四象限探測器的模擬運算電路設計
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【摘要】由于大氣湍流的存在使無線激光通信技術的發(fā)展受到限制，本文通過研究激光到達角變化情形進而間接反映大氣湍流變化，以期能夠推動無線激光通信技術的發(fā)展；首先介紹了大氣湍流及對無線激光通信的影響；其次結合四象限探測器得到到達角測量方法；最后設計出適用于四象限探測器的模擬運算放大電路。
【關鍵詞】激光通信；大氣湍流；四象限探測器；模擬運算電路
1引言
當前，空間光通信中的點對點通信模式已經很成熟，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、地面站點間的空間激光通信實驗，其標著我國的該技術水平總體達到世界領先水平[1][2]。然而激光在大氣湍流中傳播時，由于湍流的不規(guī)則性，會使激光的折射率的起伏，破壞了激光相干性。在接收端的表現是光斑發(fā)生破碎、畸變、展寬，光強發(fā)生起伏。破碎、畸變的光斑進而導致接收端信號數據誤碼率起伏，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角反映大氣湍流的有效模式，并設計出相應的到達角測量電路，以期能夠推動對無線激光通信技術的發(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(guī)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于外部，不穩(wěn)定的大湍流進而產生次級的湍流，不穩(wěn)定的次級湍流又會產生更小的湍流，直至最后完全消耗掉。然而由于熱和風的原因，大氣處于一直流動的狀態(tài)，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征尺寸，光束穿過湍流的情形分為三種：一種是光束直徑遠遠小于湍流尺寸，此時湍流對激光的影響主要是使光束發(fā)生隨機偏折，即光斑會產生隨機漂移，就相當于光束進入到一個與空氣不同的介質中發(fā)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(tǒng)接收時，在平面上會出現像點抖動；一種是光束直徑遠大于湍流尺寸，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布，光束面積也將擴大。這就是大氣閃爍、相位起伏、光束擴展等效應。
3到達角測量原理
在湍流區(qū)域上每一點的溫度、壓強都是隨機漲落。激光在大氣湍流中傳播時，由于湍流的不規(guī)則性，會使激光的折射率的起伏，進而導致激光波陣面發(fā)生畸變，破壞了激光相干性。在接收端的表現是光斑發(fā)生破碎、畸變、展寬，光強發(fā)生起伏。破碎、畸變的光斑進而導致接收端信號數據誤碼率起伏，給光通信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，由于湍流的存在，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(fā)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為光斑質心相對于中心位置的偏差，f為透鏡焦距，M為放大倍數?；谏鲜降玫降竭_角起伏數據進行統(tǒng)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會受到二次調制，調制頻譜在1～100Hz范圍內。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管拼接在一起，并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。光學聚焦部分是通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(tǒng)反應會更加靈敏[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信號轉換為電壓信號并放大，便于后續(xù)電路處理，I-V轉換電路結構采用跨阻放大電路；模擬運算電路是通過加法運算、減法運算和除法運算得到質心的光軸偏移量，即用模擬電路完成表達式(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信號轉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跨阻放大完成電流信號到電壓信號的轉換，后端接同相放大進一步放大電壓信號。I-V轉換放大電路的輸出信號為負信號，若后端接加法運算電路后其輸出信號依然為負，然而除法電路輸入信號不能為負，因此I-V轉換放大電路連接加法運算電路時，加法運算電路后需再接單位增益的反向放大電路。經過I-V轉換電路放大后的電壓信號在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。后級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。由于大氣湍流的調制頻譜在調制頻譜在1～100Hz范圍內，AD835完全可以滿足系統(tǒng)要求。模擬運算電路輸出的信號直接接示波器即可觀察大氣湍流的調制效果。
5結論與展望
首先從工程應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，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角可以有效反映大氣湍流效應，并基于四象限探測器研究到達角測量方法并設計出相應的四象限探測器的讀出、模擬除法器電路，為大氣無線激光通信技術的發(fā)展。
參考文獻
[1]季小玲.大氣湍流對激光束傳輸特性的影響[J].四川師范大學學報(自然科學版),2012,35(01):127-136.
[2]武琳,應家駒,耿彪.大氣湍流對激光傳輸的影響[J].激光與紅外,2008,(10):974-977.
[3]林志琦,李會杰,郎永輝,尹福昌.用四象限光電探測器獲得光斑參數[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.
作者:趙凱強 王帥 劉德興 朱焱 王賀 張海舟 單位:長春理工大學理學院