脈寬測(cè)向技術(shù)在激光告警設(shè)備中的應(yīng)用

胡進(jìn)軍+++王江磊

摘 要：通過(guò)對(duì)多窗口陣列型激光告警系統(tǒng)的研究分析，為激光告警設(shè)備水平方向的識(shí)別提出了一種新的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)比分析得出結(jié)論：該方法在不增加系統(tǒng)探測(cè)窗口數(shù)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用脈寬測(cè)向技術(shù)，能夠大幅度提高系統(tǒng)的激光方位識(shí)別能力。

關(guān)鍵詞：激光告警；脈寬測(cè)向；角度分辨力

引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，來(lái)自激光的威脅日趨嚴(yán)重。隨著激光武器在實(shí)戰(zhàn)中的利用，能夠?qū)す鉁y(cè)距、激光制導(dǎo)、激光高能輻射武器等激光武器的快速、正確的告警，特別是精確測(cè)定來(lái)襲激光的方位，是激光告警發(fā)展的需要。

目前，典型激光告警設(shè)備通常采用多窗口陣列型探測(cè)體制對(duì)激光威脅源方位進(jìn)行識(shí)別。該類型設(shè)備主要由激光告警天線與告警處理機(jī)箱組成，運(yùn)用告警天線上探測(cè)窗口的布局及窗口的視場(chǎng)設(shè)置識(shí)別激光威脅源方位。其優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、視場(chǎng)大、可靠性高、成本較低。但是，為了提高方位的分辨精度，必須使用足夠多的光學(xué)窗口和探測(cè)單元，這就導(dǎo)致系統(tǒng)較復(fù)雜。

在對(duì)多窗口探測(cè)型體制研究基礎(chǔ)上，利用相鄰窗口入射激光的脈沖寬度信息進(jìn)行識(shí)別，在不增加接收窗口的情況下能夠提高系統(tǒng)的方位識(shí)別能力。

1 多窗口探測(cè)陣列型方位識(shí)別原理

多窗口探測(cè)陣列型告警器天線的設(shè)計(jì)，主要是沿水平圓周均勻排列n個(gè)探測(cè)窗口，依靠視場(chǎng)光闌限制每個(gè)探測(cè)窗口的視場(chǎng)。目前常用的激光威脅源水平方位角識(shí)別方式，是通過(guò)視場(chǎng)光闌將底層探測(cè)窗口的視場(chǎng)設(shè)為540°/n，每個(gè)探測(cè)窗口分別與兩邊探測(cè)窗口有180°/n 的視場(chǎng)重合， 同時(shí)又有180°/n 的獨(dú)立探測(cè)視場(chǎng)，處理器根據(jù)探測(cè)窗口的告警狀況計(jì)算出激光威脅信號(hào)的水平方位。

圖1為探測(cè)窗口個(gè)數(shù)為9的水平視場(chǎng)區(qū)域分布。利用視場(chǎng)光闌將每個(gè)探測(cè)窗口的視場(chǎng)設(shè)為60°，每個(gè)探測(cè)窗口分別與兩邊探測(cè)窗口有20°的視場(chǎng)重合，又有20°的獨(dú)立探測(cè)視場(chǎng)。該告警系統(tǒng)的水平角度分辨力為20°。

圖1 探測(cè)窗口個(gè)數(shù)為9的水平視場(chǎng)區(qū)域分布

2 脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)

脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)主要利用的原理是，激光探測(cè)接收電路輸出的TTL脈沖信號(hào)寬度與激光入射角度成一定比例關(guān)系。

當(dāng)光功率密度一定時(shí)，光電探測(cè)單元輸出的光電流與激光的入射角度成一定的比例關(guān)系。光電探測(cè)器對(duì)某一波長(zhǎng)激光的響應(yīng)度是一定的。如式（1）所示，其中探測(cè)器響應(yīng)度為Ri，接收光敏面積為S，光功率為E，光電流為I。

（1）

由上式可以看出，光電探測(cè)器輸出的光電流信號(hào)幅值I與接收光敏面積S有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)激光垂直入射時(shí)，實(shí)際光敏面接收面積為S，激光以入射角α進(jìn)行照射時(shí)，實(shí)際接收光敏面積為S1，由圖2可知：

？琢=？茁 （2）

S1=S×cos？琢 （3）

則激光入射角度為α?xí)r，輸出光電流可以由公式（3）得出：

I？琢=Ri×S×E×cos？琢 （4）

光電流經(jīng)過(guò)電路濾波、放大和比較后輸出為相應(yīng)的TTL脈沖信號(hào)。集成天線陣列上相鄰兩個(gè)光學(xué)窗口，同一束激光照射時(shí)入射角度會(huì)有所不同，如圖3所示：

圖3 視場(chǎng)角度圖

得到相鄰兩個(gè)窗口探測(cè)輸出脈沖信號(hào)寬度比值為：

（5）

多窗口探測(cè)陣列型告警器，在視場(chǎng)重合區(qū)會(huì)同時(shí)接收到兩個(gè)窗口的激光脈沖信息。通過(guò)識(shí)別最寬脈沖和次寬脈沖，并測(cè)量出脈沖寬度數(shù)據(jù)，通過(guò)比較相鄰兩個(gè)接收窗口輸出的激光脈沖信號(hào)的脈寬信息計(jì)算得出相應(yīng)的激光入射角度。

3 脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)的應(yīng)用

為了利用脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)提高告警系統(tǒng)的角度分辨力，對(duì)探測(cè)窗口個(gè)數(shù)為9的告警器進(jìn)行改進(jìn)，利用視場(chǎng)光闌將每個(gè)探測(cè)窗口的視場(chǎng)設(shè)為80°，相鄰兩個(gè)探測(cè)窗口的重合區(qū)視場(chǎng)均為40°，不再有獨(dú)立視場(chǎng)，其水平視場(chǎng)區(qū)域分布如圖4所示。

采用脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)對(duì)重合視場(chǎng)區(qū)進(jìn)行再次分割，首先通過(guò)識(shí)別最寬脈沖和次寬脈沖計(jì)算出重合視場(chǎng)區(qū)方位，然后再次計(jì)算最寬脈沖和次寬脈沖的比值，查找脈寬比值與方位角度對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以把重合視場(chǎng)區(qū)分割為（5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°）8個(gè)方位角度區(qū)，從而使該告警系統(tǒng)的角度分辨力提高到5°。

圖4 改進(jìn)后探測(cè)窗口個(gè)數(shù)為9的水平視場(chǎng)區(qū)域分布

4 測(cè)試試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

4.1 脈寬識(shí)別側(cè)向理論計(jì)算

試驗(yàn)選用告警設(shè)備的相鄰探測(cè)窗口視場(chǎng)分割如圖5所示：

圖5 視場(chǎng)分割原理圖

探測(cè)設(shè)備每個(gè)探測(cè)窗口的接收視場(chǎng)為80°，相鄰兩個(gè)窗口合成視場(chǎng)為40°。當(dāng)激光入射角處于重合視場(chǎng)區(qū)，順時(shí)針5°轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，窗口1和窗口2相對(duì)入射角度對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1 入射角度對(duì)應(yīng)關(guān)系表

理論分析計(jì)算得出窗口1和窗口2在不同入射角下，激光脈沖寬度比值對(duì)應(yīng)表如表2所示：

表2 理論計(jì)算脈寬對(duì)比表

4.2 脈寬識(shí)別側(cè)向試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

在脈寬識(shí)別側(cè)向測(cè)試試驗(yàn)中，同時(shí)對(duì)窗口1和窗口2接收到的激光脈沖信息進(jìn)行測(cè)量。記錄下每個(gè)入射角度時(shí)對(duì)應(yīng)的脈沖寬度數(shù)據(jù)，每個(gè)入射角度提取12組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，求其平均值。窗口1和窗口2對(duì)應(yīng)的脈沖寬度的平均值隨入射角度的變化見(jiàn)圖6、圖7所示：

整理窗口1和窗口2接收的脈沖寬度數(shù)據(jù)，并計(jì)算得出其脈沖寬度比值對(duì)應(yīng)表如表3所示：

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)脈寬測(cè)向技術(shù)理論計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)整理如圖8所示：

數(shù)據(jù)分析：由試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致；通過(guò)該計(jì)算方法可以通過(guò)計(jì)算脈寬比值查找得出對(duì)應(yīng)方位角度范圍；但也存在由接收電路不一致性帶來(lái)的誤差，這個(gè)誤差可以在處理電路中通過(guò)采樣處理等方式得到修正。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用脈寬測(cè)向技術(shù)可以在不增加窗口陣列型激光告警器探測(cè)窗口數(shù)量和硬件成本基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)探測(cè)窗口視場(chǎng)布局和采用新的信號(hào)處理方法，能夠大幅度提高系統(tǒng)的角度分辨力。為了使脈寬測(cè)向技術(shù)計(jì)算得出的角度方位信息更加精確、可靠，考慮進(jìn)一步分析驗(yàn)證造成實(shí)際設(shè)計(jì)與理論計(jì)算之間誤差的因素，找到進(jìn)一步提高角度分辨力的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]王永仲.現(xiàn)代軍用光學(xué)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]王建軍，張沛露，李巖，等.激光告警內(nèi)場(chǎng)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)精密工程，2010，18（9）.

[3]孫春生，李樹(shù)山，雷選華.一種確定激光輻射方位的新技術(shù)[J].激光與紅外，2003，33（2）：101-103.

[4]孫建國(guó)，叢俊奎.激光告警視場(chǎng)中誤差分析[J].激光與紅外，2001.

作者簡(jiǎn)介：胡進(jìn)軍，工程師。

王江磊，工程師。

摘 要：通過(guò)對(duì)多窗口陣列型激光告警系統(tǒng)的研究分析，為激光告警設(shè)備水平方向的識(shí)別提出了一種新的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)比分析得出結(jié)論：該方法在不增加系統(tǒng)探測(cè)窗口數(shù)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用脈寬測(cè)向技術(shù)，能夠大幅度提高系統(tǒng)的激光方位識(shí)別能力。

關(guān)鍵詞：激光告警；脈寬測(cè)向；角度分辨力

引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，來(lái)自激光的威脅日趨嚴(yán)重。隨著激光武器在實(shí)戰(zhàn)中的利用，能夠?qū)す鉁y(cè)距、激光制導(dǎo)、激光高能輻射武器等激光武器的快速、正確的告警，特別是精確測(cè)定來(lái)襲激光的方位，是激光告警發(fā)展的需要。

目前，典型激光告警設(shè)備通常采用多窗口陣列型探測(cè)體制對(duì)激光威脅源方位進(jìn)行識(shí)別。該類型設(shè)備主要由激光告警天線與告警處理機(jī)箱組成，運(yùn)用告警天線上探測(cè)窗口的布局及窗口的視場(chǎng)設(shè)置識(shí)別激光威脅源方位。其優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、視場(chǎng)大、可靠性高、成本較低。但是，為了提高方位的分辨精度，必須使用足夠多的光學(xué)窗口和探測(cè)單元，這就導(dǎo)致系統(tǒng)較復(fù)雜。

在對(duì)多窗口探測(cè)型體制研究基礎(chǔ)上，利用相鄰窗口入射激光的脈沖寬度信息進(jìn)行識(shí)別，在不增加接收窗口的情況下能夠提高系統(tǒng)的方位識(shí)別能力。

1 多窗口探測(cè)陣列型方位識(shí)別原理

多窗口探測(cè)陣列型告警器天線的設(shè)計(jì)，主要是沿水平圓周均勻排列n個(gè)探測(cè)窗口，依靠視場(chǎng)光闌限制每個(gè)探測(cè)窗口的視場(chǎng)。目前常用的激光威脅源水平方位角識(shí)別方式，是通過(guò)視場(chǎng)光闌將底層探測(cè)窗口的視場(chǎng)設(shè)為540°/n，每個(gè)探測(cè)窗口分別與兩邊探測(cè)窗口有180°/n 的視場(chǎng)重合， 同時(shí)又有180°/n 的獨(dú)立探測(cè)視場(chǎng)，處理器根據(jù)探測(cè)窗口的告警狀況計(jì)算出激光威脅信號(hào)的水平方位。

圖1為探測(cè)窗口個(gè)數(shù)為9的水平視場(chǎng)區(qū)域分布。利用視場(chǎng)光闌將每個(gè)探測(cè)窗口的視場(chǎng)設(shè)為60°，每個(gè)探測(cè)窗口分別與兩邊探測(cè)窗口有20°的視場(chǎng)重合，又有20°的獨(dú)立探測(cè)視場(chǎng)。該告警系統(tǒng)的水平角度分辨力為20°。

圖1 探測(cè)窗口個(gè)數(shù)為9的水平視場(chǎng)區(qū)域分布

2 脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)

脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)主要利用的原理是，激光探測(cè)接收電路輸出的TTL脈沖信號(hào)寬度與激光入射角度成一定比例關(guān)系。

當(dāng)光功率密度一定時(shí)，光電探測(cè)單元輸出的光電流與激光的入射角度成一定的比例關(guān)系。光電探測(cè)器對(duì)某一波長(zhǎng)激光的響應(yīng)度是一定的。如式（1）所示，其中探測(cè)器響應(yīng)度為Ri，接收光敏面積為S，光功率為E，光電流為I。

（1）

由上式可以看出，光電探測(cè)器輸出的光電流信號(hào)幅值I與接收光敏面積S有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)激光垂直入射時(shí)，實(shí)際光敏面接收面積為S，激光以入射角α進(jìn)行照射時(shí)，實(shí)際接收光敏面積為S1，由圖2可知：

？琢=？茁 （2）

S1=S×cos？琢 （3）

則激光入射角度為α?xí)r，輸出光電流可以由公式（3）得出：

I？琢=Ri×S×E×cos？琢 （4）

光電流經(jīng)過(guò)電路濾波、放大和比較后輸出為相應(yīng)的TTL脈沖信號(hào)。集成天線陣列上相鄰兩個(gè)光學(xué)窗口，同一束激光照射時(shí)入射角度會(huì)有所不同，如圖3所示：

圖3 視場(chǎng)角度圖

得到相鄰兩個(gè)窗口探測(cè)輸出脈沖信號(hào)寬度比值為：

（5）

多窗口探測(cè)陣列型告警器，在視場(chǎng)重合區(qū)會(huì)同時(shí)接收到兩個(gè)窗口的激光脈沖信息。通過(guò)識(shí)別最寬脈沖和次寬脈沖，并測(cè)量出脈沖寬度數(shù)據(jù)，通過(guò)比較相鄰兩個(gè)接收窗口輸出的激光脈沖信號(hào)的脈寬信息計(jì)算得出相應(yīng)的激光入射角度。

3 脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)的應(yīng)用

為了利用脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)提高告警系統(tǒng)的角度分辨力，對(duì)探測(cè)窗口個(gè)數(shù)為9的告警器進(jìn)行改進(jìn)，利用視場(chǎng)光闌將每個(gè)探測(cè)窗口的視場(chǎng)設(shè)為80°，相鄰兩個(gè)探測(cè)窗口的重合區(qū)視場(chǎng)均為40°，不再有獨(dú)立視場(chǎng)，其水平視場(chǎng)區(qū)域分布如圖4所示。

采用脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)對(duì)重合視場(chǎng)區(qū)進(jìn)行再次分割，首先通過(guò)識(shí)別最寬脈沖和次寬脈沖計(jì)算出重合視場(chǎng)區(qū)方位，然后再次計(jì)算最寬脈沖和次寬脈沖的比值，查找脈寬比值與方位角度對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以把重合視場(chǎng)區(qū)分割為（5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°）8個(gè)方位角度區(qū)，從而使該告警系統(tǒng)的角度分辨力提高到5°。

圖4 改進(jìn)后探測(cè)窗口個(gè)數(shù)為9的水平視場(chǎng)區(qū)域分布

4 測(cè)試試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

4.1 脈寬識(shí)別側(cè)向理論計(jì)算

試驗(yàn)選用告警設(shè)備的相鄰探測(cè)窗口視場(chǎng)分割如圖5所示：

圖5 視場(chǎng)分割原理圖

探測(cè)設(shè)備每個(gè)探測(cè)窗口的接收視場(chǎng)為80°，相鄰兩個(gè)窗口合成視場(chǎng)為40°。當(dāng)激光入射角處于重合視場(chǎng)區(qū)，順時(shí)針5°轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，窗口1和窗口2相對(duì)入射角度對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1 入射角度對(duì)應(yīng)關(guān)系表

理論分析計(jì)算得出窗口1和窗口2在不同入射角下，激光脈沖寬度比值對(duì)應(yīng)表如表2所示：

表2 理論計(jì)算脈寬對(duì)比表

4.2 脈寬識(shí)別側(cè)向試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

在脈寬識(shí)別側(cè)向測(cè)試試驗(yàn)中，同時(shí)對(duì)窗口1和窗口2接收到的激光脈沖信息進(jìn)行測(cè)量。記錄下每個(gè)入射角度時(shí)對(duì)應(yīng)的脈沖寬度數(shù)據(jù)，每個(gè)入射角度提取12組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，求其平均值。窗口1和窗口2對(duì)應(yīng)的脈沖寬度的平均值隨入射角度的變化見(jiàn)圖6、圖7所示：

整理窗口1和窗口2接收的脈沖寬度數(shù)據(jù)，并計(jì)算得出其脈沖寬度比值對(duì)應(yīng)表如表3所示：

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)脈寬測(cè)向技術(shù)理論計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)整理如圖8所示：

數(shù)據(jù)分析：由試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致；通過(guò)該計(jì)算方法可以通過(guò)計(jì)算脈寬比值查找得出對(duì)應(yīng)方位角度范圍；但也存在由接收電路不一致性帶來(lái)的誤差，這個(gè)誤差可以在處理電路中通過(guò)采樣處理等方式得到修正。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用脈寬測(cè)向技術(shù)可以在不增加窗口陣列型激光告警器探測(cè)窗口數(shù)量和硬件成本基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)探測(cè)窗口視場(chǎng)布局和采用新的信號(hào)處理方法，能夠大幅度提高系統(tǒng)的角度分辨力。為了使脈寬測(cè)向技術(shù)計(jì)算得出的角度方位信息更加精確、可靠，考慮進(jìn)一步分析驗(yàn)證造成實(shí)際設(shè)計(jì)與理論計(jì)算之間誤差的因素，找到進(jìn)一步提高角度分辨力的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]王永仲.現(xiàn)代軍用光學(xué)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]王建軍，張沛露，李巖，等.激光告警內(nèi)場(chǎng)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)精密工程，2010，18（9）.

[3]孫春生，李樹(shù)山，雷選華.一種確定激光輻射方位的新技術(shù)[J].激光與紅外，2003，33（2）：101-103.

[4]孫建國(guó)，叢俊奎.激光告警視場(chǎng)中誤差分析[J].激光與紅外，2001.

作者簡(jiǎn)介：胡進(jìn)軍，工程師。

王江磊，工程師。

摘 要：通過(guò)對(duì)多窗口陣列型激光告警系統(tǒng)的研究分析，為激光告警設(shè)備水平方向的識(shí)別提出了一種新的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)比分析得出結(jié)論：該方法在不增加系統(tǒng)探測(cè)窗口數(shù)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用脈寬測(cè)向技術(shù)，能夠大幅度提高系統(tǒng)的激光方位識(shí)別能力。

關(guān)鍵詞：激光告警；脈寬測(cè)向；角度分辨力

引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，來(lái)自激光的威脅日趨嚴(yán)重。隨著激光武器在實(shí)戰(zhàn)中的利用，能夠?qū)す鉁y(cè)距、激光制導(dǎo)、激光高能輻射武器等激光武器的快速、正確的告警，特別是精確測(cè)定來(lái)襲激光的方位，是激光告警發(fā)展的需要。

目前，典型激光告警設(shè)備通常采用多窗口陣列型探測(cè)體制對(duì)激光威脅源方位進(jìn)行識(shí)別。該類型設(shè)備主要由激光告警天線與告警處理機(jī)箱組成，運(yùn)用告警天線上探測(cè)窗口的布局及窗口的視場(chǎng)設(shè)置識(shí)別激光威脅源方位。其優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、視場(chǎng)大、可靠性高、成本較低。但是，為了提高方位的分辨精度，必須使用足夠多的光學(xué)窗口和探測(cè)單元，這就導(dǎo)致系統(tǒng)較復(fù)雜。

在對(duì)多窗口探測(cè)型體制研究基礎(chǔ)上，利用相鄰窗口入射激光的脈沖寬度信息進(jìn)行識(shí)別，在不增加接收窗口的情況下能夠提高系統(tǒng)的方位識(shí)別能力。

1 多窗口探測(cè)陣列型方位識(shí)別原理

多窗口探測(cè)陣列型告警器天線的設(shè)計(jì)，主要是沿水平圓周均勻排列n個(gè)探測(cè)窗口，依靠視場(chǎng)光闌限制每個(gè)探測(cè)窗口的視場(chǎng)。目前常用的激光威脅源水平方位角識(shí)別方式，是通過(guò)視場(chǎng)光闌將底層探測(cè)窗口的視場(chǎng)設(shè)為540°/n，每個(gè)探測(cè)窗口分別與兩邊探測(cè)窗口有180°/n 的視場(chǎng)重合， 同時(shí)又有180°/n 的獨(dú)立探測(cè)視場(chǎng)，處理器根據(jù)探測(cè)窗口的告警狀況計(jì)算出激光威脅信號(hào)的水平方位。

圖1為探測(cè)窗口個(gè)數(shù)為9的水平視場(chǎng)區(qū)域分布。利用視場(chǎng)光闌將每個(gè)探測(cè)窗口的視場(chǎng)設(shè)為60°，每個(gè)探測(cè)窗口分別與兩邊探測(cè)窗口有20°的視場(chǎng)重合，又有20°的獨(dú)立探測(cè)視場(chǎng)。該告警系統(tǒng)的水平角度分辨力為20°。

圖1 探測(cè)窗口個(gè)數(shù)為9的水平視場(chǎng)區(qū)域分布

2 脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)

脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)主要利用的原理是，激光探測(cè)接收電路輸出的TTL脈沖信號(hào)寬度與激光入射角度成一定比例關(guān)系。

當(dāng)光功率密度一定時(shí)，光電探測(cè)單元輸出的光電流與激光的入射角度成一定的比例關(guān)系。光電探測(cè)器對(duì)某一波長(zhǎng)激光的響應(yīng)度是一定的。如式（1）所示，其中探測(cè)器響應(yīng)度為Ri，接收光敏面積為S，光功率為E，光電流為I。

（1）

由上式可以看出，光電探測(cè)器輸出的光電流信號(hào)幅值I與接收光敏面積S有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)激光垂直入射時(shí)，實(shí)際光敏面接收面積為S，激光以入射角α進(jìn)行照射時(shí)，實(shí)際接收光敏面積為S1，由圖2可知：

？琢=？茁 （2）

S1=S×cos？琢 （3）

則激光入射角度為α?xí)r，輸出光電流可以由公式（3）得出：

I？琢=Ri×S×E×cos？琢 （4）

光電流經(jīng)過(guò)電路濾波、放大和比較后輸出為相應(yīng)的TTL脈沖信號(hào)。集成天線陣列上相鄰兩個(gè)光學(xué)窗口，同一束激光照射時(shí)入射角度會(huì)有所不同，如圖3所示：

圖3 視場(chǎng)角度圖

得到相鄰兩個(gè)窗口探測(cè)輸出脈沖信號(hào)寬度比值為：

（5）

多窗口探測(cè)陣列型告警器，在視場(chǎng)重合區(qū)會(huì)同時(shí)接收到兩個(gè)窗口的激光脈沖信息。通過(guò)識(shí)別最寬脈沖和次寬脈沖，并測(cè)量出脈沖寬度數(shù)據(jù)，通過(guò)比較相鄰兩個(gè)接收窗口輸出的激光脈沖信號(hào)的脈寬信息計(jì)算得出相應(yīng)的激光入射角度。

3 脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)的應(yīng)用

為了利用脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)提高告警系統(tǒng)的角度分辨力，對(duì)探測(cè)窗口個(gè)數(shù)為9的告警器進(jìn)行改進(jìn)，利用視場(chǎng)光闌將每個(gè)探測(cè)窗口的視場(chǎng)設(shè)為80°，相鄰兩個(gè)探測(cè)窗口的重合區(qū)視場(chǎng)均為40°，不再有獨(dú)立視場(chǎng)，其水平視場(chǎng)區(qū)域分布如圖4所示。

采用脈寬識(shí)別測(cè)向技術(shù)對(duì)重合視場(chǎng)區(qū)進(jìn)行再次分割，首先通過(guò)識(shí)別最寬脈沖和次寬脈沖計(jì)算出重合視場(chǎng)區(qū)方位，然后再次計(jì)算最寬脈沖和次寬脈沖的比值，查找脈寬比值與方位角度對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以把重合視場(chǎng)區(qū)分割為（5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°）8個(gè)方位角度區(qū)，從而使該告警系統(tǒng)的角度分辨力提高到5°。

圖4 改進(jìn)后探測(cè)窗口個(gè)數(shù)為9的水平視場(chǎng)區(qū)域分布

4 測(cè)試試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

4.1 脈寬識(shí)別側(cè)向理論計(jì)算

試驗(yàn)選用告警設(shè)備的相鄰探測(cè)窗口視場(chǎng)分割如圖5所示：

圖5 視場(chǎng)分割原理圖

探測(cè)設(shè)備每個(gè)探測(cè)窗口的接收視場(chǎng)為80°，相鄰兩個(gè)窗口合成視場(chǎng)為40°。當(dāng)激光入射角處于重合視場(chǎng)區(qū)，順時(shí)針5°轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，窗口1和窗口2相對(duì)入射角度對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1 入射角度對(duì)應(yīng)關(guān)系表

理論分析計(jì)算得出窗口1和窗口2在不同入射角下，激光脈沖寬度比值對(duì)應(yīng)表如表2所示：

表2 理論計(jì)算脈寬對(duì)比表

4.2 脈寬識(shí)別側(cè)向試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

在脈寬識(shí)別側(cè)向測(cè)試試驗(yàn)中，同時(shí)對(duì)窗口1和窗口2接收到的激光脈沖信息進(jìn)行測(cè)量。記錄下每個(gè)入射角度時(shí)對(duì)應(yīng)的脈沖寬度數(shù)據(jù)，每個(gè)入射角度提取12組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，求其平均值。窗口1和窗口2對(duì)應(yīng)的脈沖寬度的平均值隨入射角度的變化見(jiàn)圖6、圖7所示：

整理窗口1和窗口2接收的脈沖寬度數(shù)據(jù)，并計(jì)算得出其脈沖寬度比值對(duì)應(yīng)表如表3所示：

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)脈寬測(cè)向技術(shù)理論計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)整理如圖8所示：

數(shù)據(jù)分析：由試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致；通過(guò)該計(jì)算方法可以通過(guò)計(jì)算脈寬比值查找得出對(duì)應(yīng)方位角度范圍；但也存在由接收電路不一致性帶來(lái)的誤差，這個(gè)誤差可以在處理電路中通過(guò)采樣處理等方式得到修正。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用脈寬測(cè)向技術(shù)可以在不增加窗口陣列型激光告警器探測(cè)窗口數(shù)量和硬件成本基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)探測(cè)窗口視場(chǎng)布局和采用新的信號(hào)處理方法，能夠大幅度提高系統(tǒng)的角度分辨力。為了使脈寬測(cè)向技術(shù)計(jì)算得出的角度方位信息更加精確、可靠，考慮進(jìn)一步分析驗(yàn)證造成實(shí)際設(shè)計(jì)與理論計(jì)算之間誤差的因素，找到進(jìn)一步提高角度分辨力的方法。

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作者簡(jiǎn)介：胡進(jìn)軍，工程師。

王江磊，工程師。