基于線列雪崩光電二極管的激光引信成像探測

王小駒，張順法

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引言

光電對抗技術(shù)的發(fā)展和新的作戰(zhàn)方式的出現(xiàn)，給近炸引信帶來了新的挑戰(zhàn)。如：國際上已將針對雷達導引頭的箔條干擾彈和針對紅外導引頭的紅外誘餌彈技術(shù)結(jié)合起來，研制了紅外－箔條復合干擾彈；投放方式也從順序投放方式發(fā)展為密集投放、多方位同時投放方式。在這種情況下，干擾彈將在目標機附近產(chǎn)生大面積紅外煙障和箔條散布區(qū)。此時，導彈如果從干擾區(qū)穿過，干擾區(qū)的煙障和箔條干擾將會對無線電引信和光學引信都產(chǎn)生嚴重的影響，使引信虛警，導致早炸。

提高抗上述干擾的能力，關鍵是要實現(xiàn)引信的精細化探測，獲取更加豐富的回波信息，在復雜干擾背景下提取出更多的目標與干擾特征。其中光學成像（包括紅外成像和激光成像）引信可對目標特征成像，提取到目標的輪廓、距離、角度等信息，實現(xiàn)引信精細化探測，提高抗干擾能力。

在國內(nèi)，紅外成像引信的研究起步相對較早，報道較多，但紅外成像引信技術(shù)受限于紅外探測器的工藝水平，每個像素需要一個探測器，結(jié)構(gòu)的局限使得探測像元較少，所得圖像外形輪廓精度較低，且紅外成像探測容易受到目標體表面溫度不均勻的影響，造成所得到的圖像不夠完整，且為了提高作用距離，必須進行探測器制冷，但引信的體積大小不允許安裝如此多的制冷裝置，因此，紅外成像引信的實用性大受影響。

激光成像引信技術(shù)逐步成為成像引信的重要發(fā)展方向，且大量激光引信的成功運用為激光成像探測提供技術(shù)支持。西方發(fā)達國家均有采用APD（Avalanche PhotoDiode）探測器［1］進行激光引信成像探測研究項目，如：美國完成基于SI PIN探測器二維掃描激光引信研究后，一直在進行APD陣列探測器的3D或4D激光成像技術(shù)研究；英國從2000年開始研制基于SI APD探測器的距離－角度三維成像激光引信原理樣機［2－3］。國內(nèi)進行了彈目相對運動推掃式成像探測的原理分析［3－4］，但運用APD探測器實現(xiàn)激光引信成像探測并未見報道。

1 紅外成像引信和APD探測器

1.1 紅外成像引信介紹

紅外成像引信屬于被動探測引信，它是利用導彈與目標在交會過程中的相對高速運動來完成對目標各個部位的逐步探測，紅外成像引信在接近目標的相對運動過程中，目標上的各個部位隨著相對運動的進行，便依次進入或退出各個探測元的探測視場，各探測元便分別依次探測到目標的各個部位的信號，在時間和空間逐步積累的過程中，形成時間、空間的二維圖像［5］。

1.2 APD探測器指標參數(shù)

APD陣列探測器由于具有高轉(zhuǎn)換率、低噪聲、體積小、分辨率高且動態(tài)范圍大等優(yōu)點，可對極微弱光進行探測，可運用于被動成像和主動成像系統(tǒng)。受限于引信的探測方式與結(jié)構(gòu)布局，以及成像探測器件的發(fā)展，國內(nèi)激光成像探測技術(shù)研究起步較晚，APD探測器的發(fā)展，使激光成像引信成為現(xiàn)實。

文中選用的探測器為德國Silicon sensor公司的16元線型APD陣列探測器。其主要參數(shù)指標為：

1）光譜響應范圍：450～1 050nm；

2）光譜響應度905nm，M＝100時，最小值：55 A／W，典型值：60A／W 且雪崩增益M 值可隨偏置電壓變化而變化；

3）760～910nm的量子效率不小于80%；

4）響應速度：上升時間典型值2ns；

5）暗電流：典型值5nA（M ＝100）。

光敏面排列分布情況如圖1所示。

圖1 APD探測器光敏面分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the distribution of the APD photosensitive cell

2 APD成像探測原理及組成

引信一般為末端探測，靠近目標一定距離后開始探測工作，探測距離較短，探測視場遠大于雷達成像探測視場，要求垂直于彈軸面內(nèi)360°無盲區(qū)探測，因此對成像系統(tǒng)的視場要求更高，通常情況下超過30°。

圖2所示的彈目交會過程為尾追時的成像過程［6］，t1時刻通過引信主動激光束照射到飛機目標尾部，成像接收系統(tǒng)匯聚目標反射回波光信號，引信樣機生成一行目標局部圖像，t2時刻由于交會速度的存在，引信主動光束照射到飛機目標的位置發(fā)生變化，此時引信樣機生成另一行目標局部圖像，隨著彈目交會的進行，引信樣機不斷生成一行行的目標局部圖像，最終經(jīng)過圖像處理單元，將所有行圖像按時序組合成一幅完整的目標圖像。根據(jù)信號處理的功能，所得到的目標圖像可能包含的目標信息有距離像、角度像、外形輪廓像等，將這些特征信息提供給識別算法進行干擾區(qū)分。

圖2 成像探測過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the imaging detecting process

根據(jù)功能模塊分類，本方案的組成可分為：激光發(fā)射單元、激光接收單元、回波信號預處理單元、圖像處理單元。引信單象限成像探測工作流程如圖3所示。

圖3 成像探測流程圖Fig.3 Flow chart of the imaging detection

2.1 激光發(fā)射單元

激光發(fā)射單元完成激光束的整形擴束，為引信提供主動激光源，激光器采用加工工藝成熟的量子阱GaAs激光器。為實現(xiàn)垂直彈軸面上360°無盲區(qū)探測，發(fā)射光束也需要滿足360°無盲區(qū)照射。文中采用6個激光發(fā)射單元組合成360°環(huán)視照射，每個發(fā)射單元經(jīng)過光學系統(tǒng)擴束整形后，覆蓋相應的角度范圍，且覆蓋角度內(nèi)光帶能量分布均勻。由于沿彈目交會方向進行的行掃描成像，理論上發(fā)射頻率越高，額定交會時間內(nèi)采到的目標行圖像越多，完整的目標圖像特征信息會越多，因此沿彈目交會方向光束不必進行擴束，為提高探測精度需要將此方向的光束進行寬度壓縮后準直發(fā)射，最后得到激光單個發(fā)射單元的整形光束為“薄扇形”條狀光帶，多象限組合后的發(fā)射光束如圖4所示。

圖4 發(fā)射光束示意圖Fig.4 Schematic diagram of the projecting beams

2.2 激光接收單元

激光接收單元包含接收光學系統(tǒng)和APD陣列探測器，主要完成目標回波光信號的匯聚。光學系統(tǒng)是將目標反射光信號匯聚到APD陣列探測器光敏面上，光敏面將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。激光接收單元的成像質(zhì)量直接影響到目標圖像的質(zhì)量，為成像引信的關鍵部件。

根據(jù)本方案的成像方式，引信周向使用的APD探測器的像元總和，便是周向的分辨率。為達到更高的周向分辨率，需要使用更多的探測器，但受限于引信的體積和信號處理難度，使用的探測器數(shù)量不可能無限增加。通過仿真分析成像引信探測視場周向192元即可滿足目標識別的需求，由此方案中使用了12個探測器，周向探測元共192元，角度分辨率小于2°，由此可確定單個探測器所需覆蓋的接收視場角。每個APD探測器前端配備一套接收光學系統(tǒng)，其接收視場為30°，組合為360°無盲區(qū)接收，接收光學系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 接收光學系統(tǒng)等效光路圖Fig.5 Ray－tracing diagram of the receiving optical system

光學系統(tǒng)焦距、通光口徑以及激光發(fā)射單元所需功率等參數(shù)影響到引信探測距離指標，其計算過程較為復雜，使用光學系統(tǒng)焦距公式［7］、激光引信探測距離公式和放大器輸出信號電壓公式進行計算［8］，計算過程略。

2.3 回波信號預處理單元

回波信號預處理單元要實現(xiàn)的功能主要有三點：為APD探測器提供偏壓模塊，對光電轉(zhuǎn)換后的弱電信號進行放大，對放大后的電信號進行閾值比較。

由于采用的16元線型APD探測器，16元光電轉(zhuǎn)換過程為同時進行，且彈目交會過程在實際中為一次性高速運動過程，因此對信號處理的時間要求很高。根據(jù)以上特定使用環(huán)境，預處理單元采用16路高速并行獨立處理，節(jié)約時間的同時，也降低了設計難度，其原理框圖如圖6所示。

通過大量的驗證試驗與調(diào)試，在電路原理的基礎上進行小型模塊化設計，運用于樣機上的預處理模塊在實現(xiàn)基本功能的前提下，成功抑制了各種干擾，16路并行放大電路間串擾少，響應快，高帶寬和信噪比高，為圖像處理單元提供了有力保障。

圖6 高速并行預處理單元原理圖Fig.6 Principle of the high－speed preprocessing system

2.4 圖像處理單元

圖像處理單元簡單來說可分為三大部分：圖像獲取，目標圖像生成，目標識別。其工作方式根據(jù)課題研究的需要分為正常工作模式、圖像采集模式、時鐘頻率調(diào)整。正常工作模式是保證引信樣機在沒有計算機控制時使圖像處理板具有獨立工作能力。圖像采集模式只采集圖像數(shù)據(jù)（即只生成目標圖像），不進行目標的識別處理，該模式下采集到的目標圖像直接傳送到計算機，輸出圖像的行數(shù)取決于計算機的存儲空間，以便設計人員作課題研究。時鐘頻率調(diào)整是調(diào)整外部數(shù)據(jù)采集的時鐘頻率，實現(xiàn)多種不同頻率的輸出。

信號處理單元以周向192路并行處理，因此，每次得到的圖像信號為一行192個像素點的二值數(shù)據(jù)組，每個像素點得到二值化的0／1值，且持續(xù)工作。隨著時間的推移得到N行192元的數(shù)據(jù)集，目標圖像生成模塊將N行192元的數(shù)據(jù)集按時序進行排列組成，形成目標二值圖像。

3 仿真與試驗

為了驗證設計方案的合理性及主要技能指標，主要從軟件仿真和內(nèi)、外場飛機模型實測兩方面對原理樣機進行了試驗。

軟件仿真是對圖像處理單元的功能性驗證，包括圖像捕獲、圖像生成以及目標識別算法三方面的初步評測，圖7所示彈目交會條件為側(cè)向正迎頭得到的仿真圖像，此圖實際是以0／1二進制代碼表征對應像元是否探測到回波信號，圖中的一列表示交會過程中探測到的行圖像，多列行圖像最終組成一幅完整的目標二值圖像。

成像探測試驗是驗證引信樣機的成像探測功能，分別在內(nèi)場和外場對兩種尺寸的模型（小目標和大目標）進行了成像探測。

圖7 仿真獲得的二值圖像Fig.7 Bi－value image obtained from the simulation

大目標為“長空一號靶機”，試驗場地為外場開闊地，懸掛高度為4m左右，靜止不動。將固定有引信樣機的小車放置于滑軌上，推動小車從模型下方快速通過進行成像探測，圖8（a）為捕獲到的靶機圖像，受限于靶機的體積、重量、懸掛方式，可模擬的交會姿態(tài)很有限，為進一步驗證，進行了小目標模型成像探測。

小目標為某型戰(zhàn)機的縮比模型，試驗場地為內(nèi)場暗室，根據(jù)戰(zhàn)機真實尺寸所占探測視野角度計算，將縮比模型懸掛于引信樣機上方0.5m左右，引信樣機固定于置物臺上靜止不動，推動模型從樣機上方掠過對其進行成像探測，圖8（b）為捕獲到的小目標圖像，此方式很容易改變模型的懸掛方式以及掠過樣機的方位，從而模擬出不同的交會姿態(tài)，以得到不同姿態(tài)的圖像。

圖8 成像驗證試驗及捕獲圖像Fig.8 Verification experiments and the captured images

同時，還進行了必要的探測距離試驗和抗陽光干擾試驗。

探測距離試驗是以單象限收、發(fā)系統(tǒng)對直徑1 m的“標準球”進行距離探測?！皹藴是颉睉覓煊跇訖C探測場上方，由設備讀出接收到的放大電壓信號，不斷升高“標準球”的高度，直到設備讀出的電壓信號剛好為設定的閾值電壓，此時測量出“標準球”與引信樣機的距離即為探測距離。試驗數(shù)據(jù)顯示，探測距離超過8m，而提高激光器功率或適當降低閾值電壓，均可進一步提高探測距離。

抗陽光干擾試驗是選在晴天、無云天氣，下午2點多的時候進行，將引信樣機探測窗口正對太陽方向，樣機與太陽之間無任何物體時得到圖9中第1幅圖像，圖像全黑表示未探測到任何物體；圖9中第2、3幅圖像，是在同等條件下，在引信探測窗口上方置一鋼筆粗細的長木條，沿探測窗口前后快速旋轉(zhuǎn)移動，所捕獲的圖像，白色塊是捕獲到的長木條運動圖像，由于是間歇性的前后快速旋轉(zhuǎn)移動，一幅圖像在探測時間內(nèi)多次經(jīng)過探測窗口，捕獲到多次運動圖像，由此對比可以看出，陽光背景對樣機成像沒有任何影響。

圖9 抗陽光干擾試驗的捕獲圖像Fig.9 The captured images of anti－sun experiments

4 結(jié)論

本文提出使用APD陣列探測器實現(xiàn)激光引信成像探測的方法。該方法運用彈目相對運動逐行對目標成像，激光發(fā)射單元為引信提供主動光源照射目標，激光接收單元將目標被照射部位的回波光信號匯聚到APD探測器光敏面，光敏面將得到的光信號光電轉(zhuǎn)換為電信號，信號預處理單元和圖像處理單元對電信號進行實時處理得到行圖像。通過樣機驗證試驗表明：引信周向分辨率達到192元；探測距離超過8 m；捕獲的飛機模型圖像輪廓清晰、形體特征明顯，使用特征識別算法對上千幅不同交會姿態(tài)目標圖像進行識別驗證，正確識別率達到90%以上。

輪廓識別易受相似形體干擾，二維圖像對于精細化探測，識別特征信息相對單一，因此本方案未來的研究方向是通過優(yōu)化相關部組件，完善信號處理單元功能，在二維輪廓圖像的基礎上增加回波強度、目標距離等特征信息，經(jīng)初步論證，本方案向多維成像探測發(fā)展有很高的可行性。

［1］肖雪芳，楊國華，歸強，等.InGaAs／InP APD探測器光電特性檢測［J］.電子科技大學學報，2008（3）：460－463.XIAO Xuefang，YANG Guohua，GUI Qiang，et al.Measurement of the static optoelectronic characteristics of In－GaAs／InP avalanche photodiode［J］.Journal of University of Electronic Science and Technology of China，2008（3）：460－463.

［2］孫志慧，鄧甲昊，閆小偉，等.國外激光成像探測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其關鍵技術(shù)［J］.科技導報，2008，26（3）：74－79.SUN Zhihui，DENGJiahao，YAN Xiaowei，et al.Progrss and current state o the development of laser imaging detection system and Its key technique［J］.Science and Technology Review，2008，26（3）：74－79.

［3］鄧甲昊.成像引信聯(lián)合變換相關目標識別關鍵技術(shù)［J］.探測與控制學報，2012，34（1）：1－5.DENG Jiahao.Key technology of joint transform correlation target recognition for imaging fuze［J］.Journal of Detection ＆ Control，2012，34（1）：1－5.

［4］孫志慧，鄧甲昊，閆小偉，等.線陣推掃式激光成像引信探測技術(shù)［J］.光電工程，2009（3）：16－21.SUN Zhihui，DENG Jiahao，YAN Xiaowei，et al.Linear array puh－broom method inlaser inaging fuze detection technology［J］.Opto－electronic Engineering，2009（3）：16－21.

［5］洪流，張順法，張蔭錫，等.紅外成像引信技術(shù)［J］.航空兵器，2005（1）：12－15.HONG Liu，ZHANG Shunfa，ZHANG Mengxi，et al.Infrared imaging fuze［J］.Aero Weaponry，2005（1）：12－15.

［6］于曉亮，馬慧 敏，肖 劍.Real－time target recognition system simulation based on laser near－field detection［J］.Optoelectronics Letters，2009（4）：299－303.

［7］郁道銀，談恒英.工程光學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［8］袁正，孫志杰.空空導彈引戰(zhàn)系統(tǒng)設計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.