专利名称：一种用于光电激光探测系统中的三波段激光探头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用激光探测目标的光电激光探测系统中的三波段激光探头。
本实用新型的三波段激光探头包括滤光片、光电探测器、热释电探测器及对光电探测器和热释电探测器输出信号进行处理的二路信号处理系统。
A.光电探测器为两只相同的工作波长为0.8μm～1.7μm的InGaAs-PIN高速光电探测器1，其中一只光电探测器前置有1.06μm波段的窄带滤光片2，另一只光电探测器前置有1.54μm波段的窄带滤光片3，分别用于探测1.06μm、1.54μm两种激光信号，由于两种激光性能基本相同，所以二光电探测器的输出信号共用一路信号处理系统4。
B.由于热释电探测器信号较弱，为增加探测率，采用两只相同的锗透镜浸没型LiTaO3探测器5，该二探测器前分别置有一片相同的10.6μm波段的窄带滤光片6，共同用于探测10.6μm激光信号，二探测器的输出信号进入同一路信号处理系统7。
所说的信号处理系统4由前置放大器401、带通滤波器402和后续处理电路403组成。
前置放大器401对于多级放大器并具有高增益来说，总噪声主要决定于第一级前放噪声。因此，考虑第一级采用低噪声、高fT管担任电压放大。根据噪声的分析，在高频和较宽频域工作时，主要噪声为RL电阻热噪声。所以设计匹配前置放大器要考虑最佳源电阻，使噪声系数NF至少应≤3db，保持原器件良好的信噪比。
带通滤波器402根据脉冲最佳频率分析，1.06μm 6～12nS和1.54μm 6～12nS激光脉冲信号应在13.2MHz～84MHz的频率内传输损失最小。
后续处理电路403由带通滤波器输出的信号，经后续处理电路中的放大器和门限比较器输出≥10V的电压值。
所说的信号处理系统7由前置放大器701、带通滤波器702和后续处理电路703组成。
前置放大器701采用了高跨导场效应管组成放大器。同时，在这一级放大电路中采用了高频补偿手段，使频率在1MHz左右开始有上翘作用。并且，该前放的电压增益为30倍。
带通滤波器702根据脉冲最佳频率分析，10.6μm 50nS激光脉冲信号的最佳工作频率应选择为3.2MHz～10MHz，其信号损失最小。
后续处理电路703该电路中包括二路放大电路和一路门限电路。每路放大电路都有高频补偿电路，始终保持该系统的频率在1MHz左右开始有上翘作用。使该路在正常工作情况下探测器在高频段也有较好响应。经后续处理电路中的放大器和门限比较器要保证信号输出≥10V的电压值。
上述各部件是装在一个专门设计的70mm×55mm×60mm探头中，由于探头要同时可探测三种波段的激光信号，为减少探头正常工作时信号互相干扰，二路探测信号的前放处理电路的印制板8紧置于探测器旁，后续处理电路置于另一印制板9上，二板之间用金属板10隔开，使探头的电磁谦容性更加可靠。
本实用新型的结构优点是1.由于光电探测器的工作波长为0.8μm～1.7μm，覆盖了要探测的二激光波段1.06μm、1.54μm，从而使二光电探测器的输出信号可共用一路信号处理系统。
2.热释电探测器为锗透镜浸没型LiTaO3探测器，由于浸没透镜的作用，有效的光敏面比灵敏元面积大得多，另外由于探测率与探测器所对应的视场角有关，通过浸没透镜后，可以保持更大的视场角，从而提高了探测率，缩小了LiTaO3探测元件的尺寸。
热释电探测器为锗透镜浸没型LiTaO3探测器，透镜作增透处理，浸没胶用硒砷锭硫，视场角大于55°。
置于两只光电探测器件前的窄带滤光片分别为1.06μm和1.54μm，波长半宽度Δλ＝0.02μm。
置于两只热释电探测器件前的窄带滤光片为二片相同的，波长为10.6μm，波长半宽度Δλ≈0.4μm。
信号处理系统前置放大器401和701由噪声原理得知，总噪声是由第一级噪声F1决定。F=F1+F2-1G1+F3-1G1G2+ΛΛ]]>为了考虑第一级的作用，因此采用低噪声、高fT管担任电压放大。
在高频、较宽频域工作时，主要噪声项为RL电阻热噪声。所以匹配第一级前放设计时考虑最佳源电阻，使噪声系数NF(至少应≤3db)，保持原器件良好信噪比。
当RL＝Ropt＝VN/IN时，噪声系数最小，这时NFmin=10lg(1+VNIN2KTΔf)]]>性能优良的低噪声晶体管，其VNIN乘积可达10-24量级，但即便10-22量级的管子，只要实现Ropt＝VN/IN，NFmin也可≤1db。
由上可知，设计1.06μm 6～12nS、1.54μm 6～12nS这一路放大器的第一级前放时，采用双级型晶体管2SC194和3CG140，它在100Hz以后一般按1/ 规律下降，几十兆赫时可达10-11V/ 量级，而IN则在10-12A/ 量级。所以选用双级型晶体管为匹配级实现Ropt≈VN/IN是不成问题的。该前放闭环增益实际为20倍左右，并具有RC选频网路，工作频率13.2MHz～84MHz。因为，这一路激光信号很强，后续放大器的增益有10～20倍，其总增益为300倍，通过门限比较器就可达到≥10V。
设计10.6μm 50nS放大器的第一级前放时，由于LiTaO3器件体电容有60pf左右，前放等效输入电容40pf左右，输入端复阻抗中电容起主导作用，1/ωc约240Ω。这时前放VN为10-11V/ 量级，IN为10-13～10-12A/ 量级，基本满足Ropt＝VN/IN。该探头采用双LiTaO3器件及第一级采用对管2SK194和3CG140放大。因为信号叠加，噪声等于单管放大的噪声，这样可以增加探测的灵敏度，而噪声保持不变。所以，前放闭环增益实际为30倍左右，并具有RC选频网路，工作频率3.2MHz～10MHz。因为，这一路激光信号很弱，并且LiTaO3器件还要随着频率升高，探测器的响应率下降。所以，在每一级放大电路中采取高频补偿，才能使其电路的总增益≥50000倍。实际设计电路总增益为40000倍～80000倍，才能通过门限比较器达到≥10V信号输出。
在这两路前置放大器中均采用复合放大，这样可以充分利用电源的效率，并保证这一级工作频率范围。特别是10.6μm 50nS激光信号探测，使其的闭环增益随着工作频率增加而增加。连接LiTaO3探测器后，使该探测器在正常工作时对高频有较好响应。
带通滤波器402和702根据最佳脉冲传输原理得出1.06μm 6～12nS和1.54μm 6～12nS激光脉冲信号，由RC低通滤波器得知。若输入脉冲Vi的幅值为E，脉宽为t2-t1，电容C要充电达到输入脉冲幅值E，脉冲时间t2-t1应正好等于地通滤波器时间常数t2’-t1’的5倍。因此，对于t2-t1＝6nS的脉冲来说，t2’-t1’应为1.2nS。1.2nS当然又能满足把12nS脉宽的脉冲充到幅值E。若要保证传输(1-1/e)E幅值6nS脉冲，高端工作频率应为(1-1e)12π(t2,-t1,)=84MHz]]>对于低端工作频率，RC高通滤波器时间常数为输入脉冲持续时间10倍时，输出脉冲后沿下降至0.9E。RC为输入脉冲持续时间0.1倍时，输出脉冲后沿降至0.1E。介于0.1倍至10倍之间的输出结果。如果取中间值1倍，12nS脉冲输出后沿降至约0.5E处，则输出脉冲能量占输入脉冲能量近似为75％。
这时底端频率fL=16.28×1×12×10-9≈13.2MHz]]>所以，最佳工作频率Δf＝84MHz-13.2MHz＝70.8MHz。在这样的频域内6nS～12nS脉冲传输损失小于50％。
同理，得出10.6μm 50nS激光脉冲信号的最佳工作频率为3.2MHz～10MHz。
后续处理电路403和703在后续放大电路中均采用高性能集成运放AD811，保证了脉冲信号最佳传输。并且能马上驱动门限电路，做出报警信号。
门限电路设计，由于1.06μm或1.54μm脉冲激光瞬时功率较强，电路总增益只有300倍左右。而且噪声按1/ 规律下降，由信号估算中得出VN＝7.7μV，经放大，输出噪声为2.3mV。门电平可设定为门电路的反向输入端直流电位比正向输入端无信号时静态电位高5倍左右，既保证有足够高的信号电平输出，而且又能抑制因噪声引起的误警。
对10.6μm脉冲激光信号的门限电路设计时，考虑激光信号很弱，以及LiTaO3器件的性能，在信号估算中得出VN＝6.4×10-7V，电路总增益为40000～80000倍。由于增益很高，所以总噪声电平可达1V左右。根据经验门电平可设定为门电路的反向输入端直流电位比正向输入端无信号时静态电位高出2～3倍为宜。
权利要求1.一种用于光电激光探测系统中的三波段激光探头，包括滤光片、光电探测器、热释电探测器及对光电探测器和热释电探测器输出信号进行处理的二路信号处理系统，其特征在于A.光电探测器为两只相同的工作波长为0.8μm～1.7μm的InGaAs-PIN高速光电探测器(1)，其中一只光电探测器前置有1.06μm波段的窄带滤光片(2)，另一只光电探测器前置有1.54μm波段的窄带滤光片(3)，二光电探测器的输出信号共用一路信号处理系统(4)；B.热释电探测器为两只相同的锗透镜浸没型LiTaO3探测器(5)，该二探测器前各置有一片10.6μm波段的窄带滤光片(6)，二探测器的输出信号共用一路信号处理系统(7)；二路信号处理系统的前置放大处理电路的印制板(8)紧置于探测器旁，二路信号处理系统的后续处理电路置于另一印制板(9)上，二板之间用金属板(10)隔开；所说的信号处理系统(4)由前置放大器(401)、带通滤波器(402)和后续处理电路(403)组成；所说的信号处理系统(7)由前置放大器(701)、带通滤波器(702)和后续处理电路(703)组成。
专利摘要一种用于光电激光探测系统中的三波段激光探头，包括窄带滤光片、光电探测器、锗浸没型LiTaO
文档编号G01J1/00GK2567553SQ02216829
公开日2003年8月20日 申请日期2002年4月16日 优先权日2002年4月16日
发明者沈学民, 汤志鸣, 马继富 申请人:中国科学院上海技术物理研究所