雙色激光共軸近場探測系統(tǒng)設(shè)計

梅浩　于海山　李正　李京　王帥濤

摘要：雙色技術(shù)是激光目標探測系統(tǒng)常用的提高目標探測和抗干擾能力的手段之一。針對空空導彈激光引信的使用要求和面臨的主要問題，提出了雙色激光共軸近場探測系統(tǒng)的設(shè)計方法，解決了共軸光學系統(tǒng)和雙色發(fā)射、接收電路等關(guān)鍵技術(shù)，加工裝配完成了探測系統(tǒng)樣機，并進行了探測性能試驗和抗干擾試驗。試驗表明，雙色激光能有效識別云霧、煙霧等氣溶膠類干擾。

關(guān)鍵詞：近炸引信；雙色激光；探測系統(tǒng)；抗干擾

中圖分類號：TJ43+9.2 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）02-0032-03

0、引言

激光引信是導彈武器系統(tǒng)常用的末端探測方式之一。相比其他探測機制，激光引信具有精度高、體積小、成本低等優(yōu)勢，但在戰(zhàn)場環(huán)境中易受到空中云霧和近地戰(zhàn)場煙霧的影響，情況嚴重時會導致虛警，使裝備激光引信的導彈武器系統(tǒng)喪失作戰(zhàn)能力。

雙色技術(shù)是激光目標探測系統(tǒng)常用的提高目標探測和抗干擾能力的手段之一。理論研究和原理l生試驗結(jié)果表明：利用不同波長激光對干擾物后向散射能力的差異進行抗干擾是可行的。

為解決激光引信抗云霧、煙霧干擾能力不足的缺陷，本文從空空導彈實際應(yīng)用的角度，研究了一種具有很強抗干擾能力的雙色激光共軸近場探測系統(tǒng)的設(shè)計方法，對樣機研制過程中遇到的一些關(guān)鍵技術(shù)問題進行了詳細分析，并給出了解決方案，最終利用裝調(diào)完成的樣機進行了試驗驗證。

1、總體設(shè)計

根據(jù)理論計算結(jié)果，考慮國內(nèi)已有的科研成果，選用能同時發(fā)射紫外和紅外激光的雙色半導體激光器作為探測系統(tǒng)光源。

1.1 共軸探測視場

雙色激光共軸探測視場如圖1所示。圖中6為發(fā)射光學系統(tǒng)與接收光學系統(tǒng)間距，即基線距離；R_s為作用近距；R_L為作用遠距；θ_T為光學發(fā)射傾角；θ_R為光學接收視場角。

雙色激光經(jīng)共軸發(fā)射光學系統(tǒng)整形后，由發(fā)射端準直發(fā)出。發(fā)射光束適當向下傾斜，與接收視場的上、下邊緣分別形成探測系統(tǒng)的作用近距與作用遠距。作用近距與遠距之間的區(qū)域即為探測系統(tǒng)的有效探測區(qū)域。

1.2 回波功率計算

為確定系統(tǒng)靈敏度，保證激光探測系統(tǒng)有足夠探測能力，首先應(yīng)根據(jù)發(fā)射、接收視場形式和要求探測距離進行典型目標激光反射回波功率估算。近距激光探測系統(tǒng)回波功率計算公式如下：式中：r為典型目標反射系數(shù)；P₀為激光發(fā)射功率；P₁為發(fā)射光學系統(tǒng)效率；P₂為接收光學系統(tǒng)效率；L為目標線度；A_d為有效通光口徑；尺為探測距離。

從公式（1）可以看出，目標反射回波功率與探測距離的三次方成反比，反射回波為弱光信號。要進行回波信號的收集和處理，必須保證探測器具有足夠高的靈敏度，接收電路有足夠大的放大增益，并且系統(tǒng)應(yīng)具有足夠高的信噪比。

1.3 工作原理

雙色激光探測系統(tǒng)主要由雙色激光發(fā)射系統(tǒng)、回波接收及預(yù)處理系統(tǒng)和電源電路組成，其工作原理和組成如圖2所示。

外部供給激光驅(qū)動電路滿足一定時序關(guān)系的時鐘信號，雙色激光器根據(jù)時鐘信號分時發(fā)光。雙色回波信號依據(jù)發(fā)射的先后順序回到接收系統(tǒng)，先發(fā)射的先被接收。

2、共軸光學系統(tǒng)設(shè)計

要保證雙色激光的共視場探測，發(fā)射和接收共軸光學系統(tǒng)的設(shè)計是關(guān)鍵。設(shè)計時既要充分考慮到引信應(yīng)用的實際條件，即要求體積小，便于裝調(diào)，又要考慮到光學系統(tǒng)對雙色激光存在的色差。此外，激光器的發(fā)光結(jié)有一定的寬度，非點光源發(fā)射，這在設(shè)計時也需要考慮在內(nèi)。

2.1 發(fā)射光學系統(tǒng)

發(fā)射光學系統(tǒng)設(shè)計時首先應(yīng)考慮光源的特性。雙波長激光器管殼內(nèi)有2個紫外激光管芯，1個紅外激光管芯，且相對位置排布為紫外一紅外一紫外。雙色激光器實物照片如圖3所示。

發(fā)射光學系統(tǒng)要求紫外和紅外兩種波長光斑在子午方向準直，在視野方向兩種波長光斑空間分布均勻。由于任何一種光學材料對于紫外和紅外激光的折射率都存在差異，因此采用雙膠合透鏡組對雙色激光發(fā)射光束進行準直和消色差設(shè)計。雙膠合透鏡組對視場方向的準直效果如圖4所示?？梢钥吹?，在作用距離以內(nèi)，發(fā)射光束在視場方向的發(fā)散角極小，準直效果很好。

雙波長激光發(fā)射光束在視場和視野方向的整形效果如圖5所示。從圖中可以看出，三個管芯并排分布，兩側(cè)為紫光、中間為紅外，因此在設(shè)計光學系統(tǒng)時，既要考慮兩種波長激光的色差，又要考慮管芯空間分布所引入的軸外像差。

2.2 接收光學系統(tǒng)

根據(jù)總體設(shè)計要求，探測系統(tǒng)接收視場為一圓錐形視場。設(shè)計時考慮到探測器光敏面和透鏡之間距離較小，因此只要求最大視場角入射條件下，全部激光回波都能被透鏡匯聚到探測器光敏面上即可。選用的雙波長探測器光敏面為φ3 mm的圓形，經(jīng)仿真，單個非球面透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)接收光學系統(tǒng)要求。非球面接收光學系統(tǒng)對最大視場角光線的匯聚效果如圖6所示。紫外和紅外激光都以最大視場角入射，經(jīng)非球面透鏡匯聚后，紫外和紅外激光先后聚焦在焦點上。探測器光敏面位置設(shè)置在兩個焦點之間，同時要保證兩種波長光斑都要落在探測器的有效探測面積之內(nèi)。加工完成的小型化接收光機系統(tǒng)能夠同時將探測器和接收透鏡固定，并能實現(xiàn)微調(diào)，便于樣機的裝配和試驗。

3、電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)包括雙色激光分時發(fā)射驅(qū)動電路和接收放大預(yù)處理電路。

3.1 分時發(fā)射驅(qū)動電路

為了滿足激光引信使用要求，減小發(fā)射電路體積，在電路原理設(shè)計和器件選型上實現(xiàn)發(fā)射電路的小型化，其工作原理圖如圖7所示。

經(jīng)過初步驗證，該發(fā)射驅(qū)動電路能夠滿足系統(tǒng)使用要求。但是需要注意的是，在電路中要防止窄脈沖的傳輸干擾，應(yīng)采用屏蔽線和阻抗匹配的方法改善信號質(zhì)量，并且由于驅(qū)動脈沖瞬間電流很大，需注意大電流回路產(chǎn)生的串擾。

3.2 接收電路

由于采用同一套接收系統(tǒng)接收雙色激光回波，因此要選用對兩種波長激光都有較好響應(yīng)的雙波長探測器。本文選用紫外增強型硅光電探測器，它具有噪聲低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

接收電路的主要功能是為探測器提供偏壓，對探測器接收的雙波長激光回波信號進行多級放大，然后轉(zhuǎn)為差分信號傳輸?shù)叫盘柼幚戆迳?，盡可能提高系統(tǒng)信噪比。具工作原理框圖如圖8所示。

接收電路對回波信號進行兩級放大后，再將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號進行輸出。采用差分信號進行傳輸?shù)膬?yōu)點是可以有效抑制外部電磁干擾，并且有利于識別微小信號，減小信號的擺動范圍。差分信號還能有效避免地的干擾，增加雙極型信號的保真度和穩(wěn)定性。

經(jīng)接收電路放大和轉(zhuǎn)換后的差分、差模信號如圖9所示。輸出信號沒有出現(xiàn)嚴重失真，可以真實反映出回波信號的能量和脈沖寬度。

4、試驗驗證

為驗證雙色激光探測系統(tǒng)的主要性能，加工和裝調(diào)了探測系統(tǒng)樣機，并進行了系統(tǒng)探測性能試驗和抗云霧、煙霧干擾試驗。

4.1 探測性能試驗

選擇標準傘靶進行了雙色激光探測系統(tǒng)探測性能試驗。試驗結(jié)果表明，通過調(diào)整發(fā)射驅(qū)動與接收電路增益，紫外與紅外激光的探測能力基本一致，并與傳統(tǒng)單色激光引信相當，滿足空空導彈典型脫靶量對引信探測距離的要求。

4.2 抗干擾試驗

在保證無云煙條件下紫外和紅外激光探測通道有相同探測能力的前提下，在試驗室開展了雙色激光探測系統(tǒng)對云霧、煙霧的后向散射回波對比試驗。試驗過程為：試驗室開始釋放煙霧，能見度儀時刻監(jiān)控試驗室內(nèi)的能見度：紫外和紅外激光散射回波幅值隨能見度的變化也在不停變化，試驗人員記錄每個能見度下，紫外和紅外激光的回波電壓，然后計算雙色激光散射比值（紫外/紅外）。待煙霧試驗結(jié)束煙霧散盡后，開始進行云霧試驗。試驗結(jié)果如圖10所示。

從試驗結(jié)果可以看出，無論對于固態(tài)顆粒的煙霧，還是對于液態(tài)顆粒的云霧，紫外激光的后向散射光能量明顯高于紅外激光，且散射比值基本維持在2.3～3.5之間。試驗結(jié)果在能見度從低到高的變化過程中保持了較好的一致性。

云煙霧散射試驗結(jié)果表明：雙色激光對氣溶膠類干擾物的后向散射能力差異明顯，可以以此作為激光引信單象限識別目標和抗干擾的依據(jù)。

5、結(jié)論

本文從擴展空空導彈激光引信環(huán)境適應(yīng)能力的角度探索了雙色技術(shù)在激光探測系統(tǒng)抗干擾方面的應(yīng)用，研究了雙色激光探測系統(tǒng)的總體設(shè)計技術(shù)，并進行了光學系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的部件級設(shè)計和加工，最終裝調(diào)完成了探測系統(tǒng)樣機。利用裝調(diào)完成的樣機進行了探測性能和抗干擾性能試驗，試驗結(jié)果證明，在保證相當探測能力的前提下，采用雙色技術(shù)能有效區(qū)分云霧、煙霧等氣溶膠類干擾物，使系統(tǒng)目標識別和抗干擾能力得到有效提高。