基于偏振編碼的激光告警機(jī)光纖天線的研究

郭博 孫瑩 劉智超 劉赟

【摘要】在激光告警中基于偏振編碼的光纖天線測量方法，其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定，并且能夠保證在一定精度的情況下實(shí)現(xiàn)全方位角度探測。這種方法是將不同起偏角的偏振片放置在不同位置然后進(jìn)行編碼，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組將合并成一束的由各條光纖射出的光線射入解偏光路中，然后再由判斷電路對其進(jìn)行分析，便得到了激光的入射方向。在通過計(jì)算經(jīng)過偏振片以后的激光能量衰減，并仿真了能量衰減的效果，求解電路能檢測到激光最弱幅值與能量最大偏振衰減時(shí)激光引起的響應(yīng)電流之間的幅值關(guān)系，得到了激光角分辨率在30°時(shí)滿足探測需求。在實(shí)驗(yàn)中得知，為了實(shí)現(xiàn)激光方向全方位的探測，需要在偏振角度劃分為每20°時(shí)將最小識別電壓設(shè)定為20mv。

【關(guān)鍵詞】激光告警;偏振編碼;光纖天線;傳能光纖

1.引言

激光偵察、測距以及激光制導(dǎo)武器等在軍事上的成功應(yīng)用加速了世界上各軍事強(qiáng)國和集團(tuán)對激光預(yù)警接收系統(tǒng)的研制和應(yīng)用。而為了能夠有效預(yù)防激光制導(dǎo)武器對目標(biāo)的精確打擊，新型激光預(yù)警接收器系統(tǒng)的研制成為了急需研究的課題。并且，光電對抗也在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越重要的作用，而光電偵察與告警技術(shù)則是光電對抗及其重要的組成部分，作為激光告警中的重要組成，來襲激光方向的探測已被廣泛的研究。

目前成像型、掩模編碼型和多窗口探測型成為了激光方向測量方法三種通常方法。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，成像型方法采用多源面陣探測器，但反應(yīng)速度慢，且測量精度還會(huì)受到探測器是否均勻的制約掩模編碼型方法易受大氣影響，且探測范圍的大小只能小于受大氣影響的菲涅爾尺度;而多窗口探測型方法的光學(xué)窗口與探測器較多，儀器體積大，信號處理與設(shè)備維護(hù)比較復(fù)雜。

2.方案設(shè)計(jì)

2.1 基本原理

偏振編碼型光纖天線是采用多窗口探測大視場的形式，結(jié)合簡單穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)思想，通過大數(shù)值孔徑的傳能光纖將兩種方法結(jié)合起來形成的。這種方法是將不同起偏角的偏振片放置在不同的方向上然后進(jìn)行編碼，通過聚焦準(zhǔn)直透鏡組將耦合成一束光纖的各方向上光纖射出的經(jīng)過偏振片激光變?yōu)榇笾缕叫械墓?，將對某一波長反射程度較高的反射鏡放置在平行光上，在該反射鏡后面放置一對該波長的1/2分束鏡將反射光束分成兩束，將兩片偏振方向互相垂直的偏振片各放置在兩束光后，并在其后面各放置一個(gè)探測器。這樣來襲激光的方向就可以由經(jīng)過運(yùn)算電路進(jìn)行偏振解碼的探測器輸出信號得知。

圖1 偏振編碼光纖天線的探測原理示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示為偏振編碼光纖天線，天線頂部的各個(gè)方向上有一個(gè)特定的偏振片作為編碼方向與激光的入射角度形成一一對應(yīng)關(guān)系;為了使光纖的視場與探測視場能夠進(jìn)行匹配，偏振片需要與對應(yīng)角度為±27.38o的大數(shù)值孔徑（0.46±0.01）傳能光纖進(jìn)行耦合;再由探測器1、2分別檢測經(jīng)雙折射棱鏡進(jìn)行分光的由16根光纖耦合并與準(zhǔn)直透鏡組耦合射出的近似平行光光強(qiáng)，激光入射方向最終經(jīng)判斷電路分析得知。

為了使每個(gè)方向的來襲光都會(huì)有一個(gè)相應(yīng)的偏振方向與之對應(yīng)，需要利用偏振片對各個(gè)窗口上的來襲激光進(jìn)行偏振編碼，當(dāng)激光從某一個(gè)方向來襲時(shí)，兩個(gè)探測器將會(huì)分別有兩種不同的光（一束為尋常光一束為非尋常光）從渦拉斯頓棱鏡中射入。

2.3 對探測器靈敏度的分析

探測器選用了包含激光告警中幾個(gè)重要的探測器波長（0.85um，1.06um）的YSPD728-G型PIN光電二極管，響應(yīng)光譜為500nm-1600nm。響應(yīng)時(shí)間為滿足通用脈沖激光脈寬要求10ns的1ns。對5km遠(yuǎn)處發(fā)散角為2mrad的激光器（功率為1MW）發(fā)出的激光進(jìn)行告警，則在單位面積功率為12700W、光敏面為300um的探測器上得到初始入射的激光功率為3.59mW，根據(jù)0.85A/W的探測器響應(yīng)度，可得知當(dāng)探測器上接收到激光直接照射時(shí)，得到的響應(yīng)電流為3.05mA。由上式可知，當(dāng)加入偏振片后能量衰減最強(qiáng)位置的能量約為出始能量的1/4，這時(shí)可以得到大約為0.765的響應(yīng)電流，判斷電路能夠?qū)⑵溥M(jìn)行區(qū)分。

3.實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的描述

若室內(nèi)有自然光，將偏振片放置在傳能光纖頂端，讓光纖尾部射出的激光透過透鏡照射在探測器上，觀察與探測器輸出引腳相連的示波器是否有探測波形顯示出來，選用波長為的850nm激光器，更換不同偏振角度的偏振片重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)。

3.2 結(jié)果與分析

若偏振片的起偏角度發(fā)生變化（從0o到360o），為了驗(yàn)證這種方法的可行性，觀察并找到與偏振角度對應(yīng)的電檢測器輸出時(shí)的電壓變化范圍，觀察并找到與偏振角度對應(yīng)的電檢測器輸出時(shí)的電壓變化范圍，若所有的電壓變化都超過了一定的閾值電壓則認(rèn)為任意方向上的偏振光都可以被檢測到。

對于采集的電壓信號的波形完整性這里并不需要保證其完整，而只需要檢測到有相應(yīng)的脈沖信號即可，因?yàn)殡娐繁旧碇恍枰邢鄳?yīng)的高電平就可以對激光信號的有無進(jìn)行判斷，所以對偏振角度、激光方向等情況造成的信號失真情況并不關(guān)心。表1為探測該波長激光器對應(yīng)的各個(gè)偏振角的探檢測電壓。

表1中的“-”表示沒有采用的偏振角度，也就是2.1中提到的激光能量衰減最強(qiáng)的位置，在任意光源中都能找到一對衰減區(qū)域最強(qiáng)的對稱位置，將其舍去，并以此位置為原點(diǎn)分別向左右各旋轉(zhuǎn)20o作為起偏角的起始和結(jié)束位置。從上表中可以看出電壓變化率較慢的是在接近最弱和最強(qiáng)的位置時(shí)，而變化較快的是中間位置，接近正弦變化。偏振角度每變化10o與之對應(yīng)的電壓就變化1020mV，并且奇異點(diǎn)的變化并不明顯。在能量最強(qiáng)衰減偏振角度附近的電壓除660nm在0o和220o的兩組數(shù)據(jù)低于20mV外（分別為19.45mV和19.89mV），其余各組均高于20mV，但這兩組數(shù)據(jù)也都近似于20mV，所以當(dāng)系統(tǒng)最小的識別電壓為20mV時(shí)，偏振光都可以在任何入射方向時(shí)被檢測到。兩組實(shí)驗(yàn)中YSPD728-G型光電探測器在850nm處的光譜響應(yīng)優(yōu)于660nm處光譜響應(yīng)，是850nm激光器的探測效果略優(yōu)于660nm激光器的效果的主要原因。

綜上所述，由以上實(shí)驗(yàn)表明若在最小識別電壓為20mv的條件下，能量衰減最強(qiáng)處仍然能夠檢測到一個(gè)大于閾值電壓的信號，激光告警機(jī)的光接受部位才會(huì)采用基于偏振編碼的光纖天線。

4.結(jié)論

本文提出了基于偏振編碼原理的光纖天線型激光方向測量方法。對激光方向的辨別方法進(jìn)行了分析，并推導(dǎo)出偏振角和激光能量兩者間的函數(shù)關(guān)系。并通過模擬驗(yàn)證了在每20°偏振角度（共18組）的編碼，除去一組最弱的對稱值外，得到的其它16組光強(qiáng)響應(yīng)仍大于一定閾值。實(shí)驗(yàn)顯示，為了證明這種方法的可行程度，需要滿足在能量衰減最強(qiáng)位置附近的兩組電壓值都基本處于20mV的閾值范圍，并且其他位置的數(shù)值全部大于此值。

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