基于DSP和APD的水下激光信號(hào)采集系統(tǒng)

摘要：針對(duì)水下藍(lán)綠激光傳輸環(huán)境的特殊性，提供了一種基于定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812和APD(雪崩二極管)技術(shù)的水下激光發(fā)射控制及回波信號(hào)采集的系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件實(shí)現(xiàn)和軟件程序設(shè)計(jì)，其中對(duì)APD處理電路和DSP的ADC控制模塊做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集水下激光的回波信號(hào)，便于后期的水下激光傳輸特性的研關(guān)鍵詞：水下激光；APD；TMS320F2812；信號(hào)采集

0 引言
藍(lán)綠激光在水下可用波長(zhǎng)為0．45～0．55μm波段內(nèi)，在海水中的穿透深度可達(dá)300 m以上。在用于水下通信時(shí)，準(zhǔn)直性好，不易被截獲，且不受電磁輻射和核輻射的影響；它的發(fā)射設(shè)備更為輕巧，隱蔽安全。在用于水下目標(biāo)探測(cè)時(shí)，搜索效率和探測(cè)點(diǎn)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聲納，可用于精度和機(jī)動(dòng)性要求高的場(chǎng)合。
激光在水下傳輸以及探測(cè)都和海水介質(zhì)以及水下的流場(chǎng)環(huán)境有很大的關(guān)系，激光的衰減有其規(guī)律性，因此通過(guò)采集連續(xù)激光探測(cè)到目標(biāo)產(chǎn)生的回波信號(hào)，然后與理想的激光功率曲線對(duì)比，就可以準(zhǔn)確地分析出水下激光傳輸?shù)南嚓P(guān)特性，從而為水下目標(biāo)探測(cè)和水下通信提供很好的理論基礎(chǔ)。
目前，文獻(xiàn)主要是用蒙特卡羅模擬的方法研究激光在水中的傳輸機(jī)制，而隨著APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光電二極管)以及DSP(Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器)的發(fā)展，DSP芯片在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這使得水下信號(hào)的采集以及后處理分析變得成熟。因此本文根據(jù)水下連續(xù)激光傳輸環(huán)境的特殊性，設(shè)計(jì)了激光水下發(fā)射控制以及回波信號(hào)采集的系統(tǒng)，它是基于DSP的高精度、低功耗系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的水下實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖1所示。該系統(tǒng)由激光發(fā)射模塊、APD接收模塊、DSP電路、PC機(jī)四大主要部分組成。將激光發(fā)射和接收的載體置于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。上位機(jī)通過(guò)DSP控制激光發(fā)射模塊，發(fā)射連續(xù)的藍(lán)綠激光，激光探測(cè)目標(biāo)后產(chǎn)生回波，APD接收到該回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并發(fā)送到DSP的外圍處理模塊，然后經(jīng)過(guò)DSP內(nèi)部集成的A／D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最終通過(guò)串口通信將數(shù)據(jù)輸出到上位機(jī)中進(jìn)行顯示和后處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。DSP芯片作為下位機(jī)的MCU(Micro Control Unit，微控制單元)，它主要實(shí)現(xiàn)的是激光器發(fā)射電源通斷控制以及激光回波信號(hào)采集和A／D轉(zhuǎn)換。

2 硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由APD接收模塊、中間調(diào)理電路、DSP控制電路三大部分組成。
2．1 APD接收模塊
該模塊主要包括光學(xué)透鏡、放大電路以及電源電路，如圖3所示。光學(xué)透鏡的選擇取決于激光的作用距離、傳輸介質(zhì)、焦距、透光直徑要求、幾何尺寸要求等，具體設(shè)計(jì)可參考文獻(xiàn)。

APD稱為雪崩二極管，它是利用光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光電檢測(cè)器件，主要作用是檢測(cè)經(jīng)過(guò)傳輸?shù)奈⑷豕庑盘?hào)，并放大、整形、再生成原傳輸信號(hào)。APD的工作原理是通過(guò)光電效應(yīng)產(chǎn)生電子和空穴在高電場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)被迅速加速，可能多次碰撞其他原子產(chǎn)生的結(jié)果使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應(yīng)。選擇使用APD的原因主要為通過(guò)利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增后的接收高靈敏度。它的優(yōu)點(diǎn)很多，具有靈敏度高、響應(yīng)快、噪聲小、成本低和可靠性高等特點(diǎn)。APD工作條件：需要有一定的反向偏壓才能產(chǎn)生相應(yīng)的倍增效應(yīng)，其計(jì)算公式如下：
APD的光電流：

式中：Io為初始的光電流；Iop為倍增后的光電流。
APD存在擊穿電壓Vbr當(dāng)Vapd=Vbr時(shí)，M為∞，此時(shí)雪崩倍增噪聲也變得非常大，這種情況為APD擊穿。該處APD選擇的是上海歐光公司的AD500—8TO，它的擊穿電壓在80～200 V，最大倍增M可以達(dá)到100，暗電流最大值為0．25 mA。
選用MAXSIM的MAX5026主要是提供大于90 V的高壓，用于APD的反向擊穿。MAX5026是固定頻率、脈沖寬度可調(diào)的低噪音升壓式轉(zhuǎn)換器，是能產(chǎn)生高電壓的低壓系統(tǒng)。由于具有低噪音、輸出電壓高的特點(diǎn)，因此被廣泛用于升壓、反饋、隔離輸出等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。其工作電壓最低為3 V，轉(zhuǎn)換頻率為500 kHz。固定頻率、電流式PWM的結(jié)構(gòu)使其低的輸出噪音很容易被濾掉。MAX5026用于提高輸出電壓時(shí)需要外接一個(gè)反饋電阻，其輸出電壓通過(guò)兩個(gè)外接電阻R1和R2確定。如圖4所示，R2為固定值，通過(guò)調(diào)節(jié)R1可調(diào)電阻的阻值提供一定范圍的高壓。由于MAX5026的轉(zhuǎn)換頻率高，因此需要一個(gè)高速整流器。肖特基二極管可以滿足很多應(yīng)用的要求，是因?yàn)槠渚哂谢謴?fù)時(shí)間快，管壓降低的優(yōu)點(diǎn)。選擇二極管的額定電流值要大于或等于電感電流的峰值，并且二極管的反向截止電壓必須大于輸出電壓，因此選擇串聯(lián)兩個(gè)1N4148，其單個(gè)的耐壓值為100 V。