宽频带、小型化模拟量光纤电场测量系统研制

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1、第十届全国抗辐射电子学与电磁脉冲学术年会论文集445宽频带、小型化模拟量光纤电场测量系统研制周开明王艳谢泽元(中国工程物理研究院电子工程研究所四川绵阳621900)摘要为了对核爆、雷电和模拟器等辐射源产生的瞬态电场进行测量，研制了低噪声、超宽带模拟量光纤电场测量系统。该系统采用单极子天线，将空间瞬态电场变换为瞬态电压，由置于探头内部的微型光发射机通过光纤把瞬态信号传输到远端的光接收机，解决了强电磁干扰环境中的瞬态电场测试技术问题。关键词自动功率控制超宽带模拟量光纤电场测量在信息时代的今天，光纤作为信息传输介质，它的优越性、经济性表现得特别突出，在很多领域都逐步取代同轴电缆进行信号传输。而

2、利用光纤通信技术，研制的多种测量系统都具有体积小、重量轻、耐酸碱、抗电磁场干扰能力强、长距离传输衰减小、电气绝缘性能好等优点，在各行各业得到了广泛应用。在核爆、雷电和超宽带等特殊电磁环境中，利用模拟量光纤测量系统对电子系统各物理参数进行测量，能够有效解决各种电磁干扰对测量系统的影响，增加测量的准确性。由于电子技术的发展，对测试技术水平要求也越来越高，原有的模拟量光纤电场测量系统不能满足实际科研生产的需要，需研制宽频带、小型化的模拟量光纤电场测量系统，它能够测量小腔体内，脉冲上升前沿在皮秒量级、宽度在微秒量级的电场波形。1设计原理模拟量光纤电场测量系统由信号输入匹配网络、大信号限幅保护、电

3、光转换、自动功率控制(APC)、光器件过流保护、光纤传输、光电转换、放大、记录等模块组成，模拟量光纤电场测量系统原理框图如图1所示。系统把天线接收的电信号转换成光信号，经过光纤传输到光接收机，再把光信号转换成电信号后放大记录，实现对空间电场大小的测量。(1)自动功率控制工作原理模拟量光纤电场测量系统运用了半导体激光器作为光源，该激光器发光效率受外界温度变化影响很大。环境温度升高，激光器发光效率就会降低，输出光功率减小；环境温度降低，激光器发光效率升高，输出光功率增大，这样会造成系统在实际运用中稳定性差，给测试结果带来极大影响。在设计该测量系统时，采用了自动功率控制技术(APC)，使激光器

4、的发光功率不会因温度升降而发生较大变化，保证了测量系统在测试中的准确性。宽频带、小型化模拟量光纤电场测量系统研制图】模拟量光纤电场测量系统的组成半导体激光器由LD和PD两部分组成，LD为光发射器，PD为光接收器。自动功率控制电路工作原理是：当LD光功率发生变化时，激光器内部的光接收器PD接收到的光子数会发生改变，PD中产生少数载流子(空穴一电子对)和输出的光电流也会发生变化。通过外围附加电路，取出变化的微弱光电流，经比较、放大，最后去控制LD光射器的静态工作电流，使LD的输出光功率在较长时间内保持恒定。如果激光器工作环境温度升高，LD发光效率降低，自动功率控制电路会增加LD激光器的静态工

5、作电流Icc，使LD激光器发光功率增加，实现输出光功率稳定；如果环境温度降低，LD激光器发光效率会升高，自动功率控制电路会减小LD激光器的静态工作电流Ice，同样使LD输出的光功率保持稳定。但是，模拟量光纤电场测量系统信号传输与自动光功率控制是相互对立的矛盾体，一方面是要使系统通过改变光功率，实现信号的传输；另一方面，自动光功率控制是要实现系统输出光功率长时间的稳定。要解决这一矛盾，只有从频域上把自动功率控制电路和信号放大电路分开，使自动功率控制电路工作频率远离光纤电场测量系统传输的信号频率，让自动功率控制电路来不及响应电场信号频率。要使光纤电场测量系统传输信号下限频率好，自动功率控制电

6、路的工作上限频率就要很低，才能提高整个系统的低频性能指标。通过技术攻关，自动功率控制电路工作最高上限频率降低到了150Hz。只要测量信号频率大于200Hz，自动功率控制电路就不会影响其正常传输信号。自动光功率控制电路工作原理如图2所示。图2自动功率控制电路工作原理图第}届全国抗辐射电子学与电磁脉冲学术年会论文集(2)输入限幅匹配网络该阿络实现了输^信号的匹配，同时，当输入信号过大时，限幅器能够抑制过大电压冲击，避免前端运算放人器受高压浪涌冲击而失效。(3)过流保护当系统L件不止常或系统调试时，常常会出现电流过太的情况。采用过流保护电路．能够有效限制大电流流过LD馓光器，保护激光器不被烧毁

7、。模拟量光纤电场测量系统设计的过流保护电路，实现了流过LD激光器的电流小于60mA时，该过流保护不影响LD激光器的正常工作：当电流人于60mA时．过流保护L“路起作用，最终限制了LD的最大电流不会超过65mA。(4)光功率显示技术利用LED数码显示技术，跗踪撒光器输出光功率人小，根据显示的光功率值，可以直观判断整个模拟量光纤电场测昔系统_r作是否正常。(5)探头屏蔽技术和电源滤波技术电场探头采用整块铝材加工而成，内部镀银，具有良好导