大视场激光接收机设计
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(西安应用光学研究所 , 陕西 西安 710065)
摘 要: 介绍激光指令制导和激光驾束制导的大视场激光接收机的设计原理 , 给出接收光场的数 学模型 , 由斜入射平行光的衍射光场推出探测光学系统的视场角公式 , 根据 1 064 nm大视场激光 接收机技术要求 ,以聚光物镜型探测光学系统为例 ,探讨接收光学系统既须具备特大相对孔径 ,又 须具备无晕接收性能的设计特点 , 采用窄带干涉滤光镜进行光学滤波降噪。给出一种适用于高重 频 ( 200 k Hz) 工作的低噪声放大器的设计实例 , 介绍了低噪声放大电路的设计原理。 测试结果 表明: 设计的大视场激光接收机的接收视场角≥± 10°,、 动态范围≥ 40 dB, 当放大器输出信号信 噪比等于 4时接收灵敏度 Pmin= 5. 38× 105 W。 关键词: 激光制导 ; 激光接收机 ; 视场 ; 无晕接收 ; 低噪声放大
yθy )
ex p
-
j
2π λf c
(xu+
yv )
dx dy =
a ( t ) ex p( jk0t )Γ( u , v ) f do ( u + u0 , v + v0 )
( 11)
式中: f d 0 ( u, v ) 由 ( 8) 式给出 ; u0 = f cθx ; v0 = f cθy。
这样 ,入射平面波的角偏离使得衍射斑在焦平面上
yk2 ) ]dx dy
( 4)
为 f r ( t , x , y ) 的二维 Fouri er变换 ,则有
fd (t,u,v) =
Γ( u , v λf c
)
F
r
t
,
2πu λf c
,
2πv λf c
( 5)
这样 ,激光接收机内的衍射图案就可以简单地
借助变换理论得到。
1. 1 单色平面波垂直入射到接收平面上的情况
中图分类号: T N 249 文献标志码: A
Design of laser receiver with wide FOV
CHEN Sheng -shi, OU Qiu-ye, GAO W ei, DU Gao-she, JI Mi ng , BU Yi ng -hua, HE Yu-la n
的乘积 ,这样垂直入射平面波产生的焦平面上的场
分布可以通过式 ( 7) 中的积分给出。这个积分依赖
于接收机光阑区域 A 的形状。
1. 2 圆形光阑透镜
激光接收机采用的是一个直径为 d 的圆形透
镜 ,则式 ( 8) 的变换可以转换到极坐标下进行 ,有:
∫ f d0 ( u , v ) =
1 λf c
在无线激光通信中 ,发射激光经过发射光学系
统后 ,可用有限平面波近似 ,故接收到的光场为
a ( t ) ex p( jk0t ) ( x , y ) ∈ A
fr (t, x, y ) =
Leabharlann Baidu
0
其他
( 6)
焦平面上得到的衍射图案可直接由下式得出:
f d ( t , u , v ) = a ( t ) ex p( jk0t )Γ( u , v ) f d 0 ( u, v )
( 7)
式中 , f d0 ( u , v ) 为空间积分 ,即
∫ f d0 ( u ,v ) =
1 λf c
ex p
A
-
2π j λf c
(xu+
yv )
dx dy
( 8) 衍 射图案简化为随时间变化的包络函数、相因
子 Γ( u , v ) 定义的空间函数、以及二维变换 f d0 ( u, v )
发生移位。移位后图样的位置可以由平面波的入射
方向通过透镜光阑中心的延长线与焦平面的交点
来确定。
1. 4 接收视场
在焦距为 f c、面积为 A的圆形透镜的焦平面上
放置一直径为 d 的圆形探测器 ,根据图 2中关于入
射角和爱里图样移位的关系 ,可以清楚地看到成像
在探测器表面 (忽略边缘效应 ) 的光场入射角只能
引言
在激光指令制导和激光驾束制导中 ,激光接收 机装置在导弹的尾部 ,它由滤光片、透镜、光电探测
器和前置放大器组成 ,其作用是接收地面控制系统 激光发射机发射的激光编码信号。由于导弹对各部 件体积、重量有严格限制 ,激光接收机为了尽可能
收稿日期: 2009-04-02; 修回日期: 2009-09-18 作者简介: 陈胜石 ( 1963- ) ,男 ,陕 西周至人 ,工学博士 ,西安应用光学研究所高级工程师 ,主要从 事激光制导研究工作。 E-mail: css. chshsh@ 163. co m
2π
d /2
r J0
0
πrd λf c
dr
=
πd2 / 4 2J1 (πdd/λf c )
λf c
(πdd/λf c )
( 9)
式中: d= ( u2 + v 2 ) 1 /2 ; J0 ( x ) 和 J1 ( x ) 为 Bessel函
数。衍射场是爱里斑图样。
1. 3 平面波在到达接收机时偏离垂直入射方向
图 2 偏离垂直入 射时的成像 Fig. 2 Imaging of drift ing off vertical incidence
空间衍射图样为
∫ f d ( t , u, v ) =
a ( t ) ex p( jk0t )
Γ( u , v ) λf c
ex p -
A
j
2π λ
( xθx +
· 1052·
应用光学 2009, 30( 6) 陈胜石 ,等: 大视场激光接收机设计
增大其接收视场 ,要求探测光学系统的焦距短 ,探 测器的面积大 ; 另一方面 ,为了提高其接收的激光 功率 ,要求物镜接收口径不能太小。 因此 ,探测光学 系统应具有很大的相对孔径。但在光学设计上 ,相对 孔径越大则成像质量越差。所以 ,欲设计一个具有特 大相对孔径且无渐晕的光电探测系统是非常困难 的。另外 ,由于视场角增大 ,背景噪声增强 ,还需要采 用滤波法和低噪声前置放大器等技术才能设计出合 格的激光接收机。本文介绍一种接收 1 064 nm 激光 的大视场激光接收机的设计技术特点。
焦平面上的场坐标。式 ( 2) 描述了接收场和焦平面
上的场之间的关系。还应注意 f d ( t , u, v ) 与 f r ( t , x ,
y ) 的二维 Fouri er 变换相联系 ,即定义
∫ Fr ( t ,k1 ,k2 ) = f r ( t , x , y ) ex p [ - j( xk1 + A
的情况
波 矢为 k , 平面波偏离垂直入射方向 ,此时接
应用光学 2009, 30( 6) 陈胜石 ,等: 大视场激光接收机设计
· 1053·
收机透镜上的接收光场由下式描述:
f r ( t ,x , y ) = a( t) exp( jk0t ) ex p( - jk r ) = a( t) exp( jk0t ) ex p [- j(x k x + y ky ) ]
第 30卷 第 6期 2009年 11月
应用光学
Jour nal of Applied
V o l. 30
O ptics
N ov .
N o. 6 2 009
文章编号: 1002-2082( 2009) 06-1051-05
大视场激光接收机设计
陈胜石 , 欧秋晔 , 高 玮 , 杜高社 , 纪 明 , 卜英华 , 何玉兰
( Xi’ an Institute of Applied O ptics, Xi’ an 710065, China)
Abstract: The desig n principl e o f the laser receiv er wi th w ide FOV fo r the laser com mand g uidance a nd laser-beam ridi ng g uidance is i ntroduced. A mat hema tic model of receivi ng light fi eld is present ed. T he f o rm ula fo r the viewi ng ang le of the det ecti ng optical sy st em w as deriv ed acco rding to the dif fractio n lig ht fi eld o f the o blique incidence parallel lig ht. T aking a detecting o pti cal sy stem wi th the collecting objectiv e f or ex ample, the desi gn charact eri stic that the receiving optica l system needs not o nly an ex tra large rela tiv e aperture but also an unvi gnet ting receiving perf orm ance i s discussed o n the premise of m eeti ng the requirement of 1 064 nm W FOV laser receiv er. A narrow band i nterference fil ter w as ado pt ed t o reali ze the noi se reductio n. A desig n exam ple of a lo w noi se ampli fier sui table to t he high-repetiti on-ra te ( 200 k Hz) is given. The desig n pri nciple of the low noise amplifi cati on ci rcui t i s int roduced. The test ed result s of receiving FOV angle, dy namic rang e and receivi ng sensi tivit y of the laser receiver wi th w ide FOV a re provi ded. Key words: laser g uidance; laser receiv er; field o f vi ew; unvi gnet ting receiv ing; low noi se am plificatio n
∫ f d ( t , u , v ) =
Γ( u , v ) λf c
f r ( t , x , y ) ex p
A
-
j
2π λf c
(
x
u
+
yv )
dx dy
( 2)
式中
Γ( u , v ) =
1 j
ex
p
jλπf c ( u2 +
v2)
( 3)
为相因子 ; ( x , y ) 为光阑平面上的场坐标 ; ( u , v ) 是
图中 f c 为焦距 , A为透镜面积。发射机被认
图 1 激光接收机成 像的几何图形 Fig. 1 Geometric drawing for imaging
of laser receiver
令 f r ( t , r) 为整个透镜光阑上的接收场 , f d ( t , u, v ) 为焦平面上的衍射场 ,则二者由下式相联系:
为是一 个点源 , 发 射功率为 Pt , 发射天线 增益为 Ga , 距接收机距离为 L ,在透镜 A 面上收集的光功 率为 [ 1]
Pr =
Ga Pt 4πL 2
A
( 1)
放置在光阑平面上的接收透镜把接收到的光
场聚焦到探测器所在的焦平面上 ,在焦平面上产生
的光场称为衍射光场。
1 接收光场模型
直接探测激光接收机由光接收天线、光电探测 器、检测处理电路 3个基本模块组成。 接收机天线 将输入光场收集并汇聚到光电探测器表面 ,光电探 测器进行光电转换。激光接收机成像的几何图形如 图 1所示。
落到下述立体角内:
Kf v =
( 10) 式中: r= ( x , y ) 为光阑平面上的场坐标 ; kx 和 ky 分 别为 k的 x 和 y 分量。用小角度近似 ,可以写出 kx = ( 2π /λ)θx , ky = ( 2π /λ)θy。这里 , (θx ,θy ) 为波矢 k相 对于垂直入射方向的偏离角 ,如图 2所示。此时的
摘 要: 介绍激光指令制导和激光驾束制导的大视场激光接收机的设计原理 , 给出接收光场的数 学模型 , 由斜入射平行光的衍射光场推出探测光学系统的视场角公式 , 根据 1 064 nm大视场激光 接收机技术要求 ,以聚光物镜型探测光学系统为例 ,探讨接收光学系统既须具备特大相对孔径 ,又 须具备无晕接收性能的设计特点 , 采用窄带干涉滤光镜进行光学滤波降噪。给出一种适用于高重 频 ( 200 k Hz) 工作的低噪声放大器的设计实例 , 介绍了低噪声放大电路的设计原理。 测试结果 表明: 设计的大视场激光接收机的接收视场角≥± 10°,、 动态范围≥ 40 dB, 当放大器输出信号信 噪比等于 4时接收灵敏度 Pmin= 5. 38× 105 W。 关键词: 激光制导 ; 激光接收机 ; 视场 ; 无晕接收 ; 低噪声放大
yθy )
ex p
-
j
2π λf c
(xu+
yv )
dx dy =
a ( t ) ex p( jk0t )Γ( u , v ) f do ( u + u0 , v + v0 )
( 11)
式中: f d 0 ( u, v ) 由 ( 8) 式给出 ; u0 = f cθx ; v0 = f cθy。
这样 ,入射平面波的角偏离使得衍射斑在焦平面上
yk2 ) ]dx dy
( 4)
为 f r ( t , x , y ) 的二维 Fouri er变换 ,则有
fd (t,u,v) =
Γ( u , v λf c
)
F
r
t
,
2πu λf c
,
2πv λf c
( 5)
这样 ,激光接收机内的衍射图案就可以简单地
借助变换理论得到。
1. 1 单色平面波垂直入射到接收平面上的情况
中图分类号: T N 249 文献标志码: A
Design of laser receiver with wide FOV
CHEN Sheng -shi, OU Qiu-ye, GAO W ei, DU Gao-she, JI Mi ng , BU Yi ng -hua, HE Yu-la n
的乘积 ,这样垂直入射平面波产生的焦平面上的场
分布可以通过式 ( 7) 中的积分给出。这个积分依赖
于接收机光阑区域 A 的形状。
1. 2 圆形光阑透镜
激光接收机采用的是一个直径为 d 的圆形透
镜 ,则式 ( 8) 的变换可以转换到极坐标下进行 ,有:
∫ f d0 ( u , v ) =
1 λf c
在无线激光通信中 ,发射激光经过发射光学系
统后 ,可用有限平面波近似 ,故接收到的光场为
a ( t ) ex p( jk0t ) ( x , y ) ∈ A
fr (t, x, y ) =
Leabharlann Baidu
0
其他
( 6)
焦平面上得到的衍射图案可直接由下式得出:
f d ( t , u , v ) = a ( t ) ex p( jk0t )Γ( u , v ) f d 0 ( u, v )
( 7)
式中 , f d0 ( u , v ) 为空间积分 ,即
∫ f d0 ( u ,v ) =
1 λf c
ex p
A
-
2π j λf c
(xu+
yv )
dx dy
( 8) 衍 射图案简化为随时间变化的包络函数、相因
子 Γ( u , v ) 定义的空间函数、以及二维变换 f d0 ( u, v )
发生移位。移位后图样的位置可以由平面波的入射
方向通过透镜光阑中心的延长线与焦平面的交点
来确定。
1. 4 接收视场
在焦距为 f c、面积为 A的圆形透镜的焦平面上
放置一直径为 d 的圆形探测器 ,根据图 2中关于入
射角和爱里图样移位的关系 ,可以清楚地看到成像
在探测器表面 (忽略边缘效应 ) 的光场入射角只能
引言
在激光指令制导和激光驾束制导中 ,激光接收 机装置在导弹的尾部 ,它由滤光片、透镜、光电探测
器和前置放大器组成 ,其作用是接收地面控制系统 激光发射机发射的激光编码信号。由于导弹对各部 件体积、重量有严格限制 ,激光接收机为了尽可能
收稿日期: 2009-04-02; 修回日期: 2009-09-18 作者简介: 陈胜石 ( 1963- ) ,男 ,陕 西周至人 ,工学博士 ,西安应用光学研究所高级工程师 ,主要从 事激光制导研究工作。 E-mail: css. chshsh@ 163. co m
2π
d /2
r J0
0
πrd λf c
dr
=
πd2 / 4 2J1 (πdd/λf c )
λf c
(πdd/λf c )
( 9)
式中: d= ( u2 + v 2 ) 1 /2 ; J0 ( x ) 和 J1 ( x ) 为 Bessel函
数。衍射场是爱里斑图样。
1. 3 平面波在到达接收机时偏离垂直入射方向
图 2 偏离垂直入 射时的成像 Fig. 2 Imaging of drift ing off vertical incidence
空间衍射图样为
∫ f d ( t , u, v ) =
a ( t ) ex p( jk0t )
Γ( u , v ) λf c
ex p -
A
j
2π λ
( xθx +
· 1052·
应用光学 2009, 30( 6) 陈胜石 ,等: 大视场激光接收机设计
增大其接收视场 ,要求探测光学系统的焦距短 ,探 测器的面积大 ; 另一方面 ,为了提高其接收的激光 功率 ,要求物镜接收口径不能太小。 因此 ,探测光学 系统应具有很大的相对孔径。但在光学设计上 ,相对 孔径越大则成像质量越差。所以 ,欲设计一个具有特 大相对孔径且无渐晕的光电探测系统是非常困难 的。另外 ,由于视场角增大 ,背景噪声增强 ,还需要采 用滤波法和低噪声前置放大器等技术才能设计出合 格的激光接收机。本文介绍一种接收 1 064 nm 激光 的大视场激光接收机的设计技术特点。
焦平面上的场坐标。式 ( 2) 描述了接收场和焦平面
上的场之间的关系。还应注意 f d ( t , u, v ) 与 f r ( t , x ,
y ) 的二维 Fouri er 变换相联系 ,即定义
∫ Fr ( t ,k1 ,k2 ) = f r ( t , x , y ) ex p [ - j( xk1 + A
的情况
波 矢为 k , 平面波偏离垂直入射方向 ,此时接
应用光学 2009, 30( 6) 陈胜石 ,等: 大视场激光接收机设计
· 1053·
收机透镜上的接收光场由下式描述:
f r ( t ,x , y ) = a( t) exp( jk0t ) ex p( - jk r ) = a( t) exp( jk0t ) ex p [- j(x k x + y ky ) ]
第 30卷 第 6期 2009年 11月
应用光学
Jour nal of Applied
V o l. 30
O ptics
N ov .
N o. 6 2 009
文章编号: 1002-2082( 2009) 06-1051-05
大视场激光接收机设计
陈胜石 , 欧秋晔 , 高 玮 , 杜高社 , 纪 明 , 卜英华 , 何玉兰
( Xi’ an Institute of Applied O ptics, Xi’ an 710065, China)
Abstract: The desig n principl e o f the laser receiv er wi th w ide FOV fo r the laser com mand g uidance a nd laser-beam ridi ng g uidance is i ntroduced. A mat hema tic model of receivi ng light fi eld is present ed. T he f o rm ula fo r the viewi ng ang le of the det ecti ng optical sy st em w as deriv ed acco rding to the dif fractio n lig ht fi eld o f the o blique incidence parallel lig ht. T aking a detecting o pti cal sy stem wi th the collecting objectiv e f or ex ample, the desi gn charact eri stic that the receiving optica l system needs not o nly an ex tra large rela tiv e aperture but also an unvi gnet ting receiving perf orm ance i s discussed o n the premise of m eeti ng the requirement of 1 064 nm W FOV laser receiv er. A narrow band i nterference fil ter w as ado pt ed t o reali ze the noi se reductio n. A desig n exam ple of a lo w noi se ampli fier sui table to t he high-repetiti on-ra te ( 200 k Hz) is given. The desig n pri nciple of the low noise amplifi cati on ci rcui t i s int roduced. The test ed result s of receiving FOV angle, dy namic rang e and receivi ng sensi tivit y of the laser receiver wi th w ide FOV a re provi ded. Key words: laser g uidance; laser receiv er; field o f vi ew; unvi gnet ting receiv ing; low noi se am plificatio n
∫ f d ( t , u , v ) =
Γ( u , v ) λf c
f r ( t , x , y ) ex p
A
-
j
2π λf c
(
x
u
+
yv )
dx dy
( 2)
式中
Γ( u , v ) =
1 j
ex
p
jλπf c ( u2 +
v2)
( 3)
为相因子 ; ( x , y ) 为光阑平面上的场坐标 ; ( u , v ) 是
图中 f c 为焦距 , A为透镜面积。发射机被认
图 1 激光接收机成 像的几何图形 Fig. 1 Geometric drawing for imaging
of laser receiver
令 f r ( t , r) 为整个透镜光阑上的接收场 , f d ( t , u, v ) 为焦平面上的衍射场 ,则二者由下式相联系:
为是一 个点源 , 发 射功率为 Pt , 发射天线 增益为 Ga , 距接收机距离为 L ,在透镜 A 面上收集的光功 率为 [ 1]
Pr =
Ga Pt 4πL 2
A
( 1)
放置在光阑平面上的接收透镜把接收到的光
场聚焦到探测器所在的焦平面上 ,在焦平面上产生
的光场称为衍射光场。
1 接收光场模型
直接探测激光接收机由光接收天线、光电探测 器、检测处理电路 3个基本模块组成。 接收机天线 将输入光场收集并汇聚到光电探测器表面 ,光电探 测器进行光电转换。激光接收机成像的几何图形如 图 1所示。
落到下述立体角内:
Kf v =
( 10) 式中: r= ( x , y ) 为光阑平面上的场坐标 ; kx 和 ky 分 别为 k的 x 和 y 分量。用小角度近似 ,可以写出 kx = ( 2π /λ)θx , ky = ( 2π /λ)θy。这里 , (θx ,θy ) 为波矢 k相 对于垂直入射方向的偏离角 ,如图 2所示。此时的