用于航天器振動測量的激光雷達微弱信號提取技術

陳勝哲，景艷紅，任 寧，張佳寧，祝 偉

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

目前，微振動擾動源普遍存在于航天器飛行任務中[1]，航天器部段結構的地面試驗或飛行中引入的微振動對飛行器工作狀態(tài)及關鍵部段性能、壽命可能產(chǎn)生極大影響[2]，在一定范圍內(nèi)制約了航天器高精度高敏感度數(shù)據(jù)獲取。隨著航天技術的發(fā)展，彈箭上微弱振動信號精確測量——振動信號在一定范圍內(nèi)屬于微位移信號，不僅是全面了解航天器工作狀態(tài)的重要技術支撐，同時也是開展可靠性增長研究及高精度獲取振動遙測參數(shù)的關鍵技術[3]。

在激光雷達振動測量系統(tǒng)（即激光振動/微位移探測儀）中，從包含了瑞利散射、拉曼散射等豐富信息的回波中提取更精細的振動幅值位移信息，為準確提取遙測振動或地面試驗的振動信號，需要對該復合回波中的拉曼散射信號進行準確測量并提取。拉曼散射強度為復合回波信號入射探測器光強的10-11～10-6倍[4]，屬微弱信號探測。此外，由于用于航天振動測量的激光雷達光學系統(tǒng)中雜散光的存在，即混雜在復合回波光束中經(jīng)該激光雷達系統(tǒng)光路折反射到達像面的有害、非目標光束，也會對遙測振動微弱信號探測系統(tǒng)存在極大干擾。理論上，雜光又可分為外雜光和內(nèi)雜光：外雜光主要有瑞利散射光和熒光，內(nèi)雜光則為來自分光器或光柵多級衍射的光散射，不含器件表面反射。激光振動/微位移探測儀的精細化測量（振動幅值位移量測量）對雜散光抑制和微弱信號提取水平有較高要求。為實現(xiàn)上述要求，需要對激光振動位移探測系統(tǒng)的雜散光開展分析并進行抑準，在準確獲取微弱振動信號的基礎上，采用適當?shù)姆椒ń档捅尘案蓴_。

國內(nèi)外對于雜光測量、計算與分析、抑制等研究均已相對成熟，目前基于雜散光的研究廣泛應用于各類大型空間光學系統(tǒng)[5]：如中科院安徽光學精密機械研究所采用遮光罩和擋光板對中紅外平面光柵光譜儀系統(tǒng)進行雜散光分析[6]；中國科學院長春光機所針對新型便攜式中階梯光柵光譜儀的光學設計與消雜散光進行研 究[7]。但均未從振動測量系統(tǒng)總體設計角度出發(fā)，區(qū)分性研究每部分在微弱信號提取中可實現(xiàn)的貢獻與權重。本文針對屬于微弱信號探測的小型化激光微位移（振動幅值）測量系統(tǒng)的微弱信號提取進行了綜合分析。

1 微弱振動信號提取理論依據(jù)

1.1 拉曼回波方程

理論上，激光雷達的拉曼散射電壓回波方程[8]，如式（1）所示：

式中z為距離待測振動目標的直線單程距離；Vg(z)為待測振動目標回波電壓；Ng(z)為入射光子數(shù)；為待測目標的表面散射系數(shù)；σ（z′,λ）入射光的散射截面面積；σ（z′,λg）為被測振動目標的散射截面面積，正相關于對應待測目標的散射面元輻照亮度；CA(λg)為被測目標的校準系數(shù)。

1.2 信噪比

激光雷達拉曼散射信噪比方程[8]，如式（2）所示：

式中Ns（z）為被測振動對象的回波光子數(shù)，與Vg(z)存在正比例關系。M為累積激光脈沖數(shù)；Nb為背景噪聲即外雜光和內(nèi)雜光；Nd為白噪聲等電噪聲。

分析上述待測振動目標回波電壓公式中的主要物理量，同時結合待測目標散射面元散射返回的輻射亮度以及入射激光雷達光學系統(tǒng)的輻射照度比值可知：微弱振動位移信號獲取可通過孔徑光闌對雜散光的控制、圓錐型光學陷阱對零級衍射光的控制等方法實現(xiàn)；通過分析上述待測振動目標激光雷達回波信噪比公式中的主要物理量可知，飛行中或地面試驗中微弱振動位移信號獲取可通過電磁屏蔽設計以及探測器噪聲分析實現(xiàn)。

2 微弱信號提取方法

2.1 優(yōu)化孔徑光闌

激光振動微位移探測儀內(nèi)部的光譜儀由于入射數(shù)值孔徑與準直鏡數(shù)值孔徑不匹配導致大量入射光線入射到光譜儀內(nèi)部，上述光線經(jīng)過光譜儀內(nèi)壁和輔件多次反射和散射會再次進入分光系統(tǒng)，最終比較集中地到達探測器且與所需探測對象信號能量相當。對此在光譜儀狹縫后設計優(yōu)化孔徑光闌，預先將大角度光線散射掉，保證系統(tǒng)入射能量的同時避免大角度散射光進入探測器像面。降低光通量閾值，圖1a 為無光闌設置狀態(tài)（照度為8057 W）下激光雷達探測器接受被測目標的表面輻照度分析，圖1b 為有光闌設置狀態(tài)（照度為7332 W）下激光雷達探測器接受被測目標的表面輻照度分析，兩圖的縱坐標為色度坐標為歸一化的探測器表面輻照度強度，在圖1a 中出現(xiàn)輻照強度為e-3量級的雜散光，根據(jù)式（2）可知，雜散光作為背景噪聲Nb的一部分會直接降低系統(tǒng)信噪比，而影響測量效果；當設置光闌后，如圖1b 所示，照度為7332 W 時，雜散光明顯減少，提升了系統(tǒng)信噪比。分析表明，通過改進數(shù)值孔徑可使雜散光能量（歸一化后）由10-4降低為10-6，甚至消失，主要特別說明的是：該步驟對于孔徑不匹配引入的直接入射雜光具有良好的抑制效果，但并不適用于探測器其余位置被動引入或主動產(chǎn)生的其他雜光范疇。

圖1 無光闌及有光闌的小型化激光振動微位移測量儀探測器表面輻照度分布Fig.1 Irradiation Intensity on the Surface of a Micro Drift Detector of the Miniature Raman Spetrometer

2.2 圓錐型光學陷阱設計

激光振動/微位移探測儀最主要的內(nèi)部雜散光來源于光柵衍射產(chǎn)生的零級雜光，該零級雜光經(jīng)過光譜儀內(nèi)壁和輔件的多次反射、散射再次產(chǎn)生大量雜亂光線，這些光線則沿光路進入分光系統(tǒng)并分散抵達探測器成像面。影響最終微弱振動信號，即微位移信號探測，因此消除光柵零級衍射光十分必要。

目前消除光柵零級次衍射光的最佳辦法是在光譜儀內(nèi)部設計后置擋光闌即光學陷阱，如圓錐型光學陷阱?；趫A錐型光學陷阱分別設計高度相同頂角不同（即錐度不同）的圓錐體，如圖2 所示，結果表明錐度越小的圓錐型光學陷阱內(nèi)表面能夠吸收更多雜散光線，其雜散光消除的能力則更強。

圖2 激光振動微位移探測儀光學系統(tǒng)子午面內(nèi)光學陷阱折反射光路Fig.2 Refelction of Straylight in Merdian Plane of Receiver of Stray Light of the Lidar Optical System

2.3 探測器噪聲理論分析

激光振動微位移探測儀基于測量彈箭上某部段結構體表面的微位移解算該處振動信息，特別針對常規(guī)傳感器不具備安裝可達性的測點以及需實現(xiàn)較現(xiàn)有常規(guī)傳感器更高精度（優(yōu)于10%F.S.）振動測量的測點。上述這些測點均具備復雜環(huán)境背景的特征，在復雜環(huán)境條件下激光雷達微弱振動信號/微位移信號回波檢測極易受環(huán)境噪聲和背景噪聲的影響。同時，由于彈箭上待測目標與激光雷達系統(tǒng)安裝位置坐標之間存在相對位移，這也要求激光振動微位移探測儀需具備捕捉待測目標較大范圍動態(tài)特征的能力，在有效測量量程區(qū)間內(nèi)對待測目標有較高的探測靈敏度。因此，除通過孔徑光闌設計控制進入激光雷達光學系統(tǒng)的雜散光、合理化光學陷阱設計外，還需激光雷達的光電探測器的光敏表面靈敏度均勻、其量子效率穩(wěn)定且具有高頻響應的能力，以及激光雷達的后端接收電路部分可實現(xiàn)較大動態(tài)線性范圍響應的能力。

激光雷達在接收來自彈箭上含有探測目標振動信息的拉曼后向散射回波的同時，還受激光雷達光電探測器暗計數(shù)噪聲、環(huán)境背景輻射噪聲以及其他后向散射噪聲等諸多類噪聲的干擾[9]。理論上，激光雷達的光電探測器噪聲主要分為散粒噪聲與熱噪聲，高頻工作時，光電探測器主要噪聲來源為散粒噪聲。其中散粒噪聲主要由信號光Nb1、背景光Nb2和暗電流Nd組成：:

式中β（z）為激光雷達系統(tǒng)測量過程中接收的其他后向散射截面積；η為激光雷達系統(tǒng)光電探測器探測面的量子效率；Pb為激光雷達系統(tǒng)測量過程中環(huán)境背景光強度；θ為激光雷達系統(tǒng)光學系統(tǒng)中光學天線的接收視場；Δλ為激光雷達系統(tǒng)光學系統(tǒng)中分光系統(tǒng)半寬度；N CPS為激光雷達光電接收探測器的暗計數(shù)速率；λ為激光波長；h為普朗克常數(shù)；Δt為光子計數(shù)器的采集時間；Ar為光學天線的有效面積。

振動回波光電信號進入由放大器與光電倍增管結合而成的激光振動微位移探測儀的采集系統(tǒng)。根據(jù)式（3）至式（5），采集系統(tǒng)選擇線性度好、靈敏度高、響應速度快、暗電流小、線性范圍大的光電倍增管作為激光雷達的信號探測器，以滿足具有信號波動大、探測時間短等特征的微弱振動/微弱微位移的激光雷達回波信號。為確保能夠可靠探測并成功提取到僅占全部回波信號的10-11～10-6倍的振動回波信號，可通過將光電倍增管的輸出端連接于電流信號放大器上，實現(xiàn)電流μA 級信號向電壓mV 級信號的轉變，將有利于提升彈箭上振動信號/微位移信號的獲取精確度[10]。

理論上，當較微弱的光信號進入光電二極管時，一般可認為熱噪聲干擾對光電二極管探測能力影響較大。當不存在外場作用時，電子在導體和半導體中無規(guī)則熱運動，沒有電流；但由于漲落作用的存在，相向運動的電子總數(shù)不盡相同，此時，在導體和半導體中出現(xiàn)噪聲電壓，噪聲電壓均方值為

式中K為波爾茲曼常數(shù)；T為二極管內(nèi)材料上的溫度；R（f）為探測器中電阻隨頻率變化的關系。

通過式（6）可知，激光振動微位移探測儀探測系統(tǒng)噪聲的來源是檢測電路帶寬及其溫度。由此，利用降低探測器工作溫度、控制檢測電路帶寬可實現(xiàn)抑制噪聲，進而實現(xiàn)信噪比的提高。

2.4 電磁屏蔽

在用于航天器振動信號測量的激光雷達光電檢測電路中內(nèi)部電路噪聲與外部擾動同時存在。根據(jù)電磁場理論，當電磁波在導電介質中傳播時，其場量振幅以指數(shù)規(guī)律隨傳輸距離的增加而衰減；同時結合能量守恒的觀點，當電磁波在導電介質中傳播時，能量隨傳輸距離的增加衰減。針對良導體材料，利用趨膚效應，可有效阻止高頻電磁波的透入；反之，處于金屬屏蔽殼內(nèi)，由設備或元器件產(chǎn)生的電磁信號也不會透出金屬殼，影響外部設備。

電磁屏蔽是抑制干擾、減小噪聲、增強設備可靠性、提高產(chǎn)品信噪比、提升產(chǎn)品質量的重要方法。用于航天器振動信號測量的激光雷達光電檢測電路中使用聲光調制器，其調制頻率為100 MHz，一方面為防止電磁耦合對光電二極管的影響，根據(jù)電磁屏蔽設計理念，將其置于屏蔽盒內(nèi)，從而減小電磁干擾；另一方面，為減少外部干擾，將光電探測器放大電路、濾波電器與偏置電路放在屏蔽盒中，提高信噪比。此外，為保證放大器輸出信噪比最大，前置放大器與其輸入電路還應進行噪聲匹配設計。

電磁屏蔽的設計理念長期存在與航天彈箭上產(chǎn)品上，因此對于用于航天器振動測量的激光雷達系統(tǒng)該方法屬于必備的基本屬性，對微弱信號獲取的影響及微弱信號提取優(yōu)化此處不再贅述。

3 結 論

本文從激光雷達拉曼散射回波電壓方程和信噪比方程入手，提出了基于激光振動微位移探測儀微弱信號提取的4 種技術手段：a）對激光振動幅值位移測量系統(tǒng)的雜散光進行了分析，在研究了孔徑光闌對雜散光的影響后，重點分析了光柵零級次衍射光產(chǎn)生的內(nèi)部雜散光；b）對常用的圓錐形光學陷阱的雜散光收集效率進行了簡要說明,并得出在消除雜光能力方面，同樣深度的光學陷阱口徑越小時頂角越小，其能力越強；再次分析了激光振動微位移探測儀接收系統(tǒng)中的噪聲來源，提出了減小系統(tǒng)噪聲的方法；c）為降低高頻效應的不利影響，給出了基于電磁屏蔽降低外界干擾的方法。上述技術措施對全面了解航天器工作狀態(tài)、開展可靠性增長研究及獲取高精度振動遙測參數(shù)均具有理論指導意義。