I(freq):-10 k10 k1110 kLM324 Research&Development 研究动态传感器世界 2022.12Vol.28 NO.12 Total 33017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 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 =0 时，输出电流之和最大；当 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。硬件实验平台主要包括：