CN112858805A - 象限光电探测器频率响应特性参数测量装置 - Google Patents

象限光电探测器频率响应特性参数测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，属于光电检测领域。本发明的装置包括扫频激光激励光源1、光纤分束模块2、高速光电探测模块3、激光聚焦扫描模块4、象限光电探测器适配模块5、信号调理模块6、高速数据采集存储模块7、数据处理模块8以及输入输出接口模块9，本发明利用高速扫频激光信号作为激励，结合基于激光探测器等效电路模型的激光探测器频率响应参数拟合算法，实现象限光电探测器频率响应特性参数测量，实现象限光电探测器频率响应特性参数测量，有效解决了现有光电探测器频率响应特性参数测量装置测量过程繁琐，测试耗时长且易受外界噪声干扰的问题，满足象限光电探测器的科研生产的测量需求。

Description

象限光电探测器频率响应特性参数测量装置
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，具体涉及一种象限光电探测器频率响应特性参数测量装置。
背景技术
象限光电探测器作为激光制导类装备捕获目标、判断目标位置的重要部件，主要用于接收导引脉冲激光信号进行光电转换。频率响应特性参数作为表征光电探测器对不同频率光信号激励响应能力的核心参数是评价象限光电探测器性能的重要技术指标，因此，象限光电探测器的研制、生产及装配过程中，需要对其频率响应特性参数进行严格测试。目前，光电探测器频率响应特性参数测量装置通常采用单频正弦激励信号作为激励源，在光电探测器的工作频段内从低频到高频选取若干测试点，逐个频点进行稳态测试，测量过程繁琐，而且由于象限光电探测器由多个象元组成，需对每个象元进行逐一扫描测试，因此完成一个象限光电探测器全频段的频率响应特性测试耗费时间很长，效率极低，难以满足象限光电探测器生产、检验的使用要求。同时，由于测量装置的工作频带宽、测量时间长，外界噪声干扰将降低频率响应特性参数的测量准确性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，以解决现有技术存在的测量过程繁琐，测试耗时长且易受外界噪声干扰的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，所述装置包括扫频激光激励光源(1)、光纤分束模块(2)、高速光电探测模块(3)、激光聚焦扫描模块(4)、象限光电探测器适配模块(5)、信号调理模块(6)、高速数据采集存储模块(7)、数据处理模块(8)以及输入输出接口模块(9)；
所述扫频激光激励光源(1)用于提供扫频激光激励信号，其通过单模光纤与所述光纤分束模块(2)连接；
所述光纤分束模块(2)用于激励激光信号进行功率分配，通过单模光纤分别与所述高速光电探测模块(3)和所述激光聚焦扫描模块(4)连接；
所述高速光电探测模块(3)与所述高速数据采集存储模块(7)连接，实现激励激光信号功率计波形监测；
所述激光聚焦扫描模块(4)与所述象限光电探测器适配模块(5)进行刚性连接，被测象限光电探测器固定安装在所述象限光电探测器适配模块(5)上，所述激光聚焦扫描模块(4)将扫频激光激励信号聚焦后输入所述被测象限光电探测器待测象元；
所述象限光电探测器适配模块(5)用于待测象元响应电信号选通输出，并顺次连接所述信号调理模块(6)以及所述高速数据采集存储模块(7)，实现待测象元响应电信号波形测量；
所述数据处理模块(8)分别与所述激光聚焦扫描模块(4)、所述象限光电探测器适配模块(5)以及所述高速数据采集存储模块(7)连接，用于控制所述激光聚焦扫描模块(4)和所述象限光电探测器适配模块(5)实现象限光电探测器逐象元扫描测试，并解算待测象元频率响应特性参数；
所述输入输出接口模块(9)与所述数据处理模块(8)连接，用于测量结果传输、显示并提供人机交互界面。
(三)有益效果
本发明提出一种象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，相较于公知光电探测器频率响应参数测量装置采用单频正弦激励信号作为激励源，在待测频带内选取若干测试点，逐个频点进行稳态测试，测量流程繁杂，耗费时间长。本发明基于动态扫频设计，采用扫频激光激励光源1频率范围为DC～1GHz的，扫频周期为1s的扫频信号作为激励，完成象元全频段的频率响应特性测试时间仅为1s，大大缩短了测量时间，提高了测试效率。同时，相较于公知光电探测器频率响应参数测量装置根据测试频点的测量结果直接插值拟合计算光电探测器频率响应参数的解算方法，易受外界噪声干扰。本发明采用基于激光探测器等效电路模型的激光探测器频率响应参数拟合算法，利用扫频激光激励信号波形数据和待测象元响应电压信号波形数据，对基于象限光电探测器等效模型的频率响应特性曲线模板参数进行解算，在解算过程中，扫频激光激励信号波形数据和待测象元响应电压信号波形数据中叠加的外界噪声干扰将导致频率响应特性曲线模板参数解算结果异常，通过设定阈值可进行异常值识别和剔除，从而有效降低了外界噪声对激光探测器频率响应参数测量造成的不良影响，进一步提高象限光电探测器频率响应特性参数测量准确性。
附图说明
图1是本发明提供的象限光电探测器频率响应参数测量装置原理示意图。
图中：1扫频激光激励光源，2光纤分束模块，3高速光电探测模块，4激光聚焦扫描模块，5象限光电探测器适配模块，6信号调理电路，，7高速数据采集存储模块，8数据处理模块，9输入输出接口模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明的目的是针对现有技术存在的测量过程繁琐，测试耗时长且易受外界噪声干扰的问题，提供一种激光制导探测器频率响应特性参数校准装置，可实现象限光电探测器频率响应特性参数快速、准确测量，其测量频带范围为DC～ 1GHz，响应度校准范围为0.1A/W～20A/W，全频段的频率响应特性参数测量时间为1s，测量误差为±5％。
本发明所提出的象限光电探测器频率响应特性参数校准装置，其特征在于，包括：扫频激光激励光源1、光纤分束模块2、高速光电探测模块3、激光聚焦扫描模块4、象限光电探测器适配模块5、信号调理模块6、高速数据采集存储模块7、数据处理模块8以及输入输出接口模块9。其中，扫频激光激励光源1 用于提供扫频激光激励信号，其通过单模光纤与光纤分束模块2连接；光纤分束模块用于激励激光信号进行功率分配，通过单模光纤分别与高速光电探测模块3和激光聚焦扫描模块4连接；高速光电探测模块3与高速数据采集存储模块7连接，实现激励激光信号功率计波形监测；激光聚焦扫描模块4与象限光电探测器适配模块5进行刚性连接，被测象限光电探测器固定安装在象限光电探测器适配模块5上，激光聚焦扫描模块4将扫频激光激励信号聚焦后输入象限光电探测器待测象元；象限光电探测器适配模块5用于待测象元响应电信号选通输出，并顺次连接信号调理模块6以及高速数据采集存储模块7，实现待测象元响应电信号波形测量；数据处理模块8分别与激光聚焦扫描模块4、象限光电探测器适配模块5以及高速数据采集存储模块7连接，用于控制激光聚焦扫描模块4和象限光电探测器适配模块5实现象限光电探测器逐象元扫描测试，并解算待测象元频率响应特性参数；输入输出接口模块9与数据处理模块8连接，用于测量结果传输并提供人机交互界面。
所述扫频激光激励光源1采用光外差技术产生高频信号，通过温度调谐方法，实现信号频率调整，温度调节速率为0.3℃/s，温度调节精度为0.15℃，可无需外部控制，实现频率范围为DC～1GHz，扫频周期为1s的扫频激光信号输出。
所述高速光电探测模块3采用带宽为3GHz的直流耦合InGaAs光电探测器，在DC～1GHz的频段内，频率响应特性曲线的平坦度优于1％。
所述激光聚焦扫描模块4由光纤聚焦镜、高精度三维电控位移平台组成，光纤聚焦镜与高精度三维电控位移平台进行刚性连接，其中光纤聚焦镜倍率为1： 1，高精度三维电控位移平台采用基于光栅尺反馈的闭环控制模式，最小位移分辨率为5μm。
所述象限光电探测器适配模块5由象限光电探测器安装插座、单刀多掷开关以及公知组件组成，其中象限光电探测器安装插座采用可更换设计，通过更换插座，可支持不同类型的象限光电探测器安装；单刀多掷开关采用多选一型开关，支持64路选通。
所述高速数据采集存储模块7采用同步误差小于1ns的双通道高同步精度数据采集模式，其采样频率为3GHz，并具有实时存储功能，其存储深度为6GByte。
所述数据处理模块8采用基于激光探测器等效电路模型的激光探测器频率响应参数拟合算法，利用象限光电探测器待测象元响应电压信号波形数据V(t) 和扫频激光激励的信号波形数据Vref(t)进行傅立叶变化并计算得到不同频率激励下的待测象元的响应度RV(ωi)，结合高速光电探测模块3的响应度RV,ref以及基于象限光电探测器等效模型的频率响应特性曲线模板H(ω)
Figure RE-GDA0002992994180000051
建立方程组：
Figure RE-GDA0002992994180000052
通过解算频率响应特性曲线模板中RL、RD、Rt、Rs、Rp、Cp以及Ci值，得出象限光电探测器待测象元的频率响应特性曲线。
参阅图1，象限光电探测器频率响应特性参数测量装置由扫频激光激励光源 1、光纤分束模块2、高速光电探测模块3、激光聚焦扫描模块4、象限光电探测器适配模块5、信号调理模块6、高速数据采集存储模块7、数据处理模块8以及输入输出接口模块9。其中，扫频激光激励光源1用于提供扫频激光激励信号，其通过单模光纤与光纤分束模块2连接；光纤分束模块用于激励激光信号进行功率分配，通过单模光纤分别与高速光电探测模块3和激光聚焦扫描模块4连接；高速光电探测模块3与高速数据采集存储模块7连接，实现激励激光信号功率计波形监测；激光聚焦扫描模块4与象限光电探测器适配模块5进行刚性连接，被测象限光电探测器固定安装在象限光电探测器适配模块5上，激光聚焦扫描模块4将扫频激光激励信号聚焦后输入象限光电探测器待测象元；象限光电探测器适配模块5用于待测象元响应电信号选通输出，并顺次连接信号调理模块6以及高速数据采集存储模块7，实现待测象元响应电信号波形测量；数据处理模块8分别与激光聚焦扫描模块4、象限光电探测器适配模块5以及高速数据采集存储模块7连接，用于控制激光聚焦扫描模块4和象限光电探测器适配模块5实现象限光电探测器逐象元扫描测试，并解算待测象元频率响应特性参数；输入输出接口模块9与数据处理模块8连接，用于测量结果传输并提供人机交互界面。
扫频激光激励光源1以两台高稳定性、窄线宽单纵模YAG固体激光器为核心，辅以公知外围器件组成，采用光外差技术产生高频信号，通过温度调谐方法，实现信号频率调整，温度调节速率为0.3℃/s，温度调节精度为0.15℃，无需外部控制，输出中心波长为1064nm，频率范围为DC～1GHz，扫频周期为1s 的扫频激光信号，作为象限光电探测器频率响应特性参数测量装置激励源；
光纤分束模块2由公知光纤分束器和公知安装结构件组成，用于扫频激励激光功率分配，其中光纤分束器分束比为1：1。
高速光电探测模块3采用带宽为3GHz，在DC～1GHz的频段内，频率响应特性曲线的平坦度优于1％的直流耦合InGaAs光电探测器作为核心器件，辅以标准公知外围电路，用于接收扫频激励激光，实现激励光信号无损光电转换；
激光聚焦扫描模块4由光纤聚焦镜、高精度三维电控位移平台组成，其中光纤聚焦镜倍率为1：1，高精度三维电控位移平台采用基于光栅尺反馈的闭环控制模式，最小位移分辨率为5μm；
象限光电探测器适配模块5由象限光电探测器安装插座、单刀多掷开关以及公知组件组成，其中象限光电探测器安装插座为可更换设计，通过更换插座，可安装不同类型的象限光电探测器；单刀多掷开关采用多选一型开关，支持64 路选通。
信号调理电路6采用取样-放大的电流信号放大结构，其中取样电阻阻值为 50Ω和1000Ω，可根据被测象限光电探测器的阻抗匹配要求进行选择；电压放大采用带宽为2.2GHz，增益为20dB～40dB可调的高速、低噪声直流耦合、可变增益放大模块作为核心，辅以公知外围电路组成，其频率响应曲线通过检定已知。
高速数据采集存储模块7采用采样速率为3GHz、分辨率为12bit的AD转换芯片为核心，辅以FPGA芯片、存储空间为6GB的存储芯片以及公知外围电路组成。采用双通道高同步精度数据采集模式，保证采样同步误差小于1ns；
数据处理模块8由高性能DSP和FPGA作为核心器件，辅以公知外围电路组成，内部集成采用基于激光探测器等效电路模型的激光探测器频率响应参数拟合算法，实现象限光电探测器频率响应特性参数测量。
输入输出接口模块9由RS232串口通信模块、LCD显示模块、键盘及相关公知外围电路组成，用于象限光电探测器频率响应特性参数测量结果输出、显示以及人机交互。
下面结合实施实例对本发明作进一步的说明：被校准激光探测器安装于象限光电探测器适配模块5，扫频激光激励光源1输出中心波长为1064nm，输出扫描频率范围为DC～1GHz，扫频周期为1s，平均功率稳定性优于1％的激光激励信号，通过分束比为1：1的光纤分束模块2分为两束通过光纤分别输入高速光电探测模块3和被校准象限光电探测器待测象元；高速光电探测模块3在DC～ 1GHz的频段内，且响应度为RV,ref，接收到激励激光后，进行无损光电转换后，输出扫频激励监测信号Vref(t)至高速数据采集存储模块7；激光聚焦扫描模块4 通过调整输出激励光焦点与被测量象限光电探测器的相对位置，将激励激光输入至待测象元，象限光电探测器适配模块5选通待测象元响应电信号作为输出，在扫频激光信号激励下，待测象元输出响应电流信号I(t)通过象限光电探测器适配模块5，输出至信号调理模块6，信号调理模块6的阻抗匹配电阻RL将象元响应电流信号转换为电压信号VR(t)，并通过增益为β的电压放大后，输出响应电压信号V(t)至高速数据采集存储模块7；高速数据采集存储模块7采用高精度同步采样模式，以3GB/s的采样速率，对高速光电探测器响应信号Vref(t)和待测象元输出响应信号V(t)进行同步采样和分辨率为12bit的模数转换，并将采集数据进行高速存储；数据处理模块8连接高速数据采集存储模块7，读取 Vref(t)和V(t)，进行傅立叶变化，得出高速光电探测器响应信号频域分布Vref(ω) 和V(ω)，选取N个频点，计算不同频率激励下的待测象元的响应度RV(ωi)
Figure RE-GDA0002992994180000081
根据不同频率激励下的待测象元的响应度RV(ωi)，结合基于象限光电探测器等效模型的频率响应特性曲线模板H(ω)
Figure RE-GDA0002992994180000082
建立方程组：
Figure RE-GDA0002992994180000083
解算出频率响应特性参数表达式中RL、RD、Rt、Rs、Rp、Cp以及Ci值，得出象限光电探测器待测象元的频率响应特性参数曲线并通过输入输出接口模块9 进行输出和显示。通过控制激光聚焦扫描模块4和象限光电探测器适配模块5 进行象限光电探测器逐象元测量，最终实现象限光电探测器频率响应特性参数测量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，其特征在于，所述装置包括扫频激光激励光源(1)、光纤分束模块(2)、高速光电探测模块(3)、激光聚焦扫描模块(4)、象限光电探测器适配模块(5)、信号调理模块(6)、高速数据采集存储模块(7)、数据处理模块(8)以及输入输出接口模块(9)；
所述扫频激光激励光源(1)用于提供扫频激光激励信号，其通过单模光纤与所述光纤分束模块(2)连接；
所述光纤分束模块(2)用于激励激光信号进行功率分配，通过单模光纤分别与所述高速光电探测模块(3)和所述激光聚焦扫描模块(4)连接；
所述高速光电探测模块(3)与所述高速数据采集存储模块(7)连接，实现激励激光信号功率计波形监测；
所述激光聚焦扫描模块(4)与所述象限光电探测器适配模块(5)进行刚性连接，被测象限光电探测器固定安装在所述象限光电探测器适配模块(5)上，所述激光聚焦扫描模块(4)将扫频激光激励信号聚焦后输入所述被测象限光电探测器待测象元；
所述象限光电探测器适配模块(5)用于待测象元响应电信号选通输出，并顺次连接所述信号调理模块(6)以及所述高速数据采集存储模块(7)，实现待测象元响应电信号波形测量；
所述数据处理模块(8)分别与所述激光聚焦扫描模块(4)、所述象限光电探测器适配模块(5)以及所述高速数据采集存储模块(7)连接，用于控制所述激光聚焦扫描模块(4)和所述象限光电探测器适配模块(5)实现象限光电探测器逐象元扫描测试，并解算待测象元频率响应特性参数；
所述输入输出接口模块(9)与所述数据处理模块(8)连接，用于测量结果传输、显示并提供人机交互界面。
2.如权利要求1所述的象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，其特征在于，所述扫频激光激励光源(1)采用光外差技术产生高频信号，通过温度调谐方法，实现信号频率调整，温度调节速率为0.3℃/s，温度调节精度为0.15℃，无需外部控制，实现频率范围为DC～1GHz，扫频周期为1s的扫频激光信号输出。
3.如权利要求1所述的象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，其特征在于，所述光纤分束模块(2)包括光纤分束器，用于扫频激励激光功率分配，其中光纤分束器分束比为1：1。
4.如权利要求1所述的象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，其特征在于，所述高速光电探测模块(3)采用带宽为3GHz的直流耦合InGaAs光电探测器，在DC～1GHz的频段内，频率响应特性曲线的平坦度优于1％。
5.如权利要求1所述的象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，其特征在于，所述激光聚焦扫描模块(4)由光纤聚焦镜、高精度三维电控位移平台组成，光纤聚焦镜与高精度三维电控位移平台进行刚性连接，其中光纤聚焦镜倍率为1：1，高精度三维电控位移平台采用基于光栅尺反馈的闭环控制模式，最小位移分辨率为5μm。
6.如权利要求1所述的象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，其特征在于，所述象限光电探测器适配模块(5)由象限光电探测器安装插座和单刀多掷开关组成，其中象限光电探测器安装插座采用可更换设计，通过更换插座，可支持不同类型的象限光电探测器安装；单刀多掷开关采用多选一型开关，支持64路选通。
7.如权利要求1所述的象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，其特征在于，所述信号调理电路(6)采用取样-放大的电流信号放大结构，其中取样电阻阻值为50Ω和1000Ω，根据被测象限光电探测器的阻抗匹配要求进行选择；电压放大结构采用带宽为2.2GHz，增益为20dB～40dB可调的高速、低噪声直流耦合、可变增益放大模块。
8.如权利要求1所述的象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，其特征在于，所述高速数据采集存储模块(7)采用同步误差小于1ns的双通道高同步精度数据采集模式，其采样频率为3GHz，并具有实时存储功能，其存储深度为6GByte。
9.如权利要求1所述的象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，其特征在于，所述数据处理模块(8)由高性能DSP和FPGA作为核心器件，内部集成采用基于激光探测器等效电路模型的激光探测器频率响应参数拟合算法，实现象限光电探测器频率响应特性参数测量。
10.如权利要求1-9任一项所述的象限光电探测器频率响应特性参数测量装置，其特征在于，所述数据处理模块(8)采用基于激光探测器等效电路模型的激光探测器频率响应参数拟合算法，利用象限光电探测器待测象元响应电压信号波形数据V(t)和扫频激光激励的信号波形数据Vref(t)进行傅立叶变化并计算得到不同频率激励下的待测象元的响应度RV(ωi)，结合所述高速光电探测模块(3)的响应度RV,ref以及基于象限光电探测器等效模型的频率响应特性曲线模板H(ω)
Figure RE-FDA0002992994170000031
建立方程组：
Figure RE-FDA0002992994170000032
通过解算频率响应特性曲线模板中RL、RD、Rt、Rs、Rp、Cp以及Ci值，得出象限光电探测器待测象元的频率响应特性曲线。
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