兩種光纖前端激光告警技術(shù)的研究

摘 要：采用光纖前端激光告警技術(shù)的激光告警設(shè)備已有多兵種、各種型號的成熟裝備，并且其裝備數(shù)量占總激光告警設(shè)備數(shù)量的大多數(shù)。文章簡要介紹了目前裝備所采用的光纖前端激光告警技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)，并提出了兩種光纖前端激光告警技術(shù)的新思路。

關(guān)鍵詞：光纖陣列；激光告警；新型光電探測器

引言

光纖前端激光告警設(shè)備僅僅利用光纖來收集、傳遞激光信號已無法滿足光纖前端激光告警技術(shù)的發(fā)展。隨著光纖、光纜制造技術(shù)的日益成熟，制作工藝的不斷發(fā)展進(jìn)步。光纖前端激光告警設(shè)備也應(yīng)該順應(yīng)其發(fā)展，一是應(yīng)利用光纖傳遞激光信號的特點(diǎn)，充分挖掘可利用的激光信號信息；二是應(yīng)考慮將光學(xué)增益引入光纖前端激光告警設(shè)備，進(jìn)一步提高探測靈敏度。

1 光纖前端激光告警技術(shù)

光纖前端激光告警設(shè)備屬于光譜探測型激光告警設(shè)備。光纖前端激光告警技術(shù)是以光纖的一端作為接收機(jī)的前端，探測器與光纖的另一端相連。通過光纖前端收集激光信號，并將其光能量傳遞到設(shè)備接收機(jī)光電探測器的光敏面上。光電探測器以后的部分與其它未采用光纖前端的激光告警設(shè)備大體一致，由光電轉(zhuǎn)換、信號放大、閾值檢測、數(shù)字信號處理、激光信息顯示等部分組成。

根據(jù)激光告警設(shè)備的角度分辨力、告警視場指標(biāo)要求，綜合考慮設(shè)備需要的光纖通道數(shù)量。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)將這些光纖通道以一定的角度及相對位置安裝，將單光纖的小視場拼接為滿足告警設(shè)備視場指標(biāo)要求的大視場，同時(shí)根據(jù)多根光纖接收視場內(nèi)的相關(guān)接收，實(shí)現(xiàn)激光告警設(shè)備的角度分辨能力。

光纖前端告警設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是通過采用光纖前端，避免了平臺(tái)外部復(fù)雜電磁環(huán)境對告警設(shè)備的影響，同時(shí)使得暴露在平臺(tái)外部的激光告警器探頭十分小巧，便于安裝，有助于平臺(tái)的隱身設(shè)計(jì)，而且還有利于降低雜散光的干擾。

2 單光纖傳向告警技術(shù)研究

單光纖傳輸激光信號的情況下，由光纖傳輸激光信號的原理可知。當(dāng)激光信號（可認(rèn)為為平行光）斜入射到單光纖端面時(shí)，光纖耦合輸出的激光光斑為一圓環(huán)，而非實(shí)心圓。同時(shí)單光纖輸出端輸出的角度與斜入射角度相同。以往的光纖前端激光告警設(shè)備均利用光纖傳遞激光信號能量，而將單光纖接收的激光信號角度信息忽略。為了利用該激光入射角度信息，需要設(shè)計(jì)新型的光電探測器。下面以目前實(shí)際應(yīng)用較多的單光纖為例分析新型光電探測器的光敏面分布。

單光纖的芯徑為0.6mm，接收視場為60°。為達(dá)到分辨力5°的指標(biāo)，設(shè)計(jì)新型探測器。激光信號以30°、25°、20°、15°、10°、5°、0°入射單光纖后，單光纖的出射光斑分布如圖1所示。

圖1中，中心圓為0°入射形成的光斑，圓環(huán)從內(nèi)到外依次為5°、10°、15°、20°、25°、30°入射形成的光斑。根據(jù)光斑分布，可以將探測器的光敏面設(shè)計(jì)成與上圖光斑分布一致。將中心圓、圓環(huán)定義為1～7個(gè)通道。由于各光敏面之間存在間隔空區(qū)，通過分析入射激光形成的光斑在各光敏面上移動(dòng)的情況可知，各通道單獨(dú)響應(yīng)時(shí)代表入射激光的角度值如下：1通道對應(yīng)0°～1°，2通道對應(yīng)5°～6°，3通道對應(yīng)10°～11°，4通道對應(yīng)15°～16°，5通道對應(yīng)20°～21°，6通道對應(yīng)24°～27°，7通道對應(yīng)29°～30°。當(dāng)有單個(gè)通道響應(yīng)時(shí)可確定入射角度為該通道代表的角度；當(dāng)有相鄰?fù)ǖ劳瑫r(shí)響應(yīng)時(shí)可確定入射角度為該兩通道之間代表的角度。例如：4通道單獨(dú)響應(yīng)，可判斷入射角度為15°～16°；當(dāng)4、5通道同時(shí)響應(yīng)時(shí)，可判斷入射角度為16°～20°。從而達(dá)到角度分辨力<5°，滿足指標(biāo)要求。

采用該技術(shù)不僅可對激光入射角度進(jìn)行區(qū)域告警，而且可以對某些激光入射角度進(jìn)行精確告警（告警區(qū)域達(dá)到1°），從而使激光告警設(shè)備同時(shí)具有區(qū)域告警與精確告警的告警能力。由于該技術(shù)方法只能分辨激光入射方向與光纖軸向的空間角度，不能獲得水平及俯仰角度。所以應(yīng)用該技術(shù)具有一定的局限性，但是可以通過合理設(shè)計(jì)使用方法，從而解決該技術(shù)的局限性問題。下面簡單介紹幾種應(yīng)用方案。

（1）可將該技術(shù)方法應(yīng)用于飛機(jī)、衛(wèi)星等高速移動(dòng)的平臺(tái)。通過平臺(tái)的高速移動(dòng)，造成應(yīng)用該技術(shù)方法的單光纖接收視場高速移動(dòng)，從而形成其對激光威脅目標(biāo)的高速掃描。將平臺(tái)移動(dòng)方程與告警信息有機(jī)結(jié)合，通過設(shè)計(jì)合理的算法，動(dòng)態(tài)解算出激光威脅目標(biāo)的水平及俯仰角度。

（2）另外，也可將該技術(shù)方法與電機(jī)掃描結(jié)合應(yīng)用于艦船、戰(zhàn)車等平臺(tái)。通過電機(jī)帶動(dòng)單光纖接收視場移動(dòng)，從而形成其對激光威脅目標(biāo)的多次掃描。將電機(jī)角度信息與告警信息聯(lián)合處理，解算出激光威脅目標(biāo)的水平及俯仰角度。

（3）將采用該技術(shù)的多根單光纖進(jìn)行組合，從而達(dá)到對視場的拼接，并且可通過聯(lián)合處理多根單光纖的告警信息，解算激光威脅目標(biāo)的水平及俯仰角度。

（4）將上述應(yīng)用方案有機(jī)結(jié)合，從而達(dá)到對激光威脅目標(biāo)的水平及俯仰角度正確告警的目的。

3 光纖面板陣列前端激光告警技術(shù)的研究

多光纖前端激光告警設(shè)備的發(fā)展同樣是以提高角度分辨力，提高設(shè)備靈敏度為目的。提高角度分辨力，必然要增加光纖通道；提高設(shè)備靈敏度，其實(shí)質(zhì)是提高告警設(shè)備接收激光信號的信噪比。提高信噪比有兩種方法，一是提高信號能量，二是降低噪聲。提高信號能量可以通過增加光學(xué)增益實(shí)現(xiàn)，降低噪聲可以通過采用更好的低噪聲放大器件、對印制電路板進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)等方法實(shí)現(xiàn)。

為了達(dá)到既提高角度分辨力，又提高設(shè)備靈敏度的目的。采用多光纖排列成束，加工成一端為光纖面板，一端為多根單光纖。光纖面板端與光學(xué)系統(tǒng)配合，根據(jù)單光纖接收視場60°，將光學(xué)系統(tǒng)的視場設(shè)計(jì)為60°×60°，保證入射到光學(xué)鏡頭上的激光信號可以經(jīng)過匯聚后，較多的激光能量入射進(jìn)入光纖面板的光纖。提高激光信號的能量。

采用144根單光纖制作成一端12×12的光纖面板，其簡圖如圖2所示，一端為144根單光纖。

多根單光纖端，144根光纖分別耦合進(jìn)入144個(gè)光電探測器。光學(xué)系統(tǒng)提高了脈沖激光信號的信噪比，使得光電探測器后續(xù)放大電路減少，大大降低設(shè)備的體積功耗，同時(shí)光纖面板提高了設(shè)備的告警角度分辨力。

為了降低后續(xù)處理電路的壓力，減少處理信道?？蓪⒐怆娞綔y器的光敏面設(shè)計(jì)成如圖3所示的兩個(gè)半圓，并將左半圓定義為經(jīng)項(xiàng)，將右半圓定義為緯項(xiàng)。

將與圖2中X1列的12根光纖相連的探測器的經(jīng)項(xiàng)光敏面的輸出并聯(lián)接入放大電路定義為X1通道，同理可定義X2～X12通道。將與圖2中的Y1行的12根光纖相連的探測器的緯項(xiàng)光敏面的輸出并聯(lián)接入放大電路定義為Y1通道，同理可定義Y2～Y12通道。根據(jù)X方向通道輸出及Y方向通道輸出即可判斷激光光斑的位置，從而達(dá)到對激光威脅目標(biāo)的水平及俯仰角度的正確告警。該方法可將放大處理信道大大降低，以N×N光纖面板為例，可將放大處理信道由N2降低到2N，降低效率為N/2。可見N的數(shù)值越大，其降低效率越高。

該方法適用于單脈沖激光信號告警，并且處理多目標(biāo)的能力強(qiáng)。

另外，也可設(shè)計(jì)少數(shù)幾路放大處理通道，以17路為例，將一路與所有144個(gè)光電探測器的經(jīng)項(xiàng)光敏面的輸出相連，作為設(shè)備告警的總輸出。通過對該總輸出信號的處理，可作為判斷激光信號頻率、編碼等信息的依據(jù)，同時(shí)還可以與其它16路放大處理信道的輸出相關(guān)處理，從而降低告警設(shè)備的虛警。其它16路通過程控模擬電子開關(guān)陣列控制，與144個(gè)光電探測器的緯項(xiàng)光敏面的輸出相連。

程控模擬電子開關(guān)陣列是通過事先編譯的程序，根據(jù)其數(shù)字控制端的輸入，自動(dòng)將同一類的多路輸入與另一類的多路輸出按一定的規(guī)律相連的電子模塊。其原理框圖如圖4所示。

如圖4所示，處理器根據(jù)編譯好的程序及16路放大處理信道的輸出，控制模擬電子開關(guān)陣列，快速切換144路探測器的輸入信號與16路放大處理信道的連接。

告警設(shè)備運(yùn)行后進(jìn)入初始狀態(tài)，首先將12×12光纖面板分割為16個(gè)3×3的小光纖面板，通過程控模擬電子開關(guān)陣列控制將與這16個(gè)3×3的小光纖面板光纖相連的探測器的緯項(xiàng)光敏面的輸出分別與16路放大處理信道連接，假設(shè)某一路信道有信號輸出，該信號輸出觸發(fā)處理器程序，處理器輸出數(shù)字信號，該數(shù)字信號控制模擬電子開關(guān)陣列，快速將9路放大處理信道與該3×3的小光纖面板光纖相連的探測器的緯項(xiàng)光敏面的輸出相連，同時(shí)將剩余探測器的緯項(xiàng)光敏面輸出按一定的規(guī)律進(jìn)行分塊，分成7塊后，每塊的探測器的緯項(xiàng)光敏面輸出并聯(lián)后，分別與剩余的7路放大處理信道連接。通過該方法，經(jīng)過一輪切換，接收兩個(gè)激光信號，就可以將激光威脅目標(biāo)的光斑定位，從而達(dá)到對激光威脅目標(biāo)的水平及俯仰角度的正確告警。同時(shí)根據(jù)光斑定位信息，可控制放大處理信道與該光斑附近的探測器的緯項(xiàng)光敏面輸出相連，從而達(dá)到對激光威脅目標(biāo)的跟蹤。

該方法由于需要切換，適用于多脈沖激光信號告警。

上述兩種方法由于采用了光學(xué)系統(tǒng)，大大增加了設(shè)備接收激光信號的信噪比，使設(shè)備的接收靈敏度指標(biāo)大大提高。采用光纖面板前端，解決了外界電磁環(huán)境對告警設(shè)備的干擾問題；同時(shí)由于采用了一端多根單光纖分別耦合接入光電探測器，使得光電探測器可以分離的較遠(yuǎn)，從而可以較好的解決光電探測器之間的電串?dāng)_問題。

4 結(jié)束語

隨著激光告警技術(shù)及光纖、光纜制作技術(shù)的發(fā)展，光纖前端激光告警設(shè)備的發(fā)展方向也必將越來越多。上述技術(shù)方法僅僅是光纖前端激光告警設(shè)備的發(fā)展方向之一，雖然這些技術(shù)方法還沒有經(jīng)過工程應(yīng)用的檢驗(yàn)，同時(shí)也存在著一些待解決技術(shù)問題。但是在目前光纖前端激光告警設(shè)備技術(shù)成熟，并且大量裝備的前提下，不失為一種對光纖前端激光告警設(shè)備發(fā)展方向的有益嘗試。