四象限探測器的模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)
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【摘要】由于大氣湍流的存在使無線激光通信技術(shù)的發(fā)展受到限制，本文通過研究激光到達(dá)角變化情形進(jìn)而間接反映大氣湍流變化，以期能夠推動(dòng)無線激光通信技術(shù)的發(fā)展；首先介紹了大氣湍流及對無線激光通信的影響；其次結(jié)合四象限探測器得到到達(dá)角測量方法；最后設(shè)計(jì)出適用于四象限探測器的模擬運(yùn)算放大電路。
【關(guān)鍵詞】激光通信；大氣湍流；四象限探測器；模擬運(yùn)算電路
1引言
當(dāng)前，空間光通信中的點(diǎn)對點(diǎn)通信模式已經(jīng)很成熟，隨著我國相應(yīng)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(diǎn)間的空間激光通信實(shí)驗(yàn)，其標(biāo)著我國的該技術(shù)水平總體達(dá)到世界領(lǐng)先水平[1][2]。然而激光在大氣湍流中傳播時(shí)，由于湍流的不規(guī)則性，會(huì)使激光的折射率的起伏，破壞了激光相干性。在接收端的表現(xiàn)是光斑發(fā)生破碎、畸變、展寬，光強(qiáng)發(fā)生起伏。破碎、畸變的光斑進(jìn)而導(dǎo)致接收端信號數(shù)據(jù)誤碼率起伏，給光通信的接收造成極大的困難。因此大氣湍流的研究對無線激光通信的發(fā)展非常重要。本文提出了一種通過研究激光到達(dá)角反映大氣湍流的有效模式，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的到達(dá)角測量電路，以期能夠推動(dòng)對無線激光通信技術(shù)的發(fā)展。
2大氣湍流與無線激光通信
大氣信道對激光傳輸?shù)挠绊懣煞譃榇髿馑p、大氣湍流和大氣散射。大氣湍流是一種不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，Richardson提出的級串團(tuán)圖案表示：大湍流尺度的能量來源于外部，不穩(wěn)定的大湍流進(jìn)而產(chǎn)生次級的湍流，不穩(wěn)定的次級湍流又會(huì)產(chǎn)生更小的湍流，直至最后完全消耗掉。然而由于熱和風(fēng)的原因，大氣處于一直流動(dòng)的狀態(tài)，又會(huì)有新的窩旋產(chǎn)生，如此運(yùn)動(dòng)不止。衡量大氣湍流的是湍流的特征尺寸，光束穿過湍流的情形分為三種：一種是光束直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于湍流尺寸，此時(shí)湍流對激光的影響主要是使光束發(fā)生隨機(jī)偏折，即光斑會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)漂移，就相當(dāng)于光束進(jìn)入到一個(gè)與空氣不同的介質(zhì)中發(fā)生折射一樣；一種是光束直徑接近湍流尺寸，此時(shí)湍流會(huì)使光束截面隨機(jī)偏折，從而形成了到達(dá)角起伏，使用光學(xué)系統(tǒng)接收時(shí)，在平面上會(huì)出現(xiàn)像點(diǎn)抖動(dòng)；一種是光束直徑遠(yuǎn)大于湍流尺寸，此時(shí)光束截面內(nèi)包含多個(gè)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(qiáng)度和相位在空間和時(shí)間上出現(xiàn)隨機(jī)分布，光束面積也將擴(kuò)大。這就是大氣閃爍、相位起伏、光束擴(kuò)展等效應(yīng)。
3到達(dá)角測量原理
在湍流區(qū)域上每一點(diǎn)的溫度、壓強(qiáng)都是隨機(jī)漲落。激光在大氣湍流中傳播時(shí)，由于湍流的不規(guī)則性，會(huì)使激光的折射率的起伏，進(jìn)而導(dǎo)致激光波陣面發(fā)生畸變，破壞了激光相干性。在接收端的表現(xiàn)是光斑發(fā)生破碎、畸變、展寬，光強(qiáng)發(fā)生起伏。破碎、畸變的光斑進(jìn)而導(dǎo)致接收端信號數(shù)據(jù)誤碼率起伏，給光通信的接收造成極大的困難。到達(dá)角起伏效應(yīng)是指光束在穿過湍流時(shí)，由于湍流的存在，光束截面內(nèi)不同位置其折射率隨機(jī)變化，使光束波前的不同部分發(fā)生隨機(jī)變化的相移，波前的等相位面的形狀隨機(jī)變化的情況。到達(dá)角起伏使接收望遠(yuǎn)鏡焦面上的光斑質(zhì)心隨機(jī)抖動(dòng)，到達(dá)角公式由式(1)給出。式中a為光斑質(zhì)心相對于中心位置的偏差，f為透鏡焦距，M為放大倍數(shù)?；谏鲜降玫降竭_(dá)角起伏數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而得到光斑質(zhì)心的到達(dá)角起伏方差。光斑質(zhì)心相對于中心位置的偏差通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。光信號在大氣中傳輸時(shí)會(huì)受到二次調(diào)制，調(diào)制頻譜在1～100Hz范圍內(nèi)。CCD由于自身的器件特性，幀頻不能做的很高。四象限光軸檢測系統(tǒng)的檢測精度沒有CCD檢測系統(tǒng)好，但是技術(shù)非常成熟，而且四象限光軸檢測系統(tǒng)屬于微分型器件，響應(yīng)頻率不會(huì)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(gè)光電二極管拼接在一起，并將該器件放在接收端焦平面上。根據(jù)電流值可測得光功率大小[3]。設(shè)Ia、Ib、Ic、Id分別為二極管檢測的電流值，
4基于四象限探測器的模擬除法器電路設(shè)計(jì)
為了簡化電路設(shè)計(jì)的同時(shí)不影響到達(dá)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(shí)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?；究驁D如圖1所示。光學(xué)聚焦部分是通過長焦透鏡將太陽光聚焦，使焦點(diǎn)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(dá)角測量時(shí)系統(tǒng)反應(yīng)會(huì)更加靈敏[4]。在透鏡后面加衰減片是防止因太陽光聚焦后光太強(qiáng)而導(dǎo)致四象限探測器輸出直接飽和；I-V轉(zhuǎn)換電路是將四象限探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大，便于后續(xù)電路處理，I-V轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)采用跨阻放大電路；模擬運(yùn)算電路是通過加法運(yùn)算、減法運(yùn)算和除法運(yùn)算得到質(zhì)心的光軸偏移量，即用模擬電路完成表達(dá)式(2)和(3)中的運(yùn)算。I-V轉(zhuǎn)換放大電路是將四象限探測器輸出的微安級電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大電壓信號。四象限探測器輸出微安級電流經(jīng)跨阻放大完成電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換，后端接同相放大進(jìn)一步放大電壓信號。I-V轉(zhuǎn)換放大電路的輸出信號為負(fù)信號，若后端接加法運(yùn)算電路后其輸出信號依然為負(fù)，然而除法電路輸入信號不能為負(fù)，因此I-V轉(zhuǎn)換放大電路連接加法運(yùn)算電路時(shí)，加法運(yùn)算電路后需再接單位增益的反向放大電路。經(jīng)過I-V轉(zhuǎn)換電路放大后的電壓信號在1伏以下。模擬運(yùn)算電路前級為求差電路和求和電路，實(shí)現(xiàn)的是減法運(yùn)算和加法運(yùn)算功能。后級AD835和一個(gè)運(yùn)放構(gòu)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。由于大氣湍流的調(diào)制頻譜在調(diào)制頻譜在1～100Hz范圍內(nèi)，AD835完全可以滿足系統(tǒng)要求。模擬運(yùn)算電路輸出的信號直接接示波器即可觀察大氣湍流的調(diào)制效果。
5結(jié)論與展望
首先從工程應(yīng)用的角度分析了無線激光通信系統(tǒng)面臨的通信受信道環(huán)境影響大的缺點(diǎn)，通過研究大氣湍流理論模型和大氣湍流對激光通信的影響指出激光到達(dá)角可以有效反映大氣湍流效應(yīng)，并基于四象限探測器研究到達(dá)角測量方法并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的四象限探測器的讀出、模擬除法器電路，為大氣無線激光通信技術(shù)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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作者:趙凱強(qiáng) 王帥 劉德興 朱焱 王賀 張海舟 單位:長春理工大學(xué)理學(xué)院