四象限探測(cè)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(wú)線激光通信技術(shù)的發(fā)展受到限制，本文通過(guò)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(wú)線激光通信技術(shù)的發(fā)展；首先介紹了大氣湍流及對(duì)無(wú)線激光通信的影響；其次結(jié)合四象限探測(cè)器得到到達(dá)角測(cè)量方法；最后設(shè)計(jì)出適用于四象限探測(cè)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(cè)器；模擬運(yùn)算電路
1引言
當(dāng)前，空間光通信中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式已經(jīng)很成熟，隨著我國(guó)相應(yīng)地開(kāi)展了軌道與軌道、軌道與地面、地面與航空平臺(tái)、地面站點(diǎn)間的空間激光通信實(shí)驗(yàn)，其標(biāo)著我國(guó)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(hào)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(duì)無(wú)線激光通信的發(fā)展非常重要。本文提出了一種通過(guò)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(cè)量電路，以期能夠推動(dòng)對(duì)無(wú)線激光通信技術(shù)的發(fā)展。
2大氣湍流與無(wú)線激光通信
大氣信道對(duì)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(jí)串團(tuán)圖案表示：大湍流尺度的能量來(lái)源于外部，不穩(wěn)定的大湍流進(jìn)而產(chǎn)生次級(jí)的湍流，不穩(wěn)定的次級(jí)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(guò)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(duì)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(duì)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(cè)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(hào)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(guò)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(duì)于中心位置的偏差，f為透鏡焦距，M為放大倍數(shù)。基于上式得到到達(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(duì)于中心位置的偏差通過(guò)光軸檢測(cè)器測(cè)量得到，常用的光軸檢測(cè)器有CCD檢測(cè)器和四象限檢測(cè)器。光信號(hào)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(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度沒(méi)有CCD檢測(cè)系統(tǒng)好，但是技術(shù)非常成熟，而且四象限光軸檢測(cè)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(cè)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(cè)得光功率大小[3]。設(shè)Ia、Ib、Ic、Id分別為二極管檢測(cè)的電流值，
4基于四象限探測(cè)器的模擬除法器電路設(shè)計(jì)
為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的同時(shí)不影響到達(dá)角的測(cè)量，將四象限探測(cè)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(cè)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(guò)長(zhǎng)焦透鏡將太陽(yáng)光聚焦，使焦點(diǎn)處在四象限探測(cè)器表面位置。由式(1)可知，透鏡焦距f值越大，到達(dá)角測(cè)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(yáng)光聚焦后光太強(qiáng)而導(dǎo)致四象限探測(cè)器輸出直接飽和；I-V轉(zhuǎn)換電路是將四象限探測(cè)器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)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(guò)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(cè)器輸出的微安級(jí)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大電壓信號(hào)。四象限探測(cè)器輸出微安級(jí)電流經(jīng)跨阻放大完成電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，后端接同相放大進(jìn)一步放大電壓信號(hào)。I-V轉(zhuǎn)換放大電路的輸出信號(hào)為負(fù)信號(hào)，若后端接加法運(yùn)算電路后其輸出信號(hào)依然為負(fù)，然而除法電路輸入信號(hào)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(guò)I-V轉(zhuǎn)換電路放大后的電壓信號(hào)在1伏以下。模擬運(yùn)算電路前級(jí)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(jí)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(mǎn)足系統(tǒng)要求。模擬運(yùn)算電路輸出的信號(hào)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(wú)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(guò)研究大氣湍流理論模型和大氣湍流對(duì)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(cè)器研究到達(dá)角測(cè)量方法并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的四象限探測(cè)器的讀出、模擬除法器電路，為大氣無(wú)線激光通信技術(shù)的發(fā)展。
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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(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院