激光引信探測(cè)目標(biāo)回波特性研究

陳 松，張曉倩，范秋亞

(1.中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院， 陜西 華陰 714200； 2.西安工業(yè)大學(xué)， 西安 710021)

1 引言

激光引信采用激光為系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)的信息載體，以大氣為傳輸介質(zhì)，輻射在目標(biāo)表面并產(chǎn)生反射，再次經(jīng)過大氣傳輸介質(zhì)被激光接收裝置接收，經(jīng)過信號(hào)處理模塊形成系統(tǒng)探測(cè)到目標(biāo)的回波信號(hào)，根據(jù)目標(biāo)回波信號(hào)的大小控制彈丸戰(zhàn)斗部的起爆裝置，達(dá)到毀傷目標(biāo)的目的。因?yàn)槊}沖激光具有方向性好、瞬時(shí)功率大和抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)體積小等優(yōu)勢(shì)，目前已在常規(guī)彈藥和導(dǎo)彈中得到應(yīng)用，脈沖激光引信通過飛行時(shí)間測(cè)量法獲取目標(biāo)與彈丸的距離[1-4]，而高速運(yùn)動(dòng)中彈丸與目標(biāo)的相對(duì)速度差、彈丸與目標(biāo)的交會(huì)角、外界環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化等[5-7]，導(dǎo)致脈沖激光引信探測(cè)光束的入射角動(dòng)態(tài)變化范圍變大，降低了系統(tǒng)探測(cè)到目標(biāo)的回波信號(hào)，影響彈丸對(duì)目標(biāo)的毀傷。為提高彈丸毀傷目標(biāo)的效能，需要建立準(zhǔn)確的激光引信作用目標(biāo)的回波計(jì)算模型。

本文根據(jù)脈沖激光發(fā)射后的時(shí)域分布波形，建立激光引信短距離作用目標(biāo)狀態(tài)下激光輻射到目標(biāo)的照度計(jì)算模型；結(jié)合彈目交會(huì)姿態(tài)、目標(biāo)反射系數(shù)以及雙向反射分布函數(shù)，給出激光經(jīng)目標(biāo)表面的反射強(qiáng)度計(jì)算函數(shù)，構(gòu)建激光接收系統(tǒng)獲得的目標(biāo)回波信號(hào)功率模型，并推導(dǎo)了目標(biāo)回波信號(hào)的輸出電壓信號(hào)解析式；理論仿真分析了不同彈目交會(huì)角、彈目交會(huì)距離對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的影響，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；理論仿真和實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)回波信號(hào)電壓基本一致。

2 激光引信探測(cè)原理

激光引信利用發(fā)射的激光束實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的探測(cè)，其主要由發(fā)射裝置、接收裝置、信號(hào)處理電路模塊和執(zhí)行模塊等組成。在激光引信近程探測(cè)系統(tǒng)中，激光引信向探測(cè)到目標(biāo)發(fā)射脈沖激光，激光到達(dá)目標(biāo)表面后因目標(biāo)具有反射性，有一部分反射后的激光被接收裝置接收，并將接收的激光回波功率經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、放大電路等轉(zhuǎn)換處理，獲得回波功率的電壓信號(hào)形態(tài)，并根據(jù)電壓信號(hào)的幅值判斷彈丸是否在最佳毀傷位置，當(dāng)電壓信號(hào)的幅值大于設(shè)置的閾值電壓，說明彈丸處于的毀傷位置合適；與此同時(shí)，戰(zhàn)斗部的起爆裝置啟動(dòng)，對(duì)目標(biāo)造成的毀傷。激光引信近程探測(cè)示意圖如圖1。

圖1 激光引信近程探測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser fuze short-range detection

圖1中，H表示彈丸與目標(biāo)中心點(diǎn)垂直距離，θ為彈丸與目標(biāo)的交匯角，由于激光速度非?？欤珊雎约す鈴陌l(fā)射裝置到接收裝置的時(shí)間差，α為目標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)oz軸的夾角。

假設(shè)激光器發(fā)射的激光脈沖為高斯脈沖，依據(jù)重尾函數(shù)可得激光發(fā)射功率的時(shí)域分布波形為：

(1)

假設(shè)Sj為目標(biāo)平面與xoz面平行時(shí)有效輻射面積，則激光經(jīng)大氣傳播距離H后，由于激光引信作用目標(biāo)的距離較近，忽略大氣衰減、湍流、散斑等因數(shù)對(duì)激光的衰減[8]，激光輻射到目標(biāo)表面時(shí)照度為：

(2)

假設(shè)ζ為目標(biāo)的反射系數(shù)，Sd為目標(biāo)平面與xoz面平行時(shí)的有效反射面積，α為目標(biāo)的姿態(tài)角，目標(biāo)的有效反射面積為Sd·cosα，則激光輻射至目標(biāo)表面后其反射強(qiáng)度為：

(3)

式(3)中，ρ(θ)可由雙向反射分布函數(shù)[9]獲得。雙向反射分布函數(shù)為：

(4)

式(4)中：a為鏡面反射幅度；b為漫反射幅度；n為漫反射系數(shù)；k為目標(biāo)表面的斜率。

Pa(t)=Im(t)Ωe-H

(5)

將式(3)、式(4)代入式(5)，可得：

(6)

式(6)中：ηs為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)效率；ηr為接收光學(xué)系統(tǒng)效率。

激光接收系統(tǒng)將接收到回波信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，則輸出的電壓信號(hào)幅值為：

(7)

式(7)中：s為傳感器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；v為探測(cè)電路的放大倍數(shù)；u為探測(cè)電路的等效電阻。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

3.1 仿真分析

在激光近程探測(cè)過程中，激光輻射到目標(biāo)的照度受到彈丸與目標(biāo)之間距離、交會(huì)角度的影響，根據(jù)式(2)，仿真分析彈丸與目標(biāo)之間不同距離條件下激光輻射到目標(biāo)的照度變化曲線，如圖2。

圖2 彈丸與目標(biāo)之間不同距離條件下激光輻射到 目標(biāo)的照度變化曲線Fig.2 The illuminance variation curve of laser radiation to target under different intersection distance between projectile and target

從圖2可以看出，隨著彈丸與目標(biāo)之間距離的增大，激光輻射到目標(biāo)的照度也在隨之減小，并且，激光輻射到目標(biāo)的照度隨著距離的增大先緩慢減小，達(dá)到一定距離之后，激光輻射到目標(biāo)的照度減小速度顯著，可見彈丸與目標(biāo)之間距離是重要的影響因素；同時(shí)，彈目交會(huì)角不同，激光輻射到目標(biāo)的照度變化趨勢(shì)隨近似，但是激光輻射到目標(biāo)的照度大小有差異，彈目交會(huì)角越小，激光輻射到目標(biāo)的照度越大，反之，激光輻射到目標(biāo)的照度越小。

需進(jìn)一步分析彈目多姿態(tài)交會(huì)下激光輻射到目標(biāo)的照度變化趨勢(shì)，如圖3所示。

圖3 彈目多姿態(tài)交會(huì)下激光輻射到目標(biāo)的 照度變化曲線Fig.3 The illuminance variation curve of laser radiation to target under multiple intersection attitudes of projectile and target

當(dāng)彈目間的距離基本不變時(shí)，激光輻射到目標(biāo)的照度隨著彈目交會(huì)角的增大而逐漸變小；若目標(biāo)的直徑變大，在相同的彈目間距離、彈目交會(huì)角條件下，激光輻射到目標(biāo)的照度有所增大，由此可見，激光輻射到目標(biāo)的照度受到彈目間距離、彈目交會(huì)角、目標(biāo)尺寸等因素的影響。

激光輻射到目標(biāo)表面后再反射到激光接收系統(tǒng)的反射強(qiáng)度受到目標(biāo)反射系數(shù)、有效反射面積等影響，依據(jù)式(3)，分析激光的反射強(qiáng)度變化趨勢(shì)，如圖4所示。

圖4 激光的反射強(qiáng)度變化曲線Fig.4 The variation curve of laser reflection intensity

從圖4可知，激光的反射強(qiáng)度隨著目標(biāo)有效反射面積的擴(kuò)大而變強(qiáng)，目標(biāo)材質(zhì)的不同，影響著激光的反射強(qiáng)度，目標(biāo)的反射系數(shù)越大，激光的反射強(qiáng)度有所提高，對(duì)于不同材質(zhì)、尺寸的目標(biāo)，激光的反射強(qiáng)度是有差異的，進(jìn)而影響著激光接收系統(tǒng)獲得的目標(biāo)回波信號(hào)功率的大小。

依據(jù)式(6)，圖5為激光接收系統(tǒng)獲得的目標(biāo)回波信號(hào)功率變化曲線，并分析了彈目間距離、彈目交會(huì)角對(duì)激光接收系統(tǒng)獲得的目標(biāo)回波信號(hào)功率影響，如圖6所示。

圖5 目標(biāo)回波功率的變化曲線Fig.5 The variation curve of target echo power

圖6 彈目之間距離、彈目交會(huì)角與目標(biāo)回波 功率的變化曲線Fig.6 The variation curve of the intersection distance， intersection angle and target echo power

在激光近程探測(cè)過程中，激光接收系統(tǒng)獲得的目標(biāo)回波信號(hào)功率隨著彈目之間距離的增大而減小，若彈目之間距離變化不大，彈目交會(huì)角越大，目標(biāo)的有效輻射面積、反射面積都出現(xiàn)變小的現(xiàn)象，導(dǎo)致目標(biāo)回波信號(hào)功率變小。同時(shí)，激光光學(xué)接收系統(tǒng)孔徑的不同，目標(biāo)回波信號(hào)功率也有所改變。在實(shí)際的激光引信近程探測(cè)中，由于激光引信探測(cè)系統(tǒng)已確定了激光發(fā)射系統(tǒng)光學(xué)效率和激光接收系統(tǒng)光學(xué)效率等，通過適當(dāng)調(diào)整激光接收系統(tǒng)的通光孔徑，可有效提高獲得的目標(biāo)回波信號(hào)功率，為激光引信在合適的位置作用目標(biāo)提供可靠的理論依據(jù)。

在激光近程探測(cè)系統(tǒng)中，將獲得的目標(biāo)回波信號(hào)功率轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過該電壓信號(hào)的幅值可確定激光引信是否作用，根據(jù)式(7)，仿真系統(tǒng)輸出的目標(biāo)回波信號(hào)變化曲線如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)輸出的目標(biāo)回波信號(hào)變化曲線Fig.7.The variation curve of target echo signal output by the test system

從圖7可知，系統(tǒng)輸出的目標(biāo)回波信號(hào)變化趨勢(shì)與激光接收系統(tǒng)獲得的目標(biāo)回波信號(hào)功率變化趨勢(shì)是一致的，隨著彈目之間距離的增大，系統(tǒng)輸出的目標(biāo)回波信號(hào)逐漸減小，當(dāng)達(dá)到一定的彈目間距離時(shí)，系統(tǒng)輸出的目標(biāo)回波信號(hào)幅值減小顯著，可見彈目之間距離對(duì)系統(tǒng)輸出的目標(biāo)回波信號(hào)的重要影響。在實(shí)際測(cè)試過程中，采用自適應(yīng)信號(hào)處理電路在一定程度上改善了激光近程探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)性能。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

本文設(shè)計(jì)了激光引信探測(cè)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)主要有激光發(fā)射裝置、激光接收裝置、信號(hào)處理模塊等組成，如圖8所示。

圖8 測(cè)試布置示意圖Fig.8 The schematic diagram of test layout

圖8中，激光發(fā)射裝置和激光接收裝置在同一軌道的兩側(cè)并間隔一定距離，軌道兩側(cè)的激光發(fā)射裝置和激光接收裝置分別設(shè)有水平儀，確保激光發(fā)射裝置和激光接收裝置在同一水平線。激光發(fā)射裝置中發(fā)射激光器的位置是固定的，可通過調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)發(fā)射激光器與目標(biāo)的交會(huì)角，目標(biāo)與發(fā)射激光器的距離模擬彈目交會(huì)距離，根據(jù)交會(huì)距離，可估算出激光接收器的位置，并通過控制電機(jī)裝置調(diào)整激光接收器與軌道的傾斜狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)激光作用目標(biāo)回波信號(hào)的接收。為了便于分析，利用信號(hào)處理模塊進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出目標(biāo)回波的電壓信號(hào)。

在室外開展模擬彈目交會(huì)實(shí)驗(yàn)，在測(cè)試過程中，目標(biāo)懸掛于空中處于靜止不動(dòng)的狀態(tài)，且激光發(fā)射裝置處于連續(xù)發(fā)送激光的狀態(tài)，當(dāng)激光引信探測(cè)檢測(cè)到目標(biāo)，控制電機(jī)裝置啟動(dòng)調(diào)整激光接收器的傾斜狀態(tài)，直到接收到目標(biāo)反射回來的激光信號(hào)，控制電機(jī)裝置停止工作，通過信號(hào)處理電路對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得目標(biāo)回波的電壓信號(hào)。第1輪實(shí)驗(yàn)，激光發(fā)射功率為100 mW，調(diào)整彈目交會(huì)距離，給出了相同激光功率和不同傳輸距離下目標(biāo)回波信號(hào)電壓幅值，如表1所示;第2輪實(shí)驗(yàn)，彈目交會(huì)距離不變，基于不同直徑的目標(biāo)給出了相同傳輸距離目標(biāo)回波信號(hào)電壓幅值，如表2所示。

表1 相同激光功率和不同傳輸距離下 目標(biāo)回波信號(hào)電壓幅值

表1中，激光功率不改變的條件下，不同傳輸距離進(jìn)行3組，每組進(jìn)行100次測(cè)試，當(dāng)激光功率為100 mW時(shí)，隨著傳輸距離的增大，目標(biāo)回波信號(hào)電壓幅值減小，且傳輸距離越大，目標(biāo)回波信號(hào)電壓幅值顯著下降。表2中，采用不同直徑目標(biāo)模擬多姿態(tài)彈目交會(huì)角，且3種直徑目標(biāo)的長(zhǎng)度一致，當(dāng)傳輸距離為25 m時(shí)，目標(biāo)直徑越小，反映了彈目交會(huì)角越大，目標(biāo)回波信號(hào)電壓幅值越小，反之，目標(biāo)回波信號(hào)電壓幅值越大，這一結(jié)果與式(7)基本一致，驗(yàn)證了本文建立的激光近程探測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)回波功率計(jì)算模型的科學(xué)性和有效性。

表2 相同傳輸距離和不同目標(biāo)下 目標(biāo)回波信號(hào)電壓幅值

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)脈沖激光引信對(duì)飛行目標(biāo)的精準(zhǔn)毀傷難題，本文建立了平面目標(biāo)的脈沖激光回波模型?；谥匚埠瘮?shù)建立的激光發(fā)射波形，給出激光輻射至目標(biāo)表面的照度分布情況，結(jié)合目標(biāo)表面特性、結(jié)構(gòu)尺寸、彈目交會(huì)姿態(tài)等，推導(dǎo)了平面目標(biāo)的回波功率計(jì)算方程，依據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系將回波功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，對(duì)脈沖激光引信進(jìn)行了回波試驗(yàn)，結(jié)果表明:仿真結(jié)果的回波特性和實(shí)際回波數(shù)值基本一致，回波信號(hào)峰值隨著彈目交會(huì)角的增大而衰減，并隨著彈目交會(huì)距離的增大而降低。本文研究結(jié)果可為脈沖激光引信近程探測(cè)系統(tǒng)精準(zhǔn)毀傷提供參考依據(jù)。