基于光纖耦合的激光引信測試設備

徐國梁，杜運通

（中航工業空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引 言

激光引信是隨著現代作戰環境的變化和激光技術的迅猛發展而出現的一種近炸引信，目前已廣泛應用于空空、地空等導彈中[1-2]。為了能夠測量激光引信激光發射功率和對激光回波的響應能力，要求激光引信測試設備能夠實時模擬激光回波，并對激光回波的功率和引信的響應進行測量，激光回波應能滿足激光引信時序要求。

目前，激光引信測試設備采用的是發射機和接收機分別測量的方法。當前實用化的激光光束參數測量儀基本采用圖像式設計，即用CCD 圖像傳感器采集光斑圖像，通過圖像采集卡送入PC 機，并通過對光斑圖像光強分布的分析得出各種參數值[3]。接收機測量系統則是由標準輻射源產生標準信號，接收機接收輻射信號，輸出信號經放大后輸入到示波器及其他相關儀器中進行數據分析。這種方法需要較大的光學平臺，而平臺價格昂貴，同時又不能很好地模擬激光引信的回波信號。

本研究設計的激光引信測試設備采用基于光纖耦合半實物仿真方案，將激光引信輸出激光耦合到光纖中，經過處理后再送入激光引信的接收機；最后，對該系統進行試驗以驗，證優化的光纖耦合設計能夠達到較高的測試精度。

1 激光引信原理及測試方法選擇

激光引信是利用激光束探測目標的引信，一般激光引信的組成包括激光發射機、激光接收機、信號處理電路和執行級電路組成[4]。空空導彈上使用的激光引信的激光發射機一般采用一定重復頻率的脈沖激光。當目標被激光發射機照射，并位于接收機視場內時，激光接收機的探測器接收到部分目標漫發射光，經光電轉換，將其轉換為電信號。接收機的放大電路對電信號進行放大后、將其轉換為數字信號送給信號處理系統。信號處理系統根據回波信號進行目標識別和干擾識別，當符合近炸引炸條件后，系統給出引炸信號給執行級；執行級進行功率驅動后，輸出戰斗部點火信號[5]。

1.1 激光發射機

空空導彈激光引信通常采用主動發射接收系統、窄脈沖激光體制和周視近炸方式。主動發射接收方式容易實現。窄脈沖方式能夠實現較大脈沖峰值功率，而平均功率不會增加，可以有效地提高探測距離，增加激光器的使用壽命；同時采用窄脈沖方式可以方便地對激光進行編碼，利于實現抗干擾和目標識別算法[6]。

發射機主要參數就是發射光功率，表征激光引信輸出的激光能量大小。目前采用的測試方法有平均光功率計法和峰值功率檢測法。

平均光功率計測量光功率后，再通過轉換公式得到脈沖光功率。其優點是可以采集到精度較高的平均光功率計；缺點是平均光功率計無法直接測量峰值光功率，需要進行轉換，其測試精度受到脈寬和重復頻率的精度影響。

峰值檢測法使用光電傳感器接收激光信號，并將其轉換為相應的電流信號；利用前置放大器完成電流信號到電壓信號的轉換；主放將其放大到合適幅度，輸出到A/D 或示波器等測量裝置來測量信號幅度。其優點是可以實時對峰值光功率進行測量，同時能夠對脈沖寬度和脈沖頻率進行測量；缺點是其測試結果受光電轉換效率、光學系統衰減和放大電路增益的影響，適用于測量精度要求較低的系統。

隨著激光引信技術的發展，激光引信輸出的脈沖寬度和頻率穩定性較高，發射光峰值功率采用直接測量法，能夠達到較高的測量精度。

1.2 激光接收機

激光引信接收機系統一般包括探測器、前放、接收光學系統、主放電路等組成。

探測器接收目標的漫發射激光后，通過光電轉換將其轉換為電信號，主放電路對信號進行放大后送到比較器，對信號幅度進行判別，并將其轉換為數字信號后送信號處理電路[7]。

激光接收機主要參數為激光引信靈敏度，表征激光引信能夠判定的最小接收光功率值。目前主要的實現途徑有以下兩種。

（1）直接測量法。通過外加的可調光源，輸入到激光引信的輸入窗口，通過調節光源的功率來測量激光引信的靈敏度。這種方法的優點是光束準直性好、光功率調節簡單、一致性和可靠性高。缺點是激光引信要求對輸入的光信號寬度、波長、調制頻率與激光引信的發射時鐘同步，且滿足判別系統的要求。激光器電源設計難度大，系統時鐘同步難度大。

（2）激光耦合半實物仿真測量。通過光學系統將激光引信發射出來的激光經過衰減后，送入接收窗口[8]。這種方法的優點是光信號的特征滿足判決系統的要求，而且產品較為成熟，減少了設計風險，能最好地模仿實際的目標回波特性。但這種方法的測試精度受到激光耦合光纖的效率和光學系統衰減的影響，要想提高測試精度，必須要提高激光耦合光纖的效率。

2 設計方案

發射功率和接收靈敏度測試方法確定后，總體的設備框圖如圖1 所示。

圖1 設備總體框圖

設備由光學平臺、電動旋轉臺、控制系統、發射光功率光學測試單元和靈敏度光學單元組成。

發射光功率測量采用將光功率探頭通過對準機構對準引信的發射窗口的方法進行測量。

靈敏度的測量采用半實物仿真的方法，通過分光棱鏡得到輸送到引信接收窗口的準確光功率值。通過調整可調衰減器，得到激光引信能夠正常反應的最小輸入光功率值，從而完成靈敏度的測量。

電信號的測量通過控制系統將信號切換到示波器的不同通道進行電壓和頻率的測量。

電動旋轉臺實現引信多個窗口的切換。

2.1 發射光功率測量單元

激光引信輸出激光的位置精度由裝配位置保證，其精度不高。激光光功率探頭的光敏面一般較小，激光信號不能完全匯聚到探頭的光敏面上。為提高測試精度，本研究將功率探頭放置在3 個軸向的調整機構上。Z 軸調整探頭與發射窗口的距離，在測試時緊貼產品；X、Y 軸調整偏轉方向和位置，保證激光全部落入光功率探頭中。

2.2 靈敏度測量單元

靈敏度測量單元的系統圖如圖2 所示。發射耦合透鏡將發射激光耦合到光纖中，并在兩者之間加上兩片衰減片來進行定量衰減。光纖輸出的激光通過分束棱鏡分為兩束，一束經過準直物鏡將激光束進行準直后，送入產品接收窗口；另一束通過準直物鏡和聚光鏡將激光匯聚到光功率探頭的光感面上。

圖2 靈敏度光學單元設計

這套系統的難點在于如何提高將發射激光耦合到光纖的耦合效率和如何實現準確的衰減。

2.2.1 激光耦合光纖設計

當光由空氣傳輸至光纖時，根據全反射的條件，只有當入射角超過臨界角時，才會發生全反射，只有滿足這一條件，光才能在光纖中傳播。根據文獻記載，要求最大的入射角應滿足[9]：

式中：amax—最大的入射角度，n1—纖芯的折射率，n2—包層的折射率。

定義數值孔徑NA=sin amax，以表征光纖收集光纖的能力。定義孔徑角為2 amax，只有在孔徑角的圓錐內的光線才能在光纖中傳播。

激光引信采用半導體激光器輸出激光，輸出光不是均勻的平面波，而是一種曲率半徑和曲率中心都發生改變的非均勻球面波，通常稱為高斯光束[10]，其傳播特性符合[11]：

式中：E(x,y,z)—點(x,y,z)處的電矢量，W(z)—z 點處的光斑半徑，R(z)—z 處的波陣面曲率半徑，φ(z)—與z 有關的相位因子。

其中：

式中：W0—高斯光束的束腰，是高斯光束的特性參數。

當W0確定后，R(z)和W(z)等參數按z 值變化并呈特定的函數關系，因此當高斯光束的束腰確定后，其高斯光束的傳播特性就確定了。

光束在束腰處的光斑半徑W0最小，W(z)隨z 值的增大而增大，這表示光束逐漸發散。

當z=πW0/λ時，則近場發射角為：

通常z=0 到此的距離稱為高斯光束的準直距離，在此范圍內光束發散角最小。

要想提高激光引信輸出激光光纖耦合的效率，需要將聚光鏡放置在激光引信的輸出激光束腰處，聚焦后的光束腰斑應落于光纖端面上，且入射激光束、耦合透鏡和光纖三者的光軸必須同軸。

耦合光路設計如圖3 所示。

圖3 耦合光路設計

激光引信光學系統受結構限制，激光管芯位置安裝精度較低，為提高耦合效率，將激光耦合放置在一個六維調整平臺上。

兩維位移X、Y 實現了水平兩維調整，上面放置高度位移臺，進行Z 方向的調整，X、Y、Z 都具有非常高的調整精度，以保證聚焦后的光束腰斑落在光纖端面上。轉臺和水平調整臺位于高度位移臺上方，通過調節其上的細紋螺桿，實現鏡筒的空間角度旋轉（θX、θY、θZ），以保證入射激光束和耦合裝置以及光纖三者同軸，從而保證光纖耦合效率的最大，調整平臺的仿真圖如圖4 所示。

圖4 調整平臺仿真圖

2.2.2 衰減設計

整個光路的衰減由衰減器的值、光纖耦合效率、光纖傳輸損耗、光學器件損耗組成。整個衰減應滿足靈敏度測試需要。

光路不帶衰減器的傳輸效率要求高于10%，為實現對調整精度的控制，本研究采用衰減片組合的方式來實現衰減調整，采用單片或多片衰減片調節光強。

2.3 控制系統設計

控制系統主要由：示波器、光功率計、信號控制器、步進電機控制器和工控機組成。

工控機通過通訊接口控制步進電機控制器進行產品測試窗口切換。信號測試控制器將需要的測試信號切換到示波器的測試通道，示波器將測試結果返回到工控機。光功率計測試激光信號，將測試結果返回到工控機。工控機采用不同的總線接口與通用設備通訊：

（1）RS232 接口。用于步進電機運轉的通訊接口；

（2）USB 接口。用于將采集到的光功率計讀數顯示在軟件界面上的通訊接口；

（3）GPIB 接口。用于將示波器采集到的信號顯示在軟件界面上的通訊接口。

測控軟件采用虛擬儀器開發平臺LabVIEW 進行設計，并采用基于NIVlSA 的儀器驅動。

VISA 函數可以通用于基于Ethernet、GPIB、PXI 和串口等多種總線的測試系統，使用者不必再研究各個接口總線特定的API。作為儀器I/O 函數庫，VISA 編程與傳統的I/O 軟件編程基本相同，主要是通過設備的端口讀寫操作和屬性控制，實現與儀器的命令及數據的交換。軟件流程如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖

3 結果驗證

為驗證系統的可靠性，本研究對系統測量結果進行了分析，并用設備對經過校準的多個激光引信進行測試。發射光功率測試結果與真實值之間的差值小于0.025mW，測量精度達到測試要求。

靈敏度測試結果與真實值之間的差值都小于0.6 μW，測試精度達到要求。

接收靈敏度測試時需要進行反復調整，本研究采用Gage R&R 測量系統分析法對測試儀器重復性誤差和測試者誤差進行評估。具體的方法是：不同操作者對同一發產品進行反復測量，和同一操作者對不同的產品進行測量，以此驗證測試設備的可靠性和精度。當Gage R&R 小于30%，可區分數大于4 時，表明測量系統可以接受。

本研究采用分析軟件minitab 對測試結果進行了測量系統分析，得到的激光引信測試設備接收靈敏度的Gage R&R 為16.71%，可區分數為5，表明該系統的測量結果是可信的。

分析得到的Xbar 圖和R 極差圖如圖6 所示。

圖6 Xbar 控制圖和R 極差圖

Xbar 圖上控制線以外的點表示操作者始終能夠區別不同的部件。R 極差圖表示超出在控制上、下限值為非常規值，通常用這個圖了解某些操作者是否比其他人更具有重復性。從圖6 中可以看出，測量系統能夠區分不同的部件，而操作者2 比操作者1 更具備重復性。

從以上的分析來看，整個系統的測試精度已經達到了設備的技術要求，但也能看出不同的操作者進行測試時，測試結果存在一定的差異。其主要原因是測試時需要反復調整耦合單元，對操作者的水平和熟練程度有較高要求。

4 結束語

本研究提出了基于光纖耦合的激光引信測試設備設計方案。實驗結果表明，通過優化的激光耦合設計，采取較小的光學測量平臺和較少的測量設備，能夠達到較高的光學測量精度。

同時，筆者發現測試設備對操作者的操作水平有較高要求，后續研究中需要加強對操作者的培訓，收集和分析測試結果，減少調整環節，改善測試方法，最終將其測試難度降低。

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