激光隱身涂料隱身效果檢測(cè)系統(tǒng)

張暉，賈齊，馮進(jìn)良，才存良

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

激光隱身涂料隱身效果檢測(cè)系統(tǒng)

張暉，賈齊，馮進(jìn)良，才存良

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

設(shè)計(jì)了一種對(duì)激光隱身涂料的隱身效果進(jìn)行檢測(cè)的模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了高穩(wěn)定性的CO2激光器，高靈敏度的PIN型光敏二極管，通過AVR單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了高精度快速測(cè)量真實(shí)模擬的目的。提出了通過比較目標(biāo)隱身前后激光回波的強(qiáng)度來評(píng)價(jià)隱身涂料隱身效果的方法。

激光隱身；光電探測(cè)；單片機(jī)；等效模擬

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光隱身技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。通常使用的激光隱身技術(shù)手段主要有兩種：隱身外形技術(shù)和隱身材料技術(shù)。其中，隱身外形技術(shù)主要是設(shè)計(jì)和改變目標(biāo)的幾何外形，使目標(biāo)的激光散射截面盡量減??；隱身材料技術(shù)則主要是設(shè)計(jì)和采用對(duì)激光反射率低的材料。而在諸多的隱身材料中，涂料隱身以其施工方便、成本低廉、性能優(yōu)越等特點(diǎn)成為了隱身技術(shù)的研究重點(diǎn)。所謂的涂料隱身就是在隱身目標(biāo)表面涂覆一層對(duì)激光具有強(qiáng)烈吸收和散射作用的涂料，降低目標(biāo)表面的激光反射率，使軍用激光裝置接收不到反射回來的激光，從而實(shí)現(xiàn)激光隱身。

為了確保軍事目標(biāo)具有良好的激光隱身效果，就要對(duì)具有激光隱身功能的涂料進(jìn)行激光隱身效果測(cè)試。由于實(shí)際測(cè)量中涉及到目標(biāo)靶板的制作和架設(shè)，場(chǎng)地和地形的選擇等問題，工程量很大，同時(shí)測(cè)量的難度也很大。因此，模擬測(cè)量就具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 測(cè)量系統(tǒng)原理

激光發(fā)射器發(fā)射激光信號(hào)到隱身目標(biāo)，經(jīng)過隱身目標(biāo)反射的激光回波信號(hào)被激光接收器接收，再由信號(hào)處理器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，然后顯示［1］。激光隱身涂料隱身效果檢測(cè)模擬系統(tǒng)工作方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作方框圖

首先，把未隱身的標(biāo)準(zhǔn)靶板放在預(yù)定的位置，然后打開電源開關(guān)，使激光器開始向外發(fā)射激光束，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)靶板的位置，使激光束全部照射在標(biāo)準(zhǔn)靶板上，經(jīng)過信號(hào)處理后，顯示器會(huì)顯示通過標(biāo)準(zhǔn)靶板反射后的回波信號(hào)強(qiáng)度值。然后取下標(biāo)準(zhǔn)靶板，將準(zhǔn)備好的激光隱身涂料均勻地涂覆在標(biāo)準(zhǔn)靶板的表面，并重復(fù)之前的操作，顯示器則會(huì)顯示出通過隱身靶板反射后的回波信號(hào)強(qiáng)度值。

通過測(cè)量得到目標(biāo)隱身前后反射激光波的強(qiáng)度變化情況，對(duì)比隱身前后的強(qiáng)度值來評(píng)價(jià)激光隱身材料的隱身效果。如果目標(biāo)隱身后的激光回波強(qiáng)度小于目標(biāo)隱身前的回波強(qiáng)度就說明所使用的激光隱身涂料具有良好的隱身效果，回波強(qiáng)度減小得越多說明其隱身效果越好［2］。

由于隱身效果體現(xiàn)在隱身涂料涂抹前后回波信號(hào)強(qiáng)度的變化，為了對(duì)隱身涂料的隱身效果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，不能引入其他對(duì)回波信號(hào)強(qiáng)度有可能帶來變化的因素。因此，如圖2所示，激光發(fā)射裝置、回波信號(hào)接收裝置以及測(cè)試靶板之間的相對(duì)位置關(guān)系必須保持一致。其中，為保證測(cè)量結(jié)果的可靠性，本系統(tǒng)添加了一個(gè)靶板固定裝置，確保每次放置靶板的位置相同，激光束每次照射到目標(biāo)靶板的角度和反射的角度不變。

圖2 測(cè)量原理圖

2 測(cè)量系統(tǒng)組成

激光隱身涂料隱身效果檢測(cè)系統(tǒng)主要由激光信號(hào)發(fā)射器、激光信號(hào)接收器、激光信號(hào)處理器組成。

2.1 發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)主要由激光電源、激光器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)三部分組成。用于發(fā)射探測(cè)目標(biāo)所需的激光信號(hào)，將高峰值功率的激光脈沖發(fā)射向隱身目標(biāo)［3］。

激光電源使用穩(wěn)定性較好的開關(guān)電源。由于發(fā)射波長(zhǎng)為10.6μm的CO2激光器的激光波長(zhǎng)處在良好的大氣窗口，被多數(shù)激光雷達(dá)采用，所以本系統(tǒng)選擇10.6μm的CO2激光器作為發(fā)射激光的信號(hào)源。激光器采用美國(guó)Universal Laser Systems Inc公司CO2-ULR25激光器，功率為25W、波長(zhǎng)為10.6um、光斑直徑4±1mm。因?yàn)榧す馄靼l(fā)出的激光并不是平行的，故需要有一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)壓縮其發(fā)散角，本系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成倒裝伽利略望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)［4］。由于是縮短距離的模擬測(cè)量，所以可以在激光發(fā)射器的發(fā)射端加不同透過率的衰減片來模擬大氣衰減。激光發(fā)射系統(tǒng)組成圖如圖3所示。

圖3 激光發(fā)射系統(tǒng)組成圖

2.2 接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光接收系統(tǒng)主要由接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大電路三部分組成。用于接收探測(cè)目標(biāo)反射的激光信號(hào)，即從目標(biāo)反射回來的激光脈沖回波。激光接收系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 激光接收系統(tǒng)組成圖

由于接收光學(xué)系統(tǒng)物鏡的口徑和焦距都相當(dāng)大，為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，采用牛頓式光學(xué)系統(tǒng)作為接收光學(xué)系統(tǒng)［5］。

光電探測(cè)器使用的是FDS10X10型PIN光敏二極管，峰值波長(zhǎng)為960nm，具有電流增益大，靈敏度高，頻率響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。其光譜響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 光譜響應(yīng)曲線

2.3 信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光信號(hào)處理系統(tǒng)是測(cè)試系統(tǒng)的核心部分，主要包括信號(hào)采集及放大電路、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示。

光電二極管接收反射回來的激光，將光通量轉(zhuǎn)換成光電流，經(jīng)圖6所示的信號(hào)放大電路將光電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出，再經(jīng)運(yùn)算放大器將電壓調(diào)理到AD轉(zhuǎn)換適合的電壓區(qū)間，然后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

圖6 信號(hào)放大電路

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

AD轉(zhuǎn)換器采用美國(guó)ADI公司推出的一款高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器AD7730是，其具有雙通道差分模擬輸入、24位無失碼、21位有效分辨率、±0.0018%線性誤差等特點(diǎn)。由于采用∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，量化噪聲被移至A/D轉(zhuǎn)換的頻帶以外，因此AD7730特別適合用于寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的低頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換，具有優(yōu)良的抗噪聲性能，非常適合本系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)試。

AVR系列中的ATmega32單片機(jī)作為系統(tǒng)CPU在接到數(shù)據(jù)采集命令后，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換并將采集到的數(shù)字量進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

3 測(cè)試結(jié)果

因篇幅所限，這里通過對(duì)3種涂覆型激光吸收涂料進(jìn)行檢測(cè)的實(shí)例，進(jìn)一步說明等效模擬檢測(cè)方法的可行性。本次實(shí)驗(yàn)使用的CO2激光器功率為25W，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 涂覆型激光吸收涂料的測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

經(jīng)測(cè)試，該模擬系統(tǒng)可有效的判斷各種不同激光隱身涂料的隱身效果，從而為激光隱身涂料的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)可改變以前隱身效果檢測(cè)必須到室外對(duì)目標(biāo)靶進(jìn)行檢測(cè)，并且受到天氣條件限制的問題，使技術(shù)普查和日常維護(hù)在室內(nèi)就可以方便完成，檢測(cè)結(jié)果數(shù)字化顯示，大大提高了檢測(cè)效率和測(cè)試精度。該方法經(jīng)改進(jìn)后亦可用于防紅外偵察、防雷達(dá)偵察的隱身效果的檢測(cè)。

［1］ 蔣耀庭，簡(jiǎn)濤.激光物理與激光隱身技術(shù)［J］.激光與紅外，2001，31（4）：195-197.

［2］ 彭艷萍.飛機(jī)隱身技術(shù)及隱身材料［J］.航空學(xué)報(bào)，1999，20（3）：287-288.

［3］ 趙東林，周萬城.涂敷型吸波材料及其涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.兵器材料科學(xué)與工程，1998，21（4）：58-62.

［4］ 張拴勤，連長(zhǎng)春，盧言利.防激光探測(cè)隱身涂層的制備與實(shí)驗(yàn)研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2011，32（12）：1547-1550.

［5］ 凌軍，張拴勤，吳堅(jiān)業(yè)，等.偽裝涂層激光反射特性檢測(cè)與實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)激光，2012，39（3）：1-6.

［6］ 盧言利，蔣曉軍，潘家亮.隱身涂料環(huán)境工程體系研究［J］.中國(guó)涂料，2011，26（1）：54-57.

Simulation Experiment Systerm on Evaluating Distortion Camouflage Effect of Laser Stealth Coating

ZHANG Hui，JIA Qi，F(xiàn)ENG Jinliang，CAI Cunliang
（School of Optolectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Designing a kind of simulation system which can test the camouflage effect of laser stealth coating.The system uses the very stabilized CO2laser and PIN photodiode with high sensitivity.It can get the purpose of high precision and fast measurement to realize the real simulation by using AVR single-chip computer for data processing.A method to evaluate the camouflage effect of stealth coatings by comparing the strength of the laser echo before and after the camouflage is provided.

laser stealth；photoelectric detection；single chip；equivalent simulation

TN915

A

1672-9870（2017）03-0022-03

2016-09-15

張暉（1979-），男，碩士，講師，E-mail：9204160@qq.com