激光周向探測(cè)系統(tǒng)回波功率建模和信噪比分析*

盧莉萍，張曉倩，張 艷，魏 飛

（1.西安工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710021；2.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜，研究更加高效毀傷的智能彈藥，是未來(lái)智能導(dǎo)彈作用效能的重要體現(xiàn)。對(duì)于常規(guī)導(dǎo)彈，一般都是采用不同波段的收發(fā)機(jī)理形成的末端制導(dǎo)效應(yīng)。通過(guò)發(fā)射裝置發(fā)射不同頻率的信號(hào)，若發(fā)射的信號(hào)探測(cè)到目標(biāo)，被毀傷目標(biāo)表面將探測(cè)到的目標(biāo)信號(hào)反射至接收裝置，接收裝置通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換處理模塊輸出目標(biāo)信號(hào)，根據(jù)輸出的目標(biāo)信號(hào)作為控制起爆裝置的判定依據(jù)，以達(dá)到近程彈目交會(huì)作用下的目標(biāo)毀傷。在現(xiàn)有的研究中，馮濤等通過(guò)引入多象限高靈敏度光電探測(cè)接收器，增加了探測(cè)視角，進(jìn)而提高了導(dǎo)彈的探測(cè)能力，同時(shí)，光路的接收孔徑也可以做得更大，利于光電探測(cè)系統(tǒng)接收目標(biāo)的回波信號(hào)，提高了導(dǎo)彈制導(dǎo)探測(cè)的靈敏度。徐孝彬等根據(jù)光電探測(cè)器的響應(yīng)度、輸出光電流、目標(biāo)特征等，研究了光電探測(cè)系統(tǒng)在不同偏壓下的信噪比；陳杉杉等根據(jù)目標(biāo)穿過(guò)掃描區(qū)域的最大時(shí)間，建立了系統(tǒng)的捕獲率數(shù)學(xué)模型；鐘昆等對(duì)水下目標(biāo)展開(kāi)了研究，建立了水下目標(biāo)回波能量模型。這些文獻(xiàn)涉及的光電探測(cè)系統(tǒng)，都從不同角度對(duì)光電探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展了研究，但是，對(duì)探測(cè)系統(tǒng)中采用多個(gè)發(fā)射裝置形成的探測(cè)信噪比建模與分析描述還是比較少；同時(shí)，在彈目交會(huì)過(guò)程中具有隨機(jī)不確定性，要求導(dǎo)彈光電探測(cè)模塊在極短的時(shí)間內(nèi)捕獲到目標(biāo)回波信息，同時(shí)，也要求探測(cè)系統(tǒng)的信噪比需達(dá)到一定的閾值信噪比。為了提升彈目隨機(jī)不確定交會(huì)狀態(tài)下激光周向掃描探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)穩(wěn)定性，本文采用三發(fā)一收的激光周向掃描探測(cè)機(jī)理，建立激光光束入射角度、激光回波能量和激光周向掃描探測(cè)系統(tǒng)信噪比模型的關(guān)聯(lián)計(jì)算模型，并分析了不同彈目交會(huì)距離和激光光束入射角度對(duì)系統(tǒng)信噪比的影響，為提高導(dǎo)彈自身的制導(dǎo)探測(cè)能力提供理論分析依據(jù)。

1 激光周向掃描探測(cè)能力建模

1.1 激光周向掃描探測(cè)機(jī)理

本文研究的激光周向探測(cè)系統(tǒng)由3 脈沖激光發(fā)射模塊和1 個(gè)光電接收模塊組成，其中，激光發(fā)射模塊形成激光掃描區(qū)域，光電接收模塊所形成的接收視場(chǎng)區(qū)域覆蓋了脈沖激光掃描區(qū)域。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入掃描區(qū)域時(shí)，激光光束照射目標(biāo)表面形成激光回波信號(hào)，被光電探測(cè)模塊所接收，輸送至信號(hào)處理電路，控制導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的起爆裝置。

1.2 彈目交會(huì)目標(biāo)回波功率建模

圖1 彈目交會(huì)示意圖

圖1 中，v表示導(dǎo)彈速度；v表示目標(biāo)速度；在導(dǎo)彈探測(cè)坐標(biāo)系oxyz中，導(dǎo)彈與目標(biāo)的相對(duì)速度為：

則在Δt 時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)彈相對(duì)位移矢量s（Δt）為：

激光光束在目標(biāo)坐標(biāo)系的坐標(biāo)為：

為了方便計(jì)算，假設(shè)目標(biāo)為圓柱體，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，半徑為D。若激光光束掃描并能探測(cè)到目標(biāo)，激光光束照射至目標(biāo)表面的光斑應(yīng)滿(mǎn)足的約束條件為：

摘 要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和教育改革的出現(xiàn)，小學(xué)語(yǔ)文教學(xué)的形式也發(fā)生了一定的變化。在當(dāng)前的小學(xué)語(yǔ)文教學(xué)過(guò)程中，運(yùn)用現(xiàn)代化的教學(xué)手段開(kāi)展教學(xué)，能有效地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)，促進(jìn)學(xué)生形成核心素養(yǎng)。因此，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)該充分地利用信息技術(shù)開(kāi)展教學(xué)。

在脈沖激光近程探測(cè)狀態(tài)下，激光光束照射在目標(biāo)表面的光譜輻射亮度為：

式中，r 為光電探測(cè)模塊的接收窗口半徑；η為光電探測(cè)模塊的光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率。

1.3 系統(tǒng)信噪比建模

在導(dǎo)彈激光周向探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)過(guò)程中，光電探測(cè)器接收的不僅有目標(biāo)表面反射的激光回波信號(hào)，還有背景噪聲信號(hào)。當(dāng)陽(yáng)光直射云層發(fā)生散射被光電探測(cè)器接收，若背景噪聲信噪大于激光回波信號(hào)，導(dǎo)致系統(tǒng)的虛警概率增加。根據(jù)激光回波功率計(jì)算模型，建立激光周向掃描探測(cè)系統(tǒng)的信噪比計(jì)算模型，如式（10）所示。

式中，P為目標(biāo)背景輻射功率；P為系統(tǒng)固有噪聲功率；N 為系統(tǒng)降噪處理系數(shù)。

假設(shè)K 為玻爾茲曼常數(shù)K=1.38×10K，T為系統(tǒng)固有噪聲等效溫度，B為系統(tǒng)帶寬，F(xiàn)為系統(tǒng)噪聲系數(shù)。則系統(tǒng)固有噪聲功率為：

將式（10）、式（12）代入式（11），則信噪比計(jì)算模型為：

為了更直觀分析激光周向掃描探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)能力，利用光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將系統(tǒng)接收到的激光回波能量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，為：

式中，M 為光電探測(cè)器增益；η 為量子效率；e 電子電荷常數(shù)e=1.6×10C；h 為普朗克常數(shù)h=6.63×10J/s；f 為激光頻率。

2 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)上述的理論模型，探測(cè)裝置中脈沖激光峰值功率為40 W、脈沖激光的頻率為12 kHz，光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的增益采用自適應(yīng)控制增益方式，以使系統(tǒng)獲得最大的探測(cè)能力，并且系統(tǒng)輸出信號(hào)的飽和值為5 V；系統(tǒng)起爆裝置的閾值信噪比設(shè)置為2。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將探測(cè)裝置固定在轉(zhuǎn)速可調(diào)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，調(diào)整光電探測(cè)模塊的探測(cè)視角，并保證探測(cè)系統(tǒng)接收視場(chǎng)覆蓋脈沖激光掃描視場(chǎng)，同時(shí)，設(shè)置旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速。假定導(dǎo)彈光電探測(cè)模塊的坐標(biāo)系為固定的，目標(biāo)為圓柱形，按照不同的方式與導(dǎo)彈光電探測(cè)模塊光學(xué)鏡頭的光軸形成不同交會(huì)角度；在此基礎(chǔ)上，在第1 輪試驗(yàn)中，調(diào)整目標(biāo)與導(dǎo)彈之間的距離，獲得導(dǎo)彈光電探測(cè)模塊輸出目標(biāo)電壓信號(hào)。當(dāng)目標(biāo)的x軸與導(dǎo)彈的x軸正交，且激光光束入射角度大約為0°時(shí)，探測(cè)距離從2.38 m～5.19 m，在不同的探測(cè)距離下，系統(tǒng)輸出目標(biāo)信號(hào)和固有噪聲信號(hào)如表1 所示，其中，R 表示探測(cè)距離，單位為m，V表示系統(tǒng)輸出目標(biāo)信號(hào)的幅值，單位為mV，V表示系統(tǒng)固有噪聲信號(hào)的幅值，單位為mV。

表1 不同探測(cè)距離條件下系統(tǒng)輸出信號(hào)

在表1 中，當(dāng)探測(cè)距離為2.38 m 時(shí)，系統(tǒng)輸出目標(biāo)信號(hào)峰值基本達(dá)到了飽和，大約為4.972 V，信噪比達(dá)到了5.19；隨著探測(cè)距離的增加，當(dāng)探測(cè)距離增加為5.19 m 時(shí)，探測(cè)電路固有噪聲基本不變，但系統(tǒng)輸出目標(biāo)信號(hào)峰值僅為1.756 V，信噪比降到僅僅為1.77。說(shuō)明隨著探測(cè)距離的增大，系統(tǒng)輸出目標(biāo)信號(hào)隨之降低，遵循理論模型式（9）；由于系統(tǒng)的閾值信噪比為2，當(dāng)探測(cè)距離為5.19 m 時(shí)，系統(tǒng)將不能探測(cè)到目標(biāo)，出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象。

在表2 中，在同等探測(cè)距離條件下，隨著激光入射角度的增大，系統(tǒng)輸出目標(biāo)信號(hào)幅值隨之降低；當(dāng)激光入射角度為22.7°時(shí)，系統(tǒng)輸出目標(biāo)信號(hào)峰值為1.745 V，信噪比為1.83；尤其當(dāng)激光入射角度達(dá)到30.1°時(shí)，此時(shí)，系統(tǒng)輸出目標(biāo)信號(hào)峰值僅為1.392 V，與系統(tǒng)的固有噪聲已經(jīng)基本接近，信噪比不足1.43；由于信噪比遠(yuǎn)小于系統(tǒng)設(shè)置的閾值信噪比，此時(shí)，系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法輸出有效的目標(biāo)信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的閾值信噪比，當(dāng)系統(tǒng)輸出信噪比大于閾值信噪比，此時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出起爆命令，起爆機(jī)構(gòu)才能起爆。

表2 不同入射角度下系統(tǒng)輸出信號(hào)

3 結(jié)論

為了確保激光周向掃描探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)穩(wěn)定性，本文采用三發(fā)一收的激光周向掃描探測(cè)機(jī)理，依據(jù)彈目交會(huì)的時(shí)空關(guān)系，結(jié)合目標(biāo)表面反射特性，建立了導(dǎo)彈與目標(biāo)距離、激光回波功率與光電探測(cè)系統(tǒng)信噪比關(guān)聯(lián)模型，分析了導(dǎo)彈與目標(biāo)空間隨機(jī)交會(huì)對(duì)激光周向掃描探測(cè)性能的影響。結(jié)合建立的數(shù)學(xué)模型，開(kāi)展模擬試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了彈目交會(huì)距離、激光光束入射角度與系統(tǒng)的信噪比關(guān)聯(lián)模型的正確性，并說(shuō)明在相同的彈目交會(huì)狀態(tài)下，目標(biāo)與導(dǎo)彈的距離越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的信噪比越低；在相同的探測(cè)距離下，激光光束與目標(biāo)的交會(huì)角度越大，激光回波能量越小，系統(tǒng)的信噪比越小。本文的研究成果為激光周向掃描探測(cè)系統(tǒng)的改善設(shè)計(jì)提供了一定的理論研究依據(jù)。