基于DSP和APD的水下激光信号采集系统

摘要：针对水下蓝绿激光传输环境的特殊性，提供了一种基于定点DSP芯片TMS320F2812和APD(雪崩二极管)技术的水下激光发射控制及回波信号采集的系统。给出了系统的总体结构、硬件实现和软件程序设计，其中对APD处理电路和DSP的ADC控制模块做了详细的设计。通过实验测试表明，该系统能够准确地采集水下激光的回波信号，便于后期的水下激光传输特性的研关键词：水下激光；APD；TMS320F2812；信号采集

0 引言
蓝绿激光在水下可用波长为0．45～0．55μm波段内，在海水中的穿透深度可达300 m以上。在用于水下通信时，准直性好，不易被截获，且不受电磁辐射和核辐射的影响；它的发射设备更为轻巧，隐蔽安全。在用于水下目标探测时，搜索效率和探测点密度远远高于声纳，可用于精度和机动性要求高的场合。
激光在水下传输以及探测都和海水介质以及水下的流场环境有很大的关系，激光的衰减有其规律性，因此通过采集连续激光探测到目标产生的回波信号，然后与理想的激光功率曲线对比，就可以准确地分析出水下激光传输的相关特性，从而为水下目标探测和水下通信提供很好的理论基础。
目前，文献主要是用蒙特卡罗模拟的方法研究激光在水中的传输机制，而随着APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)以及DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)的发展，DSP芯片在各种领域得到广泛的应用，如文献设计的基于DSP的数据采集系统，这使得水下信号的采集以及后处理分析变得成熟。因此本文根据水下连续激光传输环境的特殊性，设计了激光水下发射控制以及回波信号采集的系统，它是基于DSP的高精度、低功耗系统。

1 系统设计
该系统的水下实验环境如图1所示。该系统由激光发射模块、APD接收模块、DSP电路、PC机四大主要部分组成。将激光发射和接收的载体置于实验环境中。上位机通过DSP控制激光发射模块，发射连续的蓝绿激光，激光探测目标后产生回波，APD接收到该回波信号进行预处理，并发送到DSP的外围处理模块，然后经过DSP内部集成的A／D转换模块转换为数字量，最终通过串口通信将数据输出到上位机中进行显示和后处理，系统结构框图如图2所示。DSP芯片作为下位机的MCU(Micro Control Unit，微控制单元)，它主要实现的是激光器发射电源通断控制以及激光回波信号采集和A／D转换。

2 硬件设计
该系统的硬件系统主要由APD接收模块、中间调理电路、DSP控制电路三大部分组成。
2．1 APD接收模块
该模块主要包括光学透镜、放大电路以及电源电路，如图3所示。光学透镜的选择取决于激光的作用距离、传输介质、焦距、透光直径要求、几何尺寸要求等，具体设计可参考文献。

APD称为雪崩二极管，它是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器件，主要作用是检测经过传输的微弱光信号，并放大、整形、再生成原传输信号。APD的工作原理是通过光电效应产生电子和空穴在高电场区运动时被迅速加速，可能多次碰撞其他原子产生的结果使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。选择使用APD的原因主要为通过利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增后的接收高灵敏度。它的优点很多，具有灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高等特点。APD工作条件：需要有一定的反向偏压才能产生相应的倍增效应，其计算公式如下：
APD的光电流：

式中：Io为初始的光电流；Iop为倍增后的光电流。
APD存在击穿电压Vbr当Vapd=Vbr时，M为∞，此时雪崩倍增噪声也变得非常大，这种情况为APD击穿。该处APD选择的是上海欧光公司的AD500—8TO，它的击穿电压在80～200 V，最大倍增M可以达到100，暗电流最大值为0．25 mA。
选用MAXSIM的MAX5026主要是提供大于90 V的高压，用于APD的反向击穿。MAX5026是固定频率、脉冲宽度可调的低噪音升压式转换器，是能产生高电压的低压系统。由于具有低噪音、输出电压高的特点，因此被广泛用于升压、反馈、隔离输出等拓扑结构中。其工作电压最低为3 V，转换频率为500 kHz。固定频率、电流式PWM的结构使其低的输出噪音很容易被滤掉。MAX5026用于提高输出电压时需要外接一个反馈电阻，其输出电压通过两个外接电阻R1和R2确定。如图4所示，R2为固定值，通过调节R1可调电阻的阻值提供一定范围的高压。由于MAX5026的转换频率高，因此需要一个高速整流器。肖特基二极管可以满足很多应用的要求，是因为其具有恢复时间快，管压降低的优点。选择二极管的额定电流值要大于或等于电感电流的峰值，并且二极管的反向截止电压必须大于输出电压，因此选择串联两个1N4148，其单个的耐压值为100 V。