四象限探測器的模擬運算電路設計論文
【摘要】由於大氣湍流的存在使無線鐳射通訊技術的發展受到限制，本文透過研究鐳射到達角變化情形進而間接反映大氣湍流變化，以期能夠推動無線鐳射通訊技術的發展；首先介紹了大氣湍流及對無線鐳射通訊的影響；其次結合四象限探測器得到到達角測量方法；最後設計出適用於四象限探測器的模擬運算放大電路。
【關鍵詞】鐳射通訊；大氣湍流；四象限探測器；模擬運算電路
1引言
當前，空間光通訊中的點對點通訊模式已經很成熟，隨著我國相應地開展了軌道與軌道、軌道與地面、地面與航空平臺、地面站點間的空間鐳射通訊實驗，其標著我國的該技術水平總體達到世界領先水平[1][2]。然而鐳射在大氣湍流中傳播時，由於湍流的不規則性，會使鐳射的折射率的起伏，破壞了鐳射相干性。在接收端的表現是光斑發生破碎、畸變、展寬，光強發生起伏。破碎、畸變的光斑進而導致接收端訊號資料誤位元速率起伏，給光通訊的接收造成極大的困難。因此大氣湍流的研究對無線鐳射通訊的發展非常重要。本文提出了一種透過研究鐳射到達角反映大氣湍流的有效模式，並設計出相應的到達角測量電路，以期能夠推動對無線鐳射通訊技術的發展。
2大氣湍流與無線鐳射通訊
大氣通道對鐳射傳輸的影響可分為大氣衰減、大氣湍流和大氣散射。大氣湍流是一種不規則的隨機運動，Richardson提出的級串團圖案表示：大湍流尺度的.能量來源於外部，不穩定的大湍流進而產生次級的湍流，不穩定的次級湍流又會產生更小的湍流，直至最後完全消耗掉。然而由於熱和風的原因，大氣處於一直流動的狀態，又會有新的窩旋產生，如此運動不止。衡量大氣湍流的是湍流的特徵尺寸，光束穿過湍流的情形分為三種：一種是光束直徑遠遠小於湍流尺寸，此時湍流對鐳射的影響主要是使光束髮生隨機偏折，即光斑會產生隨機漂移，就相當於光束進入到一個與空氣不同的介質中發生折射一樣；一種是光束直徑接近湍流尺寸，此時湍流會使光束截面隨機偏折，從而形成了到達角起伏，使用光學系統接收時，在平面上會出現像點抖動；一種是光束直徑遠大於湍流尺寸，此時光束截面內包含多個湍流窩旋，各自對照射的那一小部分光束起著衍射作用，從而使光束強度和相位在空間和時間上出現隨機分佈，光束面積也將擴大。這就是大氣閃爍、相位起伏、光束擴充套件等效應。
3到達角測量原理
在湍流區域上每一點的溫度、壓強都是隨機漲落。鐳射在大氣湍流中傳播時，由於湍流的不規則性，會使鐳射的折射率的起伏，進而導致鐳射波陣面發生畸變，破壞了鐳射相干性。在接收端的表現是光斑發生破碎、畸變、展寬，光強發生起伏。破碎、畸變的光斑進而導致接收端訊號資料誤位元速率起伏，給光通訊的接收造成極大的困難。到達角起伏效應是指光束在穿過湍流時，由於湍流的存在，光束截面內不同位置其折射率隨機變化，使光束波前的不同部分發生隨機變化的相移，波前的等相位面的形狀隨機變化的情況。到達角起伏使接收望遠鏡焦面上的光斑質心隨機抖動，到達角公式由式(1)給出。式中a為光斑質心相對於中心位置的偏差，f為透鏡焦距，M為放大倍數。基於上式得到到達角起伏資料進行統計分析，進而得到光斑質心的到達角起伏方差。光斑質心相對於中心位置的偏差透過光軸檢測器測量得到，常用的光軸檢測器有CCD檢測器和四象限檢測器。光訊號在大氣中傳輸時會受到二次調製，調製頻譜在1～100Hz範圍內。CCD由於自身的器件特性，幀頻不能做的很高。四象限光軸檢測系統的檢測精度沒有CCD檢測系統好，但是技術非常成熟，而且四象限光軸檢測系統屬於微分型器件，響應頻率不會受到器件本身限制。四象限光軸探測器是將器件特性相近的四個光電二極體拼接在一起，並將該器件放在接收端焦平面上。根據電流值可測得光功率大小[3]。設Ia、Ib、Ic、Id分別為二極體檢測的電流值，
4基於四象限探測器的模擬除法器電路設計
為了簡化電路設計的同時不影響到達角的測量，將四象限探測器引腳兩兩相連可將四象限改為兩象限，此時四象限探測器只有兩路輸出。分別是Ia和Ib之和、Ic和Id之和。基本框圖如圖1所示。光學聚焦部分是透過長焦透鏡將太陽光聚焦，使焦點處在四象限探測器表面位置。由式(1)可知，透鏡焦距f值越大，到達角測量時系統反應會更加靈敏[4]。在透鏡後面加衰減片是防止因太陽光聚焦後光太強而導致四象限探測器輸出直接飽和；I-V轉換電路是將四象限探測器輸出的電流訊號轉換為電壓訊號並放大，便於後續電路處理，I-V轉換電路結構採用跨阻放大電路；模擬運算電路是透過加法運算、減法運算和除法運算得到質心的光軸偏移量，即用類比電路完成表示式(2)和(3)中的運算。I-V轉換放大電路是將四象限探測器輸出的微安級電流訊號轉換為電壓訊號並放大電壓訊號。四象限探測器輸出微安級電流經跨阻放大完成電流訊號到電壓訊號的轉換，後端接同相放大進一步放大電壓訊號。I-V轉換放大電路的輸出訊號為負訊號，若後端接加法運算電路後其輸出訊號依然為負，然而除法電路輸入訊號不能為負，因此I-V轉換放大電路連線加法運算電路時，加法運算電路後需再接單位增益的反向放大電路。經過I-V轉換電路放大後的電壓訊號在1伏以下。模擬運算電路前級為求差電路和求和電路，實現的是減法運算和加法運算功能。後級AD835和一個運放構成了除法器。AD835是差分高阻抗輸入、功能完整的四象限乘法器。由於大氣湍流的調製頻譜在調製頻譜在1～100Hz範圍內，AD835完全可以滿足系統要求。模擬運算電路輸出的訊號直接接示波器即可觀察大氣湍流的調製效果。
5結論與展望
首先從工程應用的角度分析了無線鐳射通訊系統面臨的通訊受通道環境影響大的缺點，透過研究大氣湍流理論模型和大氣湍流對鐳射通訊的影響指出鐳射到達角可以有效反映大氣湍流效應，並基於四象限探測器研究到達角測量方法並設計出相應的四象限探測器的讀出、模擬除法器電路，為大氣無線鐳射通訊技術的發展。
參考文獻
[1]季小玲.大氣湍流對鐳射束傳輸特性的影響[J].四川師範大學學報(自然科學版),2012,35(01):127-136.
[2]武琳,應家駒,耿彪.大氣湍流對鐳射傳輸的影響[J].鐳射與紅外,2008,(10):974-977.
[3]林志琦,李會傑,郎永輝,尹福昌.用四象限光電探測器獲得光斑引數[J].光學精密工程,2009,17(04):764-770.
[4]韓國棟,祝瑞玲.一種新型模擬除法器及其應用[J].儀器儀表學報,2001,(05):527-529.