激光引信岀射激光束發(fā)散角的測(cè)量*

王國(guó)星，馬 沖 ，魏志芳

(1中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 0 30051;2中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 1 00013)

0 引言

激光引信是利用激光束對(duì)目標(biāo)探測(cè)識(shí)別，按預(yù)定設(shè)置條件適時(shí)可靠的控制彈藥引爆的系統(tǒng)。激光引信具有高時(shí)空分辨率，高定距精度，高抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，目前廣泛配用于多種類(lèi)型的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，如航空炸彈、火箭導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈等。

激光引信的目標(biāo)探測(cè)區(qū)是岀射激光束發(fā)散角與接收視場(chǎng)角的重疊區(qū)域，目標(biāo)只有進(jìn)入到該區(qū)域，接收機(jī)才能探測(cè)到目標(biāo)反射的激光回波，經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，饋送到點(diǎn)火線路適時(shí)起爆戰(zhàn)斗部。激光引信總體設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)彈種的類(lèi)別、彈目接近時(shí)的相對(duì)速度、激光脈沖的頻率等多種條件，確定目標(biāo)探測(cè)區(qū)，即確定岀射激光束發(fā)散角與接收光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角指標(biāo)。因此，激光引信發(fā)射組件研制時(shí)，岀射激光束發(fā)散角的準(zhǔn)確測(cè)量十分重要，以滿(mǎn)足指標(biāo)要求，確保目標(biāo)探測(cè)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 激光引信岀射激光束的特點(diǎn)

引信用激光器因受體積、重量、穩(wěn)固性的限制，通常采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易受損，電源輕便且易于調(diào)制的半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器岀射的激光束發(fā)散角具有各向異性的特點(diǎn)[1]:垂直于p-n結(jié)方向的激活層狹窄，衍射作用較強(qiáng)，發(fā)散角大;平行于p-n結(jié)方向的激活層寬厚，衍射作用較小，發(fā)散角小。因此激光引信發(fā)射組件中激光器岀射的光束為橢圓形光斑。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，激光器岀射的光束需要通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直(通常使用單透鏡)，準(zhǔn)直后的激光束垂直方向的發(fā)散角約為6°，水平方向的岀射角約1°。根據(jù)高斯光束經(jīng)過(guò)薄透鏡的變換規(guī)律和傳輸特性，半導(dǎo)體激光器出射的激光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后仍為高斯光束。

高斯光束橫截面內(nèi)光強(qiáng)呈高斯分布，光斑中心最亮，向外逐漸減弱，無(wú)清晰銳邊。通常以光強(qiáng)衰減至最大值的光束直徑定義為高斯光束光束直徑d(z)，光束直徑最小位置為束腰d0，光束直徑與束腰的關(guān)系為:

式中zR為高斯光束的瑞利長(zhǎng)度。高斯光束的光束直徑按雙曲線規(guī)律沿傳播方向由束腰向外擴(kuò)展，激光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角Θ定義為雙曲線兩條切線的夾角:

2 激光束發(fā)散角測(cè)量原理

從式(2)看出，測(cè)量激光束發(fā)散角，可通過(guò)測(cè)量無(wú)窮遠(yuǎn)處光束直徑或束腰得出。但測(cè)量無(wú)窮遠(yuǎn)處光束直徑并不現(xiàn)實(shí)，且束腰通常在激光器輸出平面鏡上，量值較小，不便測(cè)量。目前測(cè)量激光束發(fā)散角時(shí)，需要加薄透鏡對(duì)高斯光束進(jìn)行變換，如圖1所示。

圖1 經(jīng)薄透鏡變換的高斯光束

可證明變換前的高斯光束束腰d01與變換后的束腰d02、透鏡焦距 f及透鏡到束腰的距離 z2有如下關(guān)系:

對(duì)式(3)變形得:

其中df2是透鏡后焦面上的光束直徑，將式(2)代入式(4)得:

從式(5)看出，透鏡焦距f已知，激光束發(fā)散角Θ1的測(cè)量可轉(zhuǎn)換為后焦面上光束直徑df1的測(cè)量，此種測(cè)量激光束發(fā)散角的方法稱(chēng)為焦面法[2]。

激光光束直徑通常采用CCD探測(cè)。激光引信岀射激光束發(fā)散角測(cè)量裝置如圖2所示。

引信發(fā)射組件岀射的激光束功率通常在瓦級(jí)水平，為了避免CCD飽和甚至損傷，岀射光束需要衰減。CCD探測(cè)器接收面放置在透鏡后焦面上，用于探測(cè)入射光斑的功率密度分布E(x，y)。光束直徑等于4倍的功率密度分布的二階矩，此方法稱(chēng)為4σ法[3]。

圖2 激光引信岀射激光束發(fā)散角測(cè)量裝置

3 準(zhǔn)確測(cè)量激光束發(fā)散角的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

激光束發(fā)散角測(cè)量前，應(yīng)保證實(shí)驗(yàn)條件，盡量減小系統(tǒng)誤差，主要有:引信岀射激光源預(yù)熱半小時(shí)，以獲得穩(wěn)定的激光輸出;調(diào)節(jié)測(cè)量系統(tǒng)光軸與激光束同軸，光束穿過(guò)衰減片及透鏡幾何中心;選用高分辨率，高信噪比的CCD探測(cè)器;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中做好外部光輻射屏蔽、確保實(shí)驗(yàn)室溫濕度穩(wěn)定，避免反射、衍射，外部背景光，熱輻射，空氣擾動(dòng)引入的系統(tǒng)誤差。

3.2 背景噪聲去除

CCD探測(cè)到的激光功率密度分布Emean(x，y)可以分為兩部分:被測(cè)光束入射的功率密度分布E(x，y);由背景輻射或探測(cè)器噪聲產(chǎn)生的背景圖像EB(x，y)[4]。

其中背景信號(hào)進(jìn)一步分為本底偏移量EB，offset(x，y)和高頻隨機(jī)噪聲信號(hào) EB，noise(x，y)。

高頻隨機(jī)噪聲信號(hào)決定了統(tǒng)計(jì)誤差，僅影響光束直徑的測(cè)量重復(fù)性?？梢酝ㄟ^(guò)多次重復(fù)測(cè)量取平均值的方法，減小其引入的誤差。

本底偏移量引入系統(tǒng)誤差。在光束直徑計(jì)算前，需要去除本底偏移量，以減小其對(duì)積分計(jì)算的影響。保證同樣的實(shí)驗(yàn)條件，將激光源入射光遮擋，取n次(n＞10)單次本底測(cè)量的平均值作為本底偏移量EB，offset(x，y)。

校正后的功率密度分布E(x，y)為:

3.3 積分區(qū)域的選取

從功率密度分布二階矩式(7)、式(8)可看出，積分與(x － x－)、(y － y－)的平方有關(guān)，如在偏離質(zhì)心較遠(yuǎn)處出現(xiàn)噪聲信號(hào)，會(huì)極大影響積分的計(jì)算結(jié)果。所以在計(jì)算一階矩、二階矩時(shí)應(yīng)選取恰當(dāng)?shù)姆e分區(qū)域，積分區(qū)域的大小可根據(jù)被測(cè)光斑大小、探測(cè)器接收面尺寸、噪聲情況確定，通常為光束直徑的1.5～3倍[3]。

積分區(qū)域的選取可采用如下方法:計(jì)算光束直徑前，初步測(cè)得一組背景噪聲校正的功率密度分布圖像數(shù)據(jù)，分別計(jì)算圖像每一縱列像點(diǎn)的灰度和，選取灰度和的最大值，以該列作為水平中心線。選取最大值的10%作為閾值(積分區(qū)域大致為光束直徑的2倍)，以中心線向左 /右掃描，低于閾值的像素列停止，作為左右邊界。上下邊界的確定方法類(lèi)似。

4 測(cè)量結(jié)果及不確定度

使用上述激光束發(fā)散角測(cè)量方法及裝置，實(shí)際測(cè)量激光引信岀射激光束的發(fā)散角。光束直徑測(cè)量?jī)x已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，水平方向與垂直方向光束直徑測(cè)量值的修正系數(shù)均為0.99，不確定度為U=5%(k=2)。透鏡焦距為100mm，不確定度為U=1%(k=2)。激光引信岀射激光束發(fā)散角測(cè)量結(jié)果如圖3、圖4所示，數(shù)據(jù)表明水平方向發(fā)散角測(cè)量重復(fù)性為1.6%，垂直方向發(fā)散角測(cè)量重復(fù)性為1.2%。

測(cè)量結(jié)果不確定度[5]的分量如表1所示。

表1 不確定度分量匯總

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u為:

測(cè)量結(jié)果表示如下:水平方向發(fā)散角為1.02°，擴(kuò)展不確定度為U=6.4%(k=2);垂直方向發(fā)散角為6.05°，擴(kuò)展不確定度為 U=6.0%(k=2)。該指標(biāo)滿(mǎn)足激光引信設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

采用焦面法，激光引信岀射激光束發(fā)散角的測(cè)量轉(zhuǎn)化為激光束光束直徑的測(cè)量。使用CCD測(cè)量光束直徑時(shí)，實(shí)驗(yàn)條件的保證，背景噪聲的去除及積分區(qū)域的選取直接決定著測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，是光束直徑測(cè)量的重要環(huán)節(jié)。

此外，ISO中提到的另一種發(fā)散角測(cè)量方法是，通過(guò)測(cè)量傳輸軸不同位置光束直徑，采用最小二乘雙曲線擬合，確定激光束傳輸軌跡[3]。此種方法可以同時(shí)計(jì)算出激光束發(fā)散角、束腰、M2等參數(shù)，但比起焦面法測(cè)量裝置復(fù)雜，測(cè)量準(zhǔn)確性較差。

[1]成都電訊工程學(xué)院.激光器件[M].長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1981.

[2]屠欽澧，張自襄.激光實(shí)驗(yàn)原理和方法[M].北京:北京工業(yè)學(xué)院出版社，1988.

[3]ISO 11146-1 Test methods for laser beam widths，divergence angles and beam propagation ratios-part1:Stigmatic and simple astigmatic beams[S].2005.

[4]ISO/TR 11146-3 Test methods for laser beam widths，divergence angles and beam propagation ratios-part 3:Intrinsic and geometrical laser beam classification，propagation and details of test methods stigmatic and simple astigmatic beams[S].2004.

[5]JJF 1059－1999測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1999.