1.本发明涉及一种激光告警器，特别是一种微振镜扫描和光放大及分波的硅光芯片的激光告警器系统构建方法。
背景技术：2.激光告警器作为一种特殊的侦察方法，能够在较大的视场范围内迅速、准确的识别激光威胁信号，确定方位和威胁级别，发出告警信号，具有实时探测范围大、频带宽、维护简单、使用面积小等优点，是光电对抗技术的重要组成部分，一般固定在飞行器、装甲车、卫星等重要设施。近年来，美俄等国对激光告警器进行了大量的研究，在探测精度、分辨率、视场角、灵敏度等方面有了很大的提升。根据探测原理的不同将激光告警器主要分为成像型、光谱识别型和相干识别型三类。
3.相干识别型激光告警器是利用激光高度的时间相干性原理进行探测，并且便于滤除非激光信号，具有探测视场大、角分辨率高、能够检测激光波长等优点，但是结构复杂，抗干扰能力差，技术难度较大，没有实际应用。
4.光谱识别型主要有信号探测装置和信息处理装置组成，通常采用光电二极管作为探测元件，通过放大和信号处理判断来袭激光威胁等级，具有对脉冲激光探测效果好、系统结构简单、灵敏度高等优点，应用范围广，技术成熟，但是同时也存在精度低、处理电路复杂的问题。
5.成像型激光告警器通常由大视场的光学系统和电荷耦合元件(ccd)面阵组成，不需要机械扫描，具有空间角分辨率高、灵敏度高动态范围大等优点，但是ccd读出帧频低，对脉冲光的探测能力差，成本高，图像处理技术复杂，应用较少。
6.以上三种激光告警器普遍存在体积大、能耗高、功能单一、定向精度不够等问题，随着激光武器以及激光探测设备的发展，传统的激光告警器已经不能适应现代军事的需求。
技术实现要素：7.本发明的目的在于提供一种激光告警器，以解决上述背景技术中提出的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种基于硅光芯片的激光告警器，其特征点在于，包括光学接收系统、微振镜扫描系统、硅基波导开关、硅基波导放大器、分波探测系统、以及信号处理系统；
10.所述光学接收系统，用于接收袭激光，聚焦后传输至所述微振镜扫描系统；
11.所述微振镜扫描系统，用于接收所述光学接收系统传输的聚焦光束，并耦合到光纤；
12.所述硅基光波导开关，与所述微振镜扫描系统相连，用于将光纤入射光分为二路，一路为可见光波段，连入所述分波探测系统；另一路为近红外光，通过硅基波导放大器后连入分波探测系统；
13.所述的硅基波导放大器，用于将近红外信号进行光能量放大；
14.所述的分波探测系统，用于将光信号分为多个通道进行探测,获取来袭激光波长和信号功率信息；
15.所述的信号处理系统，分别连接微振镜扫描系统和分波探测系统，获取具有威胁的激光信号以及来袭激光波长和方位角信息。
16.优选的，所述的光学接收系统由扩束镜或者聚焦透镜组成。
17.优选的，所述的微振镜为静电mems微扫描反射镜，兼容cmos工艺。
18.优选的，所述的光开关为硅基波导光开关。
19.优选的，所述的硅基波导放大器采用硅基集成
ⅲ‑ⅴ
族半导体激光放大器。
20.优选的，所述的阵列波导光栅采用多模输出波导阵列波导光栅(mm-awg)。
21.作为本发明的进一步方案：所述的硅基光电探测器采用si-pin锗硅探测器阵列。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.利用微振镜和具有光开关、光放大及分波探测的硅光芯片实现了激光告警器的小型化，集成度高，大大降低了能耗，并且能够对来袭激光进行高速的波长和方位角的同时测量，短时间内侦察出威胁激光，虚警率低，角分辨能力高。
附图说明
24.图1为本发明基于硅光芯片的激光告警器的结构框图。
25.图2为本发明基于硅光芯片的激光告警器实施例的结构示意图。
26.图3为本发明微振镜扫描示意图。
27.图4为硅基光波导开关示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图和实例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围内。
29.请参阅图1，本实施例中激光告警器包括光学接收系统、微振镜扫描系统、硅基波导开关、硅基波导放大器、分波探测系统以及信号处理系统。
30.光学系统接收来袭激光，传送给微振镜扫描，再经反射送入硅基光波导开关，一路直接进入分波探测系统，另一路经过硅基波导放大后再送入分波探测系统，信号处理系统连接光扫描系统和分波探测系统，获取具有威胁信的激光信号以及来袭激光波长和方位角信息。
31.参阅图2，光学接收系统由聚焦透镜/扩束镜1组成，用于收集来袭激光，并将激光聚焦；光扫描系统由扫描mems2和微振镜控制芯片组成，微振镜在微振镜驱动芯片的控制下，沿转轴快速摆动扫描，接收聚焦透镜/扩束镜1集聚焦的光束，并反射到光纤激光耦合器(3) 中，光纤激光耦合器3将微振镜反射的空间光耦合到光纤中，再通过端面耦合的方式将光传送到硅光芯片里，光学接收系统的视场角由微振镜扫描视场决定，两者的视场角相同；光信号进入硅光芯片后先传送到硅基光波导开关4，分为两路，一路可见光波段信号光，直
接进入分波探测器件中进行探测，另一路近红外信号光通过放大器进行能量放大后再分波探测；光放大为硅基
ⅲ‑ⅴ
族半导体激光放大器5、分波探测系统由多模输出波导阵列波导光栅 (mm-awg)6和si-pin锗硅探测器阵列7组成，以硅基作为衬底，利用硅cmos工艺将硅基光波导开关(4)、硅基
ⅲ‑ⅴ
族半导体激光放大器(5)、多模输出波导阵列波导光栅(mm-awg) 6和si-pin锗硅探测器阵列7四种器件集成在一片硅光芯片上，实现了光通道分离、光放大、分波和探测的功能，硅基集成
ⅲ‑ⅴ
族半导体激光放大器采用键合技术，将传统半导体激光放大器(soa)贴到基片上，放大波长覆盖范围广，可实现宽光谱的光放大，光信号经过放大器放大可有效提高系统探测灵敏度，便于后续的信号处理；多模输出波导阵列波导光栅能够同时覆盖多个波段，共8个通道，可有效地将光信号进行分波；si-pin锗硅探测器的暗电流仅有na，可以探测波长小于1.87μm的光，同时响应度于-1v偏压下在1550nm和 1310nm波长分别为0.72a/w和0.98a/w，具有良好的3db带宽，满足探测需求；信号处理电路板8连接微振镜扫描系统和探测器采集卡，当；信号处理电路板8个通道信号都为零或者都有信号并且相近，则为未探测到来袭激光；若单个探测器有输出信号，其他探测器信号为零或较弱，则探测到来袭激光，并且根据输出信号的探测器获取来袭激光波长，结合振镜振动信号获取来袭激光方位角。
32.图3为微振镜扫描图，虚线为振镜转轴，振镜通过随轴快速扫描，将不同角度的入射光送入光纤耦合器中。
33.图4为硅基光波导开关，宽度为w的两条波导以θ角交叉形成x型结构，宽度为wr，长度为lr的反射区位于交叉区域，入射光从端口i1进入，通过外部因素使反射区折射率发射变化，从i1端输入的光被反射到i4端口(反射态)，否则光斑直接传送到i3端，这样实现光开关的功能。
34.对于系统具体参数确定如下
35.1)确定聚焦镜口径
36.假设激光发射功率为p
t
，探测器上的接收功率为pr，探测器的信噪比为snr，探测的公式为
[0037][0038]
式中，t0为单程大气透过率，t
t
为发射系统透过率，tr为接收系统的透过率，r是目标距离，θ
t
是激光发散角，ar是接收口径面积。在太空环境中，探测距离5000km，激光发射功率25w激光发散角为100μrad，大气透过率、发射系统和接收系统透过率为1，最小探测功率为10μw，根据公式可计算出接收口径面积ar最小为0.079
㎡
。
[0039]
2)确定扫描视场和角分辨率
[0040]
设垂直视场角为30
°
，扫描角分辨率主要取决于微振镜的最大扫描角度、谐振频率、系统扫描频率，垂直角分辨率公式如下：
[0041][0042]
其中rv为垂直角分辨率，sv为垂直视场角，p为系统扫描频率，fv为微振镜谐振频率。振镜扫描角度由振镜初始入射光束和振镜转角决定，满足以下公式：
[0043]
φ＝cos-1
(1-2cosθ2sin2α2)
[0044]
其中φ为振镜扫描角度，θ为初始入射角，α为振镜转角，但设置确定的初始入射角后，振镜的扫描角度则是由振镜转角决定。初始入射角θ＝0
°
，此时入射光束垂直振镜转轴入射，上式可变为
[0045]
cosφ＝1-2cosθ2sin2α2＝cos4α
[0046]
即φ＝4α，此时振镜总偏转角为2α，扫描角度为振镜总偏转角度的2倍；但初始入射角度θ≠0
°
时，扫描角度受入射角度和振镜转角的共同影响，并且扫描角度φ＜4α，初始入射角确定时，扫描角度随振镜转角增大而增大；当振镜转角确定时，扫描角度随初始入射角增大而减小。为充分利用振镜转角，获得最大扫描角度，确定初始角度为0
°
，出射光束垂直振镜转轴出射。
[0047]
3)微振镜驱动信号
[0048]
该驱动信号时一种电流信号，一般为正弦信号信号的电流和电压特性由所用的微振镜的电学信号决定。其频率等于mems扫描振镜的谐振频率fv。
[0049]
4)数据采集信号
[0050]
由电路板读出多个si-pin锗硅探测器实时的信号，读出频率与微振镜的谐振频率相同。
[0051]
本发明能够快速检测具有威胁性的来袭激光以及方位角、波长信息，虚警率低，角分辨能力高，并且利用微振镜和具有光开关、光放大、分波和探测的硅光芯片，大大的减小了激光告警器的尺寸，实现了小型化，对于军事中重要设备的安全防护具有重要作用。
技术特征：1.一种基于硅光芯片的激光告警器，其特征在于，包括光学接收系统、微振镜扫描系统、硅基波导开关、硅基波导放大器、分波探测系统、以及信号处理系统；所述光学接收系统，用于接收袭激光，聚焦后传输至所述微振镜扫描系统；所述微振镜扫描系统，用于接收所述光学接收系统传输的聚焦光束，并耦合到光纤；所述硅基光波导开关，与所述微振镜扫描系统相连，用于将光纤入射光分为二路，一路为可见光波段，连入所述分波探测系统；另一路为近红外光，通过硅基波导放大器后连入分波探测系统；所述的硅基波导放大器，用于将近红外信号进行光能量放大；所述的分波探测系统，用于将光信号分为多个通道进行探测,获取来袭激光波长和信号功率信息；所述的信号处理系统，分别连接微振镜扫描系统和分波探测系统，获取具有威胁的激光信号以及来袭激光波长和方位角信息。2.根据权利要求1所述的基于硅光芯片的激光告警器，其特征在于，所述的微振镜系统包括mems微振镜和驱动模块。3.根据权利要求1所述的基于硅光芯片的激光告警器，其特征在于，所述的分波探测系统由硅基阵列波导光栅和硅基光电探测器阵列组成，光信号通过阵列波导光栅分波后由光电探测器阵列接收探测。4.根据权利要求1所述的基于硅光芯片的激光告警器，其特征在于，所述光学接收系统由扩束镜或者聚焦透镜组成，且所述光学接收系统的视场角与所述微振镜扫描系统的视场角相同。5.根据权利要求4所述的基于硅光芯片的激光告警器，其特征在于，光经所述光学接收系统光学系统成像在微振镜上光斑的尺寸等于微振镜镜面尺寸；视场角为30
°
，光学系统的具体参数指标计算如下：激光发射功率为p
t
，探测器上的接收功率为p
r
，探测器的信噪比为snr，探测的公式为式中，t0为单程大气透过率，t
t
为发射系统透过率，t
r
为接收系统的透过率，r是目标距离，θ
t
是激光发散角，a
r
是接收口径面积。在太空环境中，探测距离5000km，激光发射功率25w激光发散角为100μrad，大气透过率、发射系统和接收系统透过率为1，最小探测功率为10μw，根据公式可计算出接收口径面积a
r
最小为0.079
㎡
。
技术总结本发明公开了一种激光告警器，包括光学接收系统、光扫描系统、光开关、光放大、分波探测系统、信号处理系统。光学系统接收来袭激光，传送给光扫描系统，光扫描系统利用微振镜完成扫描，通过光开关后，可见光波段光信号直接进入分波探测系统，近红外波段光信号经过光放大再进入分波探测系统；本方案中光开关、光放大及分波探测系统集成在一片硅光芯片上，包括硅基光波导开关、硅基波导放大器、阵列波导光栅和硅基光电探测器，信号处理系统与微振镜芯片和硅基光电探测器采集卡连接，本发明实现了激光告警器的小型化，能够快速检测具有威胁性的激光信号，并获取激光方位角、波长信息，定向精度高，虚警率低。虚警率低。虚警率低。
技术研发人员：杨少华 侯霞
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：2022.07.01
技术公布日：2022/11/1
