激光引信收發(fā)視場(chǎng)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

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(上海師范大學(xué) 教育學(xué)院，上海 200234)

0 引言

近年來(lái)，激光引信技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[1]，激光引信測(cè)試設(shè)備可用于激光引信的內(nèi)場(chǎng)與外場(chǎng)各項(xiàng)測(cè)試。要測(cè)試導(dǎo)彈激光引信的各種測(cè)量參數(shù)，可利用各種手段模擬目標(biāo)，檢測(cè)引信執(zhí)行級(jí)的輸出，由此判斷引信工作是否為正常[2]?，F(xiàn)在，激光引信收發(fā)視場(chǎng)的測(cè)試技術(shù)也有長(zhǎng)足的發(fā)展[3-6]。但是大多數(shù)的測(cè)試研究往往注重于收發(fā)視場(chǎng)的分別測(cè)試和兩者數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單比對(duì)。所以，會(huì)造成測(cè)試每套激光引信的所用時(shí)間較長(zhǎng)。

引信作用距離是激光引信系統(tǒng)的重要參數(shù)之一。利用對(duì)目標(biāo)表面散射的激光功率的探測(cè)，激光引信可感知目標(biāo)，并對(duì)作用距離進(jìn)行估算。

寬光束的激光引信發(fā)射的能量呈空間分布，同一徑面上不同點(diǎn)的能量強(qiáng)度會(huì)不相同，這會(huì)影響引信作用距離的精度，嚴(yán)重的可能會(huì)影響引信工作的穩(wěn)定性。

實(shí)際上，引信視場(chǎng)的最大作用距離分布曲線也與收發(fā)視場(chǎng)兩者的匹配度相關(guān)。本文討論了使用自制成套設(shè)備分別測(cè)量引信收發(fā)視場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算出該組件最大作用距離隨視野的分布曲線。由此計(jì)算收發(fā)視場(chǎng)“匹配系數(shù)”的原理和方法，并且可以對(duì)引信組件的品質(zhì)做出準(zhǔn)確評(píng)估，減少測(cè)試所用的時(shí)間。

1 引信收發(fā)視場(chǎng)測(cè)量

激光引信首先發(fā)射激光束，到達(dá)目標(biāo)后，會(huì)發(fā)生反射，反射的激光如果被接收窗口接收，就會(huì)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后經(jīng)過系統(tǒng)計(jì)算處理后，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的探測(cè)[6]。因此，激光引信的測(cè)量包含了激光發(fā)射視場(chǎng)的測(cè)量和激光接收視場(chǎng)的測(cè)量。為了測(cè)量設(shè)計(jì)的方便，自制成套設(shè)備采用的測(cè)試方案為：通過程序來(lái)控制激光引信發(fā)射激光束，通過光衰減器，模擬經(jīng)目標(biāo)反射引起的光衰減，送入到引信的接收窗口。

1.1 發(fā)射視場(chǎng)測(cè)量

引信收發(fā)視場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量發(fā)射視場(chǎng)，如圖1所示。垂直放置的CCD線陣放置在激光引信的激光發(fā)射器為中心、半徑為R的圓弧上。此圓弧是由步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)而成，視野角α的最大角度范圍可以是-90°～90°。測(cè)量發(fā)射視場(chǎng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)裝載引信的機(jī)械裝置使其發(fā)射光束呈水平線狀出射，按照設(shè)置的測(cè)試角度范圍和步長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)相關(guān)電機(jī)作視野掃描，用垂直放置的CCD線陣探測(cè)，自動(dòng)完成整個(gè)發(fā)射視場(chǎng)的測(cè)量過程[7-9]。

圖1 引信發(fā)射視場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

由于激光引信發(fā)射的光功率很大，所以需要加一光衰減器，以便CCD線陣能正確的讀出接收到的光功率相對(duì)值。

如圖2所示，激光引信發(fā)射寬光束，CCD線陣中的每個(gè)CCD均可接收，輸出信號(hào)幅度變化的一維矩陣。由圖2可見，CCD線陣中某個(gè)CCD與CCD線陣中心的高度H與半徑R、視場(chǎng)角β存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系：

(1)

即根據(jù)預(yù)先測(cè)量的高度H與半徑R，就能計(jì)算出視場(chǎng)角β。

圖2 引信發(fā)射視場(chǎng)視場(chǎng)角β

對(duì)每個(gè)視野角α，CCD線陣接收激光光束，輸出一列信號(hào)數(shù)據(jù)。通過控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，改變視野角α的角度。最后形成輸出信號(hào)幅度的變化二維矩陣，此二維矩陣按視野角α和視場(chǎng)角β分布。

通過測(cè)量，得到該引信發(fā)射激光功率的相對(duì)分布函數(shù)矩陣。為了得到準(zhǔn)確的激光功率值，事先可以用寬幅光功率計(jì)探頭測(cè)量出激光總發(fā)射功率，再進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。

1.2 接收視場(chǎng)測(cè)量

接收視場(chǎng)的測(cè)量較為復(fù)雜。通常有兩種方法：方法一是用功率不變的目標(biāo)模擬光脈沖照射引信接收窗口，測(cè)量不同入射角引信接收模塊輸出信號(hào)的幅度變化矩陣。方法二是測(cè)量中調(diào)節(jié)目標(biāo)模擬光脈沖功率，使引信接收模塊輸出的信號(hào)幅度剛好在探測(cè)閾值上，由此得到閾值功率隨入射角度變化的矩陣[10-11]。使用方法一時(shí)，由于引信接收模塊光信號(hào)放大能力的非線性，因此很難用大信號(hào)時(shí)的模塊接收信號(hào)幅度去推算接收閾值功率時(shí)的光脈沖功率。因此我們采用第二種方法。如圖3所示。在水平方向上，引信接收窗口放置在激光引信的激光器為中心、半徑為R的圓弧上。此圓弧是由水平步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)而成，視野角α的最大角度范圍可以是-90～90°。

圖3 采用的引信接收視場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

在垂直方向上，整個(gè)引信接收窗口平臺(tái)由垂直步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備上下運(yùn)動(dòng)而成。由圖4可見，引信接收窗口平臺(tái)與水平中心的高度H與半徑R、視場(chǎng)角β也存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系：

(2)

即根據(jù)預(yù)先測(cè)量的高度H與半徑R，就能計(jì)算出視場(chǎng)角β。

圖4 引信接收視場(chǎng)視場(chǎng)角β

由圖3可見，接收視場(chǎng)的測(cè)量使用了可變光衰減器。可變光衰減器是通過控制衰減傳輸光功率，來(lái)達(dá)到實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)控制的目的，它是一種光無(wú)源器件，尤其在光纖通信中的應(yīng)用更多。所以本設(shè)計(jì)使用程序來(lái)控制可變光衰減器，來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)光脈沖功率的目的。

在使用第二種方法時(shí)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)需要經(jīng)多次調(diào)節(jié)光脈沖功率才能得到結(jié)果。每次只能得到矩陣中的一個(gè)數(shù)據(jù)，而不是象發(fā)射測(cè)量中可以一次讀取CCD線陣同一視野角的整個(gè)視場(chǎng)的一列數(shù)據(jù)。

根據(jù)測(cè)量的范圍，在測(cè)量前，將引信接收窗口放置在垂直方向的最大值、視野角α=-90°處，開始測(cè)量。每次獲得數(shù)據(jù)后，視野角α增加一個(gè)水平步長(zhǎng)值，再次測(cè)量，直到視野角α≥90°為止。這樣，記錄了一行數(shù)據(jù)。然后，將引信接收窗口在垂直方向降低一個(gè)垂直步長(zhǎng)值，視野角α=-90°處，開始測(cè)量，直到視野角α≥90°為止。此時(shí)，記錄了下一行數(shù)據(jù)。如此循環(huán)，直到將引信接收窗口放置在垂直方向的最小值，并記錄了此行的數(shù)據(jù)。最后形成輸出信號(hào)幅度的變化二維矩陣，此二維矩陣按視野角α和視場(chǎng)角β分布。

這種方法測(cè)量速度較慢。要能提高測(cè)量速度，測(cè)試系統(tǒng)必須能迅速地控制照射在引信接收窗口的光脈沖功率，且能高速檢測(cè)接收模塊輸出的信號(hào)幅度。雖然測(cè)量過程有點(diǎn)復(fù)雜但效果較好。使用這種檢測(cè)方法甚至可以靈敏地分辨出光脈沖照射到接收模塊光敏芯片的引線引起的閾值功率差異。

為了獲得光功率接收閾值，用于目標(biāo)模擬的光脈沖信號(hào)源需經(jīng)過輸出功率定標(biāo)。接收測(cè)量中該信號(hào)源輸出平行光從不同角度照射接收模塊窗口，最終可以得到光功率接收閾值隨視野與視場(chǎng)角變化的分布矩陣。

根據(jù)實(shí)測(cè)設(shè)備的技術(shù)需求，采用數(shù)字化處理的要求，一般使用設(shè)備能實(shí)測(cè)的位置是離散的，實(shí)測(cè)光功率數(shù)據(jù)也是離散的。所以，要想實(shí)測(cè)光功率接收閾值所在位置，這幾乎是不可能的。為了求出實(shí)測(cè)光功率接收閾值與所在位置，只能使用插值法。利用測(cè)量范圍內(nèi)已知的測(cè)量點(diǎn)的實(shí)測(cè)值，作出或猜測(cè)合適的函數(shù)，并在其他點(diǎn)上用這特定函數(shù)計(jì)算值，并作為光功率接收閾值的近似值。[12]因此，用插值法只能近似地求出實(shí)測(cè)光功率接收閾值與所在位置。如果實(shí)測(cè)的位置間距較小，并且數(shù)字化處理的位數(shù)較大，則誤差就不會(huì)太大。

2 引信作用距離計(jì)算

如果同時(shí)測(cè)量了一對(duì)收發(fā)組件處于實(shí)際彈體安裝位置的完整性能參數(shù)，就可以將兩幅視場(chǎng)的三分貝曲線重疊畫在一起比較它們是否重合。還可以得到收發(fā)視場(chǎng)視野角范圍、它們的幾何中心偏差角度、視野的傾斜偏差角，等等參數(shù)。通過這些參數(shù)，可以粗略地判斷引信收發(fā)組件的基本性能。然而要確定一套激光引信收發(fā)組件是否合格，還是應(yīng)該知道收發(fā)組件作為一個(gè)整體它的實(shí)際作用距離。事實(shí)上我們可以根據(jù)已經(jīng)測(cè)試的收發(fā)視場(chǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算來(lái)推算作用距離曲線是否滿足設(shè)計(jì)要求。下面給出對(duì)于給定的目標(biāo)參數(shù)，最大作用距離隨視野角分布的計(jì)算公式。

用CCD測(cè)出激光發(fā)射功率相對(duì)值按視野角(和視場(chǎng)角(分布的二維矩陣，以P表示，即:

P=[Pβj,αi]

(3)

其中:βj=[β0…βn]，αi=[α0…αm]。

矩陣元Pβ,α表示視場(chǎng)角為β，視野角為α處的相對(duì)激光功率。[β0…βn]為垂直方向視場(chǎng)掃描范圍，[β0…βm]為水平方向視野掃描范圍。令Psum為分布矩陣P各元素之和，即:

(4)

用光功率計(jì)測(cè)量出激光總發(fā)射功率為I0,則可得與分布矩陣P中每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的光功率分布矩陣I為：

(5)

即每個(gè)矩陣元素為：

(6)

由于被激光照射的目標(biāo)散射回接收窗口時(shí)的光功率密度(即單位面積上的功率)與接收窗口至目標(biāo)的距離平方成反比，且考慮到視場(chǎng)方向光斑較窄，可以近似地認(rèn)為目標(biāo)上每點(diǎn)與接收窗口的距離L(僅與視野角有關(guān)，定義一維矩陣:

(7)

其中：

(8)

為與接收窗口至目標(biāo)間距離有關(guān)的散射衰減因子。由式(6)、(8)可以得到從視場(chǎng)角為( 視野角為(處，反射率為1的目標(biāo)散射回接收窗口處的激光功率密度為：

(9)

接收測(cè)量中測(cè)得閾值光功率密度分布矩陣:

g=[gβ,α]

(10)

找出矩陣g所有元素中的最小值用gmin表示，計(jì)算出歸一化接收增益系Gβ,α=gmin/gβ,α，即:

G=[Gβ,α]

(11)

由式(9)、(11)每項(xiàng)分別相乘得到等效接收功率密度矩陣為AαIβ,αGβ,α。

考慮到收發(fā)視場(chǎng)都是線狀的，一旦照射到目標(biāo)上可以認(rèn)為目標(biāo)充滿整個(gè)有效視場(chǎng)角范圍, 即β=β0…βn，計(jì)算反射光功率密度時(shí)可以將AαIβ,αGβ,α在視場(chǎng)方向βj=[β0…βn]范圍內(nèi)累加。

設(shè)目標(biāo)水平寬度為W,反射率為R,目標(biāo)位于距離探測(cè)窗口為L(zhǎng)的弧面上?？紤]到目標(biāo)尺寸不是很大，在目標(biāo)寬度W上的不同視野角照射的光功率近似相等，在視野角(處目標(biāo)被照射的視野寬度為360 W/(2πLα)，當(dāng)視野測(cè)試步長(zhǎng)為Δα?xí)r接收窗口處等效散射光功率密度為：

(12)

式中,Aα，Gβ,α以及R分別為導(dǎo)彈與目標(biāo)距離引起的光衰減因子、入射方向接收靈敏度不同引起的等效衰減因子、以及反射率的等效衰減因子。這些因子與Iβ,α相乘得到的是每個(gè)發(fā)射功率矩陣單元值在接收窗口處貢獻(xiàn)的等效光功率密度。上式中后兩個(gè)括號(hào)的內(nèi)容是目標(biāo)的視野寬度除以視野測(cè)試步長(zhǎng)，也就是照亮目標(biāo)的發(fā)射功率矩陣單元數(shù)。因此該式即為累加了全部目標(biāo)散射光的接收窗口處等效散射光功率密度。顯然，當(dāng):

(13)

時(shí)引信剛好處于能夠接收到信號(hào)的最遠(yuǎn)距離，用式(8)代入上述方程可得到收發(fā)組件最大作用距離Lmax隨視野角的分布為：

(14)

引信在整個(gè)視場(chǎng)中的可探測(cè)最小接收功率為：

Imin=gmin×S

(15)

式中，S為接收窗口面積，則最大作用距離可表示為：

(16)

由式(6)，可將上式改寫為：

(17)

式(17)即為收發(fā)組件的最大作用距離隨視野角變化的計(jì)算公式。如圖5所示，如果目標(biāo)寬度W取50 cm，R取0.3，當(dāng)激光器的發(fā)射總功率與接收器的最小探測(cè)功率之比I0/Imin有三種不同值時(shí)，某一收發(fā)組件的最大作用距離曲線。

圖5 收發(fā)組件的最大作用距離曲線

從式(17)和圖5中可以看出，激光發(fā)射功率和接收窗口的最小可探測(cè)接受功率閾值之比I0/Imin是影響作用距離大小的決定因素，它主要和組件的光電性能有關(guān)。而式(17)的收、發(fā)視場(chǎng)分布矩陣決定了最大探測(cè)距離隨視野角的分布形狀, 它主要反映了組件的光學(xué)性能。為此定義“收發(fā)視場(chǎng)匹配系數(shù)K”：

(18)

注意到式(18)中的每一項(xiàng)是某個(gè)角度的歸一化接收增益系數(shù)乘以該角度的歸一化激光功率分量。因而，如果在每個(gè)角度上接收增益系數(shù)均為最大值1，那么K有最大值1，說(shuō)明散射回接收窗口的激光全部落在接收最靈敏的方向上。實(shí)際情況下如果散射回窗口的激光功率大部分落在接收增益比較大的方向上，可以期望K會(huì)有較大的值。圖(5)的測(cè)試樣品匹配系數(shù)計(jì)算結(jié)果：K=0.64, 表明回到接收窗口的散射光因部分落在接收增益小于1的區(qū)域而有0.36的分量被損耗，這0.36部分是改善光路和接收器件性能的可能空間。由于視野角增大時(shí)，接收窗口面積S在視野角方向的投影也會(huì)減小，理論上不可能達(dá)到增益處處為1。

一般來(lái)說(shuō)，可以使用發(fā)射視場(chǎng)的三分貝區(qū)域是否全部落在收視場(chǎng)的三分貝區(qū)域內(nèi)來(lái)檢驗(yàn)兩個(gè)視場(chǎng)的重合度，但匹配系數(shù)K值的大小除精確量化了重合程度外，對(duì)于收、發(fā)視場(chǎng)不均勻，激光發(fā)射分布范圍過大，或落在接收增益相對(duì)較小方向也是敏感的。根據(jù)所測(cè)各激光引信視場(chǎng)分布參數(shù)，利用式(15)可計(jì)算出引信對(duì)應(yīng)不同反射率和面積的目標(biāo)的實(shí)際作用距離分布。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行驗(yàn)證，采用分點(diǎn)實(shí)際測(cè)試的方法，然后再匯總處理，與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。如此則需耗大量的人力、物力與時(shí)間。為了節(jié)約時(shí)間，必須加大測(cè)量位置的間隔。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境選取室內(nèi)，為22 m×12 m的區(qū)域范圍。如圖6所示，在區(qū)域的原點(diǎn)O處放置某一型號(hào)的激光引信收發(fā)組件，模擬目標(biāo)的模型放置在-40～40°范圍內(nèi)，每隔2°，進(jìn)行測(cè)量距離原點(diǎn)O的作用距離。為了保證測(cè)量精度，每個(gè)位置測(cè)量10次，排除最大的2個(gè)數(shù)以及最小的2個(gè)數(shù)后，用剩余的6個(gè)數(shù)取平均值，采用這樣的處理方法來(lái)改善系統(tǒng)誤差。在每一次測(cè)量時(shí)，記錄實(shí)測(cè)儀器的位置角度及測(cè)量距離原點(diǎn)O的作用距離。

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境示意圖

實(shí)驗(yàn)使用的模擬目標(biāo)的模型目標(biāo)寬度W約為50 cm，反射率的等效衰減因子R約為0.3，某一型號(hào)的激光引信收發(fā)組件的收發(fā)視場(chǎng)匹配系數(shù)K為0.64。為了減少實(shí)際測(cè)試所用的力、物力與時(shí)間，采用計(jì)算收發(fā)組件的最大作用距離曲線時(shí)，激光器的發(fā)射總功率與接收器的最小探測(cè)功率之比I0/Imin的最大值與最小值。

測(cè)量激光器的發(fā)射總功率與接收器的最小探測(cè)功率之比I0/Imin=1×105與I0/Imin= 5×105值時(shí)的實(shí)際最大作用距離曲線(如圖7所示)。通過與圖5所示比較，可以看出圖形基本相同，數(shù)據(jù)相近。

圖7 收發(fā)組件的實(shí)測(cè)最大作用距離曲線

若誤差△=實(shí)際測(cè)量值-理論計(jì)算值，則最大作用距離曲線的誤差如圖8所示。如激光器的發(fā)射總功率與接收器的最小探測(cè)功率之比I0/Imin值大，其誤差也大。最大的誤差范圍在(-2.87，4.19)cm之間?？梢哉J(rèn)為理論計(jì)算值基本與實(shí)際測(cè)量值相同。

圖8 最大作用距離的誤差

通過以上的實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)：

1)利用自制成套設(shè)備分別測(cè)量引信收發(fā)視場(chǎng)數(shù)據(jù)，形成二維數(shù)據(jù)，通過計(jì)算能夠?qū)σ沤M件的品質(zhì)做出準(zhǔn)確評(píng)估。

2)針對(duì)不同的目標(biāo)，可以計(jì)算或測(cè)出目標(biāo)寬度W、反射率的等效衰減因子等參數(shù)，這樣可以避免和減少實(shí)物測(cè)試的麻煩。

3)針對(duì)不同的激光引信收發(fā)組件，可以計(jì)算或測(cè)出收發(fā)視場(chǎng)匹配系數(shù)K。利用式(17)，可以增加測(cè)試距離的間距，減少測(cè)試次數(shù)，節(jié)約時(shí)間。

因此，利用本文計(jì)算的方法，激光引信收發(fā)視場(chǎng)只需進(jìn)行一次測(cè)量，根據(jù)所得測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就能對(duì)引信組件的品質(zhì)做出準(zhǔn)確的評(píng)估。

4 結(jié)論

利用本文計(jì)算方法可以在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試引信收發(fā)組件后，

快速計(jì)算出每套引信窗口的作用距離曲線，可以避免和減少實(shí)物測(cè)試的麻煩。文中給出的最大作用距離公式普遍適用于該類型的激光引信，公式計(jì)算結(jié)果和匹配系數(shù)K值可以作為引信的性能檢驗(yàn)指標(biāo)使用。