四象限探测器的模拟运算电路设计

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【摘要】由于大气湍流的存在使无线激光通信技术的发展受到限制，本文通过研究激光到达角变化情形进而间接反映大气湍流变化，以期能够推动无线激光通信技术的发展；首先介绍了大气湍流及对无线激光通信的影响；其次结合四象限探测器得到到达角测量方法；最后设计出适用于四象限探测器的模拟运算放大电路。

【关键词】激光通信；大气湍流；四象限探测器；模拟运算电路

1引言

当前，空间光通信中的点对点通信模式已经很成熟，随着我国相应地开展了轨道与轨道、轨道与地面、地面与航空平台、地面站点间的空间激光通信实验，其标着我国的该技术水平总体达到世界领先水平[1][2]。然而激光在大气湍流中传播时，由于湍流的不规则性，会使激光的折射率的起伏，破坏了激光相干性。在接收端的表现是光斑发生破碎、畸变、展宽，光强发生起伏。破碎、畸变的光斑进而导致接收端信号数据误码率起伏，给光通信的接收造成极大的困难。因此大气湍流的研究对无线激光通信的发展非常重要。本文提出了一种通过研究激光到达角反映大气湍流的有效模式，并设计出相应的到达角测量电路，以期能够推动对无线激光通信技术的发展。

2大气湍流与无线激光通信

大气信道对激光传输的影响可分为大气衰减、大气湍流和大气散射。大气湍流是一种不规则的随机运动，Richardson提出的级串团图案表示：大湍流尺度的能量来源于外部，不稳定的大湍流进而产生次级的湍流，不稳定的次级湍流又会产生更小的湍流，直至最后完全消耗掉。然而由于热和风的原因，大气处于一直流动的状态，又会有新的窝旋产生，如此运动不止。衡量大气湍流的是湍流的特征尺寸，光束穿过湍流的情形分为三种：一种是光束直径远远小于湍流尺寸，此时湍流对激光的影响主要是使光束发生随机偏折，即光斑会产生随机漂移，就相当于光束进入到一个与空气不同的介质中发生折射一样；一种是光束直径接近湍流尺寸，此时湍流会使光束截面随机偏折，从而形成了到达角起伏，使用光学系统接收时，在平面上会出现像点抖动；一种是光束直径远大于湍流尺寸，此时光束截面内包含多个湍流窝旋，各自对照射的那一小部分光束起着衍射作用，从而使光束强度和相位在空间和时间上出现随机分布，光束面积也将扩大。这就是大气闪烁、相位起伏、光束扩展等效应。

3到达角测量原理

在湍流区域上每一点的温度、压强都是随机涨落。激光在大气湍流中传播时，由于湍流的不规则性，会使激光的折射率的起伏，进而导致激光波阵面发生畸变，破坏了激光相干性。在接收端的表现是光斑发生破碎、畸变、展宽，光强发生起伏。破碎、畸变的光斑进而导致接收端信号数据误码率起伏，给光通信的接收造成极大的困难。到达角起伏效应是指光束在穿过湍流时，由于湍流的存在，光束截面内不同位置其折射率随机变化，使光束波前的不同部分发生随机变化的相移，波前的等相位面的形状随机变化的情况。到达角起伏使接收望远镜焦面上的光斑质心随机抖动，到达角公式由式(1)给出。式中a为光斑质心相对于中心位置的偏差，f为透镜焦距，M为放大倍数。基于上式得到到达角起伏数据进行统计分析，进而得到光斑质心的到达角起伏方差。光斑质心相对于中心位置的偏差通过光轴检测器测量得到，常用的光轴检测器有CCD检测器和四象限检测器。光信号在大气中传输时会受到二次调制，调制频谱在1～100Hz范围内。CCD由于自身的器件特性，帧频不能做的很高。四象限光轴检测系统的检测精度没有CCD检测系统好，但是技术非常成熟，而且四象限光轴检测系统属于微分型器件，响应频率不会受到器件本身限制。四象限光轴探测器是将器件特性相近的四个光电二极管拼接在一起，并将该器件放在接收端焦平面上。根据电流值可测得光功率大小[3]。设Ia、Ib、Ic、Id分别为二极管检测的电流值，

4基于四象限探测器的模拟除法器电路设计

为了简化电路设计的同时不影响到达角的测量，将四象限探测器引脚两两相连可将四象限改为两象限，此时四象限探测器只有两路输出。分别是Ia和Ib之和、Ic和Id之和。基本框图如图1所示。光学聚焦部分是通过长焦透镜将太阳光聚焦，使焦点处在四象限探测器表面位置。由式(1)可知，透镜焦距f值越大，到达角测量时系统反应会更加灵敏[4]。在透镜后面加衰减片是防止因太阳光聚焦后光太强而导致四象限探测器输出直接饱和；I-V转换电路是将四象限探测器输出的电流信号转换为电压信号并放大，便于后续电路处理，I-V转换电路结构采用跨阻放大电路；模拟运算电路是通过加法运算、减法运算和除法运算得到质心的光轴偏移量，即用模拟电路完成表达式(2)和(3)中的运算。I-V转换放大电路是将四象限探测器输出的微安级电流信号转换为电压信号并放大电压信号。四象限探测器输出微安级电流经跨阻放大完成电流信号到电压信号的转换，后端接同相放大进一步放大电压信号。I-V转换放大电路的输出信号为负信号，若后端接加法运算电路后其输出信号依然为负，然而除法电路输入信号不能为负，因此I-V转换放大电路连接加法运算电路时，加法运算电路后需再接单位增益的反向放大电路。经过I-V转换电路放大后的电压信号在1伏以下。模拟运算电路前级为求差电路和求和电路，实现的是减法运算和加法运算功能。后级AD835和一个运放构成了除法器。AD835是差分高阻抗输入、功能完整的四象限乘法器。由于大气湍流的调制频谱在调制频谱在1～100Hz范围内，AD835完全可以满足系统要求。模拟运算电路输出的信号直接接示波器即可观察大气湍流的调制效果。

5结论与展望

首先从工程应用的角度分析了无线激光通信系统面临的通信受信道环境影响大的缺点，通过研究大气湍流理论模型和大气湍流对激光通信的影响指出激光到达角可以有效反映大气湍流效应，并基于四象限探测器研究到达角测量方法并设计出相应的四象限探测器的读出、模拟除法器电路，为大气无线激光通信技术的发展。

参考文献

[1]季小玲.大气湍流对激光束传输特性的影响[J].四川师范大学学报(自然科学版),2012,35(01):127-136.

[2]武琳,应家驹,耿彪.大气湍流对激光传输的影响[J].激光与红外,2008,(10):974-977.

[3]林志琦,李会杰,郎永辉,尹福昌.用四象限光电探测器获得光斑参数[J].光学精密工程,2009,17(04):764-770.

[4]韩国栋,祝瑞玲.一种新型模拟除法器及其应用[J].仪器仪表学报,2001,(05):527-529.

作者:赵凯强 王帅 刘德兴 朱焱 王贺 张海舟 单位:长春理工大学理学院