基于InGaAs探测器的激光告警硬件电路

基于ingaas探测器的激光告警硬件电路
技术领域
1.本实用新型涉及ingaas探测器的外围电路，具体为基于ingaas探测器的激光告警硬件电路。


背景技术：

2.从20世纪60年代起，国外就开始了在激光测试方面的研究，其中美国、英国、法国、德国等国家的研究水平较高。时至今日，随着激光技术的发展，激光装备在路、海、空、天等领域越来越得到广泛关注，激光可用于激光制导、激光雷达、激光武器、激光测距、激光侦查对抗、激光通信等。其中激光告警仪是一种能够探测来袭激光、获取激光参数并实时告警的光电设备，能有效判断来袭激光功能并及时做出示警，红外光电探测器是激光告警仪的最主要器件。
3.目前红外光电探测器发展速度迅猛，种类繁多，已经覆盖到从近红外到长波红外大部分波段。其中，1～3μm短波红外波段是重要的一个波段，其广泛存在于自然界中，主要来源有自然环境反射、高温物体主动辐射、人造短波红外光源等。除可见光外夜光的大部分能量都集中在短波红外波段，因此可以利用自然反射的短波红外光进行短波红外成像。另外在该波段中，很多物质具有独特的光谱特性，如岩石、矿物中含有的氢氧根，农作物中的水，空气中的co2、h2s、nh3、n2o等。因此短波红外探测在如了解资源分布、土壤水分检测、大气成分分析、农作物分析、军事侦察和监视、工业多光谱成像分析、红外预警和夜视成像等众多民用和军事领域有着广阔的应用前景。常见的用于制造短波红外焦平面探测器的材料包括hgcdte、ingaas、inas/gasb、ptsi等。经过长时间研究和应用，基本上形成了hgcdte、ingaas领军的局面。
4.由于ingaas 探测器在常温下便可工作，与制冷型红外探测器相比，在低成本、低功耗、小型化和可靠性等方面有明显的优势，因此在军事和民用领域得到了广泛应用，特别是越来越多的使用在空间探测上。尽管 ingaas 探测器在常温下能工作，但对于空间探测应用来说，输入的信号比较弱，要求仪器具有较高的信噪比。采用制冷的方法可有效提高ingaas 探测器的性能，从而提高整个仪器探测性能，但制冷设备也有可能对探测器产生电磁干扰。针对这些问题，ingaas 探测器的驱动电路设计必须在控制信号获取电路自身噪声的前提下，考虑合适的制冷和温控方案，使探测器能工作在最佳状态，为系统探测性能的提高提供了重要保证。


技术实现要素：

5.本实用新型为了使得ingaas 探测器工作在最佳状态，提供了基于ingaas探测器的激光告警硬件电路。
6.本实用新型是采用如下的技术方案实现的：基于ingaas探测器的激光告警硬件电路，包括tec制冷器、差分运放电路、fpga、adc转换电路和电平转换电路，探测器和tec制冷器、差分运放电路连接，差分运放电路和adc转换电路连接，adc转换电路和fpga连接，fpga
和探测器连接，电平转换电路为tec制冷器、差分运放电路、fpga、adc转换电路供电。探测器将采集的模拟信号经差分运放电路后，进入adc转换电路的输入端，经adc转换电路转换后缓存至fpga进行数据处理，电源模块为其他各部分电路供电。adc转换电路采用差分输入方式能有效提高信号的抗干扰能力。
7.上述的基于ingaas探测器的激光告警硬件电路，还包括usb转换电路，fpga和usb转换电路连接。fpga可以通过usb接口将数据传至 pc 机，在电脑端可以直观地实时显示出干涉图样，也可以直接处理数据，实时传输来袭激光信息。
8.上述的基于ingaas探测器的激光告警硬件电路，还包括电压跟随器，探测器的温度输出信号通过电压跟随器连接到tec制冷器。
9.上述的基于ingaas探测器的激光告警硬件电路，电压跟随器由op07运算放大器形成。
10.本实用新型硬件电路是基于ingaas探测器，包括tec制冷器（保证工作在合适的温度点）、信号转换、数据采集、数据发送，电路采用了fpga实现ingaas探测器的驱动控制以及数据处理，使探测器能工作在最佳状态，为系统探测性能的提高提供了重要保证。
附图说明
11.图1为本实用新型硬件电路总体结构图。
12.图2为电平转换电路原理图。
13.图3为探测器原理图。
14.图4为tec制冷器原理图。
15.图5为adc转换电路原理图。
16.图6为差分运放电路原理图。
17.图7为usb转换电路原理图。
18.图8为电压跟随器原理图。
具体实施方式
19.本实用新型硬件电路主要服务于近红外640
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512ingaas探测器阵列，包括tec制冷器（保证工作在合适的温度点）、信号转换、数据采集、数据发送，电路采用了fpga实现ingaas探测器的驱动控制以及数据处理。具体由fpga完成对探测器工作寄存器的配置，保证探测器的正常工作状态，并且设计了fpga与上位机之间的串口转usb电路，为干涉图样的获取、数据处理方法的研究提供便利。
20.硬件电路总体结构如图1所示，fpga 是3.3v逻辑电平，探测器的时序驱动和adc 的时钟输入是 3.3v 逻辑电平，在 fpga的时序驱动下，探测器将采集的模拟信号经差分运放后，进入 adc 的输入端，经ad 转换后由fpga进行数据处理，fpga 也可以通过usb接口将数据传至 pc 机，在电脑端可以直观地还原出干涉图样，也可以将数据保存，方便对数据处理算法的研究，电源模块为其他各部分电路供电。
21.电源电路设计
22.电路中探测器需要3.3v、1.8v电压供电，电平转换芯片、adc芯片需要5v、3.3v电压供电，fpga需要3.3v电压供电，根据各个元件工作电压的要求，电路板采用了5v电压供电，
40，经过综合筛选之后选择ltc6403-1差分运放，ltc 6403-1是一种精确的、非常低的噪音、低失真、全差分的输入/输出放大器，单电源操作的全差分输入输出放大器，这款全差分输入运算放大器基本可以消除tec温控产生的干扰从而保证adc转换芯片接收到的是纯净的模拟量。因为探测器的输出范围是0-2v,实际测量发现为0.5-2v,考虑到ad9288的工作电压范围
±
512mv，需要给运放的差分输入端电压基准抬高1.25v,经过6.8/10的运放比之后，运放的差分输出端输出
±
0.5v的模拟量，可以保证ad与探测器的正确连接。差分放大电路设计如图6所示，包括两个ltc6403-1差分运放芯片，其中一个ltc6403-1差分运放芯片的in-接探测器芯片的vout1管脚，另一个ltc6403-1差分运放芯片的in-接探测器芯片的vout2管脚。
32.串口转usb电路设计
33.为了完成探测器与上位机相连接实现数据传输，在上位机实时显示探测器采集到的图像。考虑到电路板的体积大小问题，本次设计使用ch340转换芯片完成串口转usb，外界12mhz无源晶振，并且该芯片使用简单方便达到了预期效果。电路设计如图7所示。
34.fpga的选取
35.因为对探测器的配置、对探测器数据的处理与运算、与上位机进行数据传输都是由fpga全部完成，需要配置丰富的逻辑资源、片内外存储、存储器和时钟资源。具体配置如表1.1所示。
36.表1.1 fpga资源
37.序号名称说明1fpga主芯片ep4ce55f23（55,856le，2396kbitsram，312乘法器，4plls）2fpga配置芯片winbondw25q64（64mbits）3板载sdram两片mt48lc8m32b2（8m*32bits）共（512mbits），地址数据总线完全独立4板载sramissi25616,256k*16bits5时钟27mhz、50mhz有源晶振6加密芯片ds28e01，保护你的设计不被盗取7电源接口+3v~+15v直流电源输入，+3.3v2a输出8外扩接口giop0(41个io)，gpio1(45个io)，fpc(22个io)共外扩108个io，1.27mm间距9核心板尺寸外形40mm
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40mm，安装孔距38mm
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38mm