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摘 要：本文提出了一种基于多窗口透镜光纤的激光检测方法，并根据此方法设计了一种新型激光威胁源预警系统。本系统单个探测窗口的探测视角可达90°，并且具有很强的抗电磁干扰能力，抗高功率激光损伤能力。设计成果可以良好地检测到功率小于1mW的微弱激光信号，并且对激光的入射方向反应准确，经多次测量检验，系统工作正常无误。
关键词：激光探测 透镜光纤 多窗口探测
中图分类号：TN242 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0008-02
激光是一种特殊光源，具有脉冲宽度窄、单色性好、方向性好、平行度好、亮度高等优点，许多高科技领域都是以激光为载体进行发展研究的。如今激光技术在世界领域内飞速发展，对激光威胁源预警仪的设计与研究有重要价值。
采用基于光电二极管阵列的多窗口激光探测技术的传统激光威胁源预警系统，由于光电二极管安装在探测窗口附近，易受到环境中电磁波的干扰，所以有虚警率高的缺点。而采用光纤延迟技术的激光威胁源预警仪则需要高速计时电路，电路复杂，且光纤使用量大，成本较高。
本文将基于光电二极管阵列的多窗口激光探测技术与光纤技术加以融合，得到一种新型的激光预警技术。采用光纤耦合的激光预警仪在抗电磁干扰方面有明显的优势，可以提高系统的可靠性，降低虚警率；并且由于来袭激光不直接作用于光电二极管，从而达到了抗高功率激光损伤的目的。
1 光纤探测器
如图1所示，在半球型的光纤探测器上分布着12个光学窗口，每个光学窗口对应一根透镜光纤，光纤探头摆放在凸透镜焦平面前散焦的位置上，单个窗口视角为90°，角分辨率为30°。这样就能实现水平0°～360°、俯仰-45°～90°的半球形检测。透镜光纤的末端与光电二极管相耦合，工作时通过检测光电二极管是否接收到电流，来判断是否有激光入射并声光报警。
探测窗口的内部结构如图2所示，窗口与透镜的材料采用K9玻璃（ND=1.51637），K9玻璃在300 nm～1100 nm波段具有优良且稳定的透光性。K9玻璃正、反面加镀AR增透膜，可增加6%～10%的透光率。采用了光谱传输范围为380 nm～2400 nm的双石英光纤，衰减值<4dB/km。光纤前端磨成116.12°锥形，锥尖部分加工成球状，构成透镜光纤，以获得更大的检测视场。
2 激光信号处理装置
如图3所示，当激光入射时，光纤探测器产生感应电流，光信号转换成电信号。利用前置放大电路将微弱的感应电流转变为放大后的电压信号输出。电压信号经前置放大电路后转换为TTL电平，但由于该电平脉冲宽度小，需要信号整形电路将其展宽。展宽后的信号经AD采样后送给单片机处理，最后利用液晶进行显示和语音报警。
2.1 前置放大电路
激光脉冲宽度为10～20 ns（其中上升沿5～6 s），因而光纤探测器输出的信号幅度很小且宽度较窄，无法满足对输出电压的探测要求，这就需要设计一个前置放大电路。
如图4所示，选用OPF432光电二极管与光纤相耦合，该组件频谱敏感度500 nm～1100 nm，反向电压100 V，暗电流0.1 nA，上升时间2 ns，下降时间2 ns。光电二极管1N4449用来消除暗电流误差。放大器选用带宽145MHz的AD8065放大器，放大器U1的反馈部分采用3.3 pF电容和24.9 kΩ电阻，其中，电阻将微弱的电流信号转成电压信号，电容则用于补偿零点以消除振荡。两个放大器U1与U2中间设有32 MHz左右的一阶高通滤波器，主要用来滤除环境中的干扰光源。放大器U2将电压信号放大传给MAX913比较器，信号经比较器后转换为TTL电平。
2.2 信号整形电路
由于前置放大电路输出的TTL电平的脉冲宽度较小，不能满足单片机信号采集和转换的要求。为了降低成本和信号处理的复杂性，本系统设计了信号整形电路，利用555芯片构成的单稳态电路将输出的TTL电平展宽。经检测，TTL电平被展宽为22us脉冲宽度的方波信号，满足测量要求，成功实现了利用单片机对激光高速脉冲信号的分辨与处理。
3 结语
本文提出了一种基于多窗口透镜光纤的激光检测方法，并根据此方法设计了一种新型激光威胁源预警系统。实验表明：系统能良好的检测到功率小于1mW的微弱激光信号，并且对激光信号的入射方向反应准确，虚警率低，抗高功率激光损伤能力和抗电磁干扰能力强，经多次测量检验，系统工作正常无误。
参考文献
[1] Orazio Svelto.Principles of Lasers[M].5TH Edition.Springer-Verlag New York Inc，2010.
[2] John Wootton.Laser Warning Systems and Methods.US，20030234349[P].2002-06-20.
[3] Reginald W.Hunter.Compact Laser Warning Receiver.US，5260563[P].1993-08-14.
[4] 付伟.光纤前端的激光告警系统[J].红外与激光技术，1994，24（2）：17-23.
[5] 周瑞.锥形光纤在多窗口激光告警系统中的应用研究[J].光通信研究，2012（2）：23-26.
[6] 田二明.窄脉冲激光光谱与入射方向被动探测方法与关键技术研究[D].中北大学，2013.
[7] 阎鹤.多窗口编码激光预警系统设计与性能分析[J].传感器与微系统，2010，29（10）：59-61.
[8] Sergio Franco. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuit[M].3RD Edition.McGraw-Hill Education，2001.
[9] 赵俊奇.多窗口编码激光预警系统设计[J].火力与指挥控制，2011，36（5）：136-139.
[10] W.Haas and P.Dullenkopf.A Novel Peak Amplitude and Time Detector for Narrow Pulse Signals[J].IEEE Trans.Instr.and Meas.，1986，35（4）：547-550.
关键词：激光探测 透镜光纤 多窗口探测
中图分类号：TN242 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0008-02
激光是一种特殊光源，具有脉冲宽度窄、单色性好、方向性好、平行度好、亮度高等优点，许多高科技领域都是以激光为载体进行发展研究的。如今激光技术在世界领域内飞速发展，对激光威胁源预警仪的设计与研究有重要价值。
采用基于光电二极管阵列的多窗口激光探测技术的传统激光威胁源预警系统，由于光电二极管安装在探测窗口附近，易受到环境中电磁波的干扰，所以有虚警率高的缺点。而采用光纤延迟技术的激光威胁源预警仪则需要高速计时电路，电路复杂，且光纤使用量大，成本较高。
本文将基于光电二极管阵列的多窗口激光探测技术与光纤技术加以融合，得到一种新型的激光预警技术。采用光纤耦合的激光预警仪在抗电磁干扰方面有明显的优势，可以提高系统的可靠性，降低虚警率；并且由于来袭激光不直接作用于光电二极管，从而达到了抗高功率激光损伤的目的。
1 光纤探测器
如图1所示，在半球型的光纤探测器上分布着12个光学窗口，每个光学窗口对应一根透镜光纤，光纤探头摆放在凸透镜焦平面前散焦的位置上，单个窗口视角为90°，角分辨率为30°。这样就能实现水平0°～360°、俯仰-45°～90°的半球形检测。透镜光纤的末端与光电二极管相耦合，工作时通过检测光电二极管是否接收到电流，来判断是否有激光入射并声光报警。
探测窗口的内部结构如图2所示，窗口与透镜的材料采用K9玻璃（ND=1.51637），K9玻璃在300 nm～1100 nm波段具有优良且稳定的透光性。K9玻璃正、反面加镀AR增透膜，可增加6%～10%的透光率。采用了光谱传输范围为380 nm～2400 nm的双石英光纤，衰减值<4dB/km。光纤前端磨成116.12°锥形，锥尖部分加工成球状，构成透镜光纤，以获得更大的检测视场。
2 激光信号处理装置
如图3所示，当激光入射时，光纤探测器产生感应电流，光信号转换成电信号。利用前置放大电路将微弱的感应电流转变为放大后的电压信号输出。电压信号经前置放大电路后转换为TTL电平，但由于该电平脉冲宽度小，需要信号整形电路将其展宽。展宽后的信号经AD采样后送给单片机处理，最后利用液晶进行显示和语音报警。
2.1 前置放大电路
激光脉冲宽度为10～20 ns（其中上升沿5～6 s），因而光纤探测器输出的信号幅度很小且宽度较窄，无法满足对输出电压的探测要求，这就需要设计一个前置放大电路。
如图4所示，选用OPF432光电二极管与光纤相耦合，该组件频谱敏感度500 nm～1100 nm，反向电压100 V，暗电流0.1 nA，上升时间2 ns，下降时间2 ns。光电二极管1N4449用来消除暗电流误差。放大器选用带宽145MHz的AD8065放大器，放大器U1的反馈部分采用3.3 pF电容和24.9 kΩ电阻，其中，电阻将微弱的电流信号转成电压信号，电容则用于补偿零点以消除振荡。两个放大器U1与U2中间设有32 MHz左右的一阶高通滤波器，主要用来滤除环境中的干扰光源。放大器U2将电压信号放大传给MAX913比较器，信号经比较器后转换为TTL电平。
2.2 信号整形电路
由于前置放大电路输出的TTL电平的脉冲宽度较小，不能满足单片机信号采集和转换的要求。为了降低成本和信号处理的复杂性，本系统设计了信号整形电路，利用555芯片构成的单稳态电路将输出的TTL电平展宽。经检测，TTL电平被展宽为22us脉冲宽度的方波信号，满足测量要求，成功实现了利用单片机对激光高速脉冲信号的分辨与处理。
3 结语
本文提出了一种基于多窗口透镜光纤的激光检测方法，并根据此方法设计了一种新型激光威胁源预警系统。实验表明：系统能良好的检测到功率小于1mW的微弱激光信号，并且对激光信号的入射方向反应准确，虚警率低，抗高功率激光损伤能力和抗电磁干扰能力强，经多次测量检验，系统工作正常无误。
参考文献
[1] Orazio Svelto.Principles of Lasers[M].5TH Edition.Springer-Verlag New York Inc，2010.
[2] John Wootton.Laser Warning Systems and Methods.US，20030234349[P].2002-06-20.
[3] Reginald W.Hunter.Compact Laser Warning Receiver.US，5260563[P].1993-08-14.
[4] 付伟.光纤前端的激光告警系统[J].红外与激光技术，1994，24（2）：17-23.
[5] 周瑞.锥形光纤在多窗口激光告警系统中的应用研究[J].光通信研究，2012（2）：23-26.
[6] 田二明.窄脉冲激光光谱与入射方向被动探测方法与关键技术研究[D].中北大学，2013.
[7] 阎鹤.多窗口编码激光预警系统设计与性能分析[J].传感器与微系统，2010，29（10）：59-61.
[8] Sergio Franco. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuit[M].3RD Edition.McGraw-Hill Education，2001.
[9] 赵俊奇.多窗口编码激光预警系统设计[J].火力与指挥控制，2011，36（5）：136-139.
[10] W.Haas and P.Dullenkopf.A Novel Peak Amplitude and Time Detector for Narrow Pulse Signals[J].IEEE Trans.Instr.and Meas.，1986，35（4）：547-550.