主動式激光光幕測速系統(tǒng)天幕干擾抑制方法*

韓英杰， 趙冬娥, 張 斌， 張大舜， 孟凡軍, 褚文博

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五十五研究所，吉林 長春 130000)

0 引 言

主動式激光光幕測速系統(tǒng)具有無需合作目標(biāo)、易調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用[1～4]。但在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)主動式激光光幕測速系統(tǒng)在天空背景光很亮?xí)r，會受到天幕的干擾，導(dǎo)致主動式信號輸出質(zhì)量與靈敏度變差，影響測試精度和系統(tǒng)可靠性。

本文針對系統(tǒng)的接收光能量影響因素進(jìn)行分析研究，通過增加狹縫光闌減少進(jìn)入探測器的天幕雜散光能量，調(diào)節(jié)狹縫光闌的相對寬度、位置等方法，有效地抑制天幕影響。

1 主動式激光光幕測速系統(tǒng)工作原理與天幕干擾

1.1 目標(biāo)探測原理

主動式激光光幕測速系統(tǒng)采用非接觸式區(qū)截測速原理，圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。探測的基本原理是當(dāng)目標(biāo)依次穿過起始光幕和截止光幕時，激光光束在彈丸表面發(fā)生散射，散射光信號經(jīng)光學(xué)鏡頭會聚到探測器，經(jīng)信號調(diào)理電路處理，獲得過靶信號波形。最后，上位機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡，選取過靶波形特征點(diǎn)，計(jì)算目標(biāo)通過兩光幕的時間間隔T，通過準(zhǔn)確測量兩光幕之間的距離S，由速度計(jì)算公式即可獲得目標(biāo)物體的速度。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 天幕干擾機(jī)制

當(dāng)天空背景光很亮?xí)r，主動式激光光幕測速系統(tǒng)的輸出信號幅值小，且存在噪聲干擾，嚴(yán)重時甚至?xí)蹲讲坏綇椡柽^靶信號。當(dāng)彈丸進(jìn)入激光幕時，彈丸散射激光光束使得探測器表面接收到光通量增加而產(chǎn)生相位為正的彈丸過靶信號，如圖2(a)所示。天空光經(jīng)光學(xué)變換形成天幕，彈丸經(jīng)過天幕時，遮擋部分天幕，使得探測器接收到的光通量減少而產(chǎn)生相位為負(fù)的彈丸過靶信號，如圖2(b)所示。

圖2 系統(tǒng)光學(xué)原理

天幕產(chǎn)生的信號與主動式激光光幕產(chǎn)生的信號相位相反，將不可避免影響彈丸過靶信號輸出幅值，天空光強(qiáng)烈時甚至?xí)蜎]彈丸過靶信號，嚴(yán)重削弱了系統(tǒng)靈敏度和可靠性。

2 系統(tǒng)接收光能量分析

系統(tǒng)通過接收彈丸表面散射光信號來獲得其過靶信號，對系統(tǒng)接收光能量進(jìn)行分析，可為接收光學(xué)系統(tǒng)的改進(jìn)提供依據(jù)。

系統(tǒng)經(jīng)光學(xué)變換形成的天幕與主動式激光光幕測速系統(tǒng)的激光光幕重合，系統(tǒng)探測器表面接收光能量為彈丸散射光能量與彈丸遮擋天空背景光能量的差值。

對于彈丸散射光能量可根據(jù)接收光回波功率計(jì)算理論模型[5]，假設(shè)彈丸為Lambertian體，線型激光所形成的有效光幕范圍內(nèi)，激光輻射強(qiáng)度是均勻的。彈丸表面散射激光亮度B為

(1)

式中ρ為彈丸表面反射系數(shù)，Ie為激光的輻射強(qiáng)度(單位立體角內(nèi)輻射功率)，T1為大氣透過率，H1為激光器和彈丸的距離，Pe為激光輸出功率，ηe為發(fā)射系統(tǒng)效率，a為光幕在H1處的厚度。則探測器表面接收到散射光功率Pr為

Pr=B·ηr·T1·At·Ω

(2)

對于彈丸遮擋天空光能量，由光學(xué)透鏡成像可知[6]，探測器光敏面輻照度為

(3)

式中Ee為探測器光敏面輻照度，τ為鏡頭透過率，L0為天空輻亮度，F(xiàn)為鏡頭光圈數(shù)(F=f/D)，f為透鏡焦距。

則彈丸所遮擋光能量Pt為

(4)

式中Ee為探測器光敏面輻照度，s′為彈丸成像面面積。

探測器表面接收到的總的光能量P為

(5)

由式(5)可以看出，天空背景光經(jīng)光學(xué)變換形成的天幕對探測器接收到光能量有削弱作用，當(dāng)激光器、鏡頭等參數(shù)確定時，探測器表面接收到總光能量與天空輻亮度L0，探測器接收成像面面積s′成反比，在天空很亮及探測器接收成像面面積較大時，天幕將嚴(yán)重影響主動式激光彈丸測速系統(tǒng)的輸出信號。

3 天幕干擾抑制方法

由于天幕光的存在，嚴(yán)重影響測試系統(tǒng)性能，在已有光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用增加狹縫光闌的方法削弱天幕光對主動式信號的干擾。光闌是光學(xué)系統(tǒng)中能夠限制成像大小或成像空間范圍的元件，主要用于調(diào)節(jié)通過的光束的強(qiáng)弱。狹縫光闌能夠限制目標(biāo)彈丸到達(dá)探測器光敏面成像的大小。狹縫光闌能夠同時限制彈丸散射激光和彈丸遮擋天幕光進(jìn)入探測器表面，狹縫光闌的選取既要滿足抑制天幕光的作用，而且不能影響主動式信號輸出。

3.1 狹縫位置

狹縫所在位置影響光電探測器接收光能量的多少。物鏡與狹縫經(jīng)光學(xué)變換形成一個扇形的有一定厚度的視場面，光學(xué)鏡頭匯聚視場面內(nèi)光線的光能，在焦平面內(nèi)成像，且焦平面前后都形成彌散的光斑。彈丸在距離光學(xué)鏡頭有限遠(yuǎn)距離H1上通過激光光幕，激光在彈丸表面發(fā)生散射，鏡頭匯聚彈丸表面散射光，在離開焦平面X′的平面內(nèi)成清晰影像，其他平面內(nèi)影像是模糊的。

狹縫放置的位置有兩種情況：位于彈丸的成像平面上或成像物鏡的焦面上。如果狹縫位于彈丸的像平面上，雖然成像清晰，但是由于存在離焦量(成像面距離焦平面的距離)X′，則彈丸散射光線經(jīng)成像物鏡后將在像平面內(nèi)形成彌散光斑Φ，由于彌散斑存在,有一部分光能被狹縫遮擋，減少投射到光電器件上的光能，且激光器和彈丸的距離H1越小，離焦量X′越大，損失越大

X′=f2/(H1-f)

(6)

Φ=X′·D/f=(f·D)/(H1-f)

(7)

如果狹縫位于焦平面上，彈丸散射激光光幕的光線匯聚在狹縫窗口內(nèi)，雖然運(yùn)動物體所成的影像是模糊的，但探測器能夠接收到的散射激光的光能效果是相同的，與位于其他平面內(nèi)相比沒有光能的損失。狹縫始終位于成像物鏡焦平面內(nèi)，則探測器表面接收到的光能最大，信號幅值也最大，有利于探測，如圖3所示。

圖3 狹縫光闌位置示意

3.2 狹縫寬度

由式(5)可知，當(dāng)接收光學(xué)系統(tǒng)一定時，探測器接收到擋光成像面面積s′越小，彈丸遮擋的光能量越小，即對主動式信號輸出影響越小。當(dāng)彈丸通過系統(tǒng)有效靶面時，經(jīng)透鏡成像在探測器光敏面，彈丸散射激光所成像為彈丸被線型激光器照亮部分的輪廓，遮擋天空光所成像為彈丸遮擋天空光部分的輪廓。如圖4所示。

圖4 彈丸成像示意

圖5 探測器光敏面彈丸成像示意

假設(shè)激光光幕在H2處厚度為a，d為彈丸彈徑，根據(jù)圖5分析可知：彈丸散射激光成像面面積為

s1=a·d·β2

(8)

β為放大率，由高斯公式可知

β=f/(H2-f)

(9)

設(shè)天幕在H2處的厚度為a′(a′小于或等于彈長)，根據(jù)圖5分析可知：遮擋天空光成像面面積為

s2=a′·d·β2

(10)

對于線性激光器而言，在有效高度范圍內(nèi)光幕厚度a一致，而天幕厚度a′ (a′=b/β)隨狹縫寬度b變化而變化。將式(8)～式(10)代入式(5)可得

(11)

由式(11)可知，當(dāng)彈道高度一定時，狹縫寬度b=aβ=af/(H2-f)時，探測器表面接收到的總的光能量P為最大，此時天幕厚度等于激光光幕厚度，天空光對主動式信號輸出影響最小。

將系統(tǒng)各參數(shù)代入式(11)可得出在不同狹縫寬度條件下，彈丸通過有效靶面時，有效彈道高度(200倍彈徑)與探測器接收到光能的關(guān)系。在不同天空光背景亮度條件下，10 mm彈丸在不同彈道高度通過激光幕探測器接收能量分布。如圖6所示分別為10,30,70 W/(m2·sr)天空背景亮度條件下，探測器表面接收能量與彈道高度間關(guān)系。

圖6 不同天幕亮度下探測器表面接收能量分布圖

從圖6中可以看出，在不同天空輻射強(qiáng)度下，激光幕探測器表面接收能量與彈道高度變化趨勢基本一致，天空亮度越大，天幕對激光幕信號衰減越嚴(yán)重；隨著彈道高度的增加，天幕厚度不斷增大，天幕對激光幕影響越大；當(dāng)天空亮度增大到一定程度時，天幕將淹沒激光幕信號，如天空亮度為70 W/(m2·sr)時，當(dāng)彈道高度大于2 m時，狹縫寬度大于0.2 mm時天幕信號能將激光幕信號完全淹沒。

隨著彈道高度變化，不同狹縫寬度條件下，天幕亮度為10，30，70 W/(m2·sr)時天幕對激光幕信號衰減幅度比例如圖7所示。

圖7 天幕對激光幕信號衰減幅度比例

從圖7中可以看出，由于天幕信號衰減速率與彈道高度成反比，而激光幕信號衰減速度近似與彈道高度三次方成反比，因此隨著彈道高度增加，激光幕信號衰減越快，天幕對于激光幕影響越大。室外大部分條件下，當(dāng)彈道高度超過2 m時，激光幕信號衰減已經(jīng)較為嚴(yán)重，狹縫寬度越寬，激光幕受天幕影響越大，激光幕探測靈敏度越低，為保證常用彈道高度，天幕亮度較弱，狹縫寬度較小時，激光幕受天幕影響較小，且在一定程度抑制天幕信號，但狹縫寬度過小，激光幕衰減較為嚴(yán)重，降低探測器靈敏度。

由天幕對激光幕影響程度曲線可以看出，當(dāng)狹縫寬度大于0.2 mm時，天幕對激光幕衰減幅度較大，當(dāng)狹縫寬度小于0.1 mm將使得激光幕信號衰減嚴(yán)重，因此綜合考慮系統(tǒng)將狹縫寬度設(shè)置為0.15 mm，在該狹縫寬度下，激光幕在常用彈道高度1.2～1.5 m受天幕影響較小，且信號幅值最高。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在室外晴朗天空，天空亮度一致條件下，用10 mm氣槍彈，對系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。圖8是未加狹縫光闌與增加狹縫光闌后彈丸過靶信號輸出波形圖。由圖中可以看出增加狹縫光闌后可以有效抑制天幕影響。

圖8 1 m處改進(jìn)前與改進(jìn)后彈丸試驗(yàn)波形

表1給出了不同狹縫光闌寬度條件下，彈丸不同彈道高度過靶信號測試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果。

表1 不同狹縫寬度彈丸過靶信號測試數(shù)據(jù)

為減小彈道不一致帶來的誤差，表中每組數(shù)據(jù)幅值大小均為10發(fā)彈丸過靶信號的平均值，由表中數(shù)據(jù)可以看出，在0.5 m高處，信號飽和，此時可以降低系統(tǒng)增益；狹縫寬度為0.05,0.1,0.15 mm時，才能滿足有效測試范圍為200倍彈徑要求；在同樣的彈道高度，狹縫寬度為0.15 mm時，彈丸過靶信號最大，即在0.15 mm時，系統(tǒng)的靈敏度最高。

通過以上測試結(jié)果可知，當(dāng)狹縫光闌位于焦平面，寬度為0.15 mm時，能有效抑制天幕的影響，提高了系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)建模，分析、判斷出主動式激光光幕測速系統(tǒng)采集到的波形，信號輸出小甚至沒有信號是天空背景光經(jīng)過光學(xué)變換形成天幕干擾引起的。即彈丸過靶時遮擋天幕產(chǎn)生的負(fù)脈沖信號抵消了彈丸散射激光產(chǎn)生的正脈沖信號，天幕產(chǎn)生負(fù)脈沖信號強(qiáng)度與天空的亮度，彈丸在光電探測器光敏面成像的大小等參數(shù)有關(guān)。

2)根據(jù)系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)了可調(diào)狹縫光闌對天幕光進(jìn)行抑制。在增加狹縫光闌后對系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)狹縫光闌位于系統(tǒng)焦平面，寬度為0.15 mm時，天幕抑制效果最好。