基于偏振編碼的激光告警機光纖天線的研究

郭博 孫瑩 劉智超 劉赟

【摘要】在激光告警中基于偏振編碼的光纖天線測量方法，其結構簡單、穩定，并且能夠保證在一定精度的情況下實現全方位角度探測。這種方法是將不同起偏角的偏振片放置在不同位置然后進行編碼，再經準直透鏡組將合并成一束的由各條光纖射出的光線射入解偏光路中，然后再由判斷電路對其進行分析，便得到了激光的入射方向。在通過計算經過偏振片以后的激光能量衰減，并仿真了能量衰減的效果，求解電路能檢測到激光最弱幅值與能量最大偏振衰減時激光引起的響應電流之間的幅值關系，得到了激光角分辨率在30°時滿足探測需求。在實驗中得知，為了實現激光方向全方位的探測，需要在偏振角度劃分為每20°時將最小識別電壓設定為20mv。

【關鍵詞】激光告警;偏振編碼;光纖天線;傳能光纖

1.引言

激光偵察、測距以及激光制導武器等在軍事上的成功應用加速了世界上各軍事強國和集團對激光預警接收系統的研制和應用。而為了能夠有效預防激光制導武器對目標的精確打擊，新型激光預警接收器系統的研制成為了急需研究的課題。并且，光電對抗也在現代戰爭中發揮著越來越重要的作用，而光電偵察與告警技術則是光電對抗及其重要的組成部分，作為激光告警中的重要組成，來襲激光方向的探測已被廣泛的研究。

目前成像型、掩模編碼型和多窗口探測型成為了激光方向測量方法三種通常方法。三種方法各有優缺點，成像型方法采用多源面陣探測器，但反應速度慢，且測量精度還會受到探測器是否均勻的制約掩模編碼型方法易受大氣影響，且探測范圍的大小只能小于受大氣影響的菲涅爾尺度;而多窗口探測型方法的光學窗口與探測器較多，儀器體積大，信號處理與設備維護比較復雜。

2.方案設計

2.1 基本原理

偏振編碼型光纖天線是采用多窗口探測大視場的形式，結合簡單穩定的結構思想，通過大數值孔徑的傳能光纖將兩種方法結合起來形成的。這種方法是將不同起偏角的偏振片放置在不同的方向上然后進行編碼，通過聚焦準直透鏡組將耦合成一束光纖的各方向上光纖射出的經過偏振片激光變為大致平行的光，將對某一波長反射程度較高的反射鏡放置在平行光上，在該反射鏡后面放置一對該波長的1/2分束鏡將反射光束分成兩束，將兩片偏振方向互相垂直的偏振片各放置在兩束光后，并在其后面各放置一個探測器。這樣來襲激光的方向就可以由經過運算電路進行偏振解碼的探測器輸出信號得知。

圖1 偏振編碼光纖天線的探測原理示意圖

2.2 結構設計

如圖1所示為偏振編碼光纖天線，天線頂部的各個方向上有一個特定的偏振片作為編碼方向與激光的入射角度形成一一對應關系;為了使光纖的視場與探測視場能夠進行匹配，偏振片需要與對應角度為±27.38o的大數值孔徑（0.46±0.01）傳能光纖進行耦合;再由探測器1、2分別檢測經雙折射棱鏡進行分光的由16根光纖耦合并與準直透鏡組耦合射出的近似平行光光強，激光入射方向最終經判斷電路分析得知。

為了使每個方向的來襲光都會有一個相應的偏振方向與之對應，需要利用偏振片對各個窗口上的來襲激光進行偏振編碼，當激光從某一個方向來襲時，兩個探測器將會分別有兩種不同的光（一束為尋常光一束為非尋常光）從渦拉斯頓棱鏡中射入。

2.3 對探測器靈敏度的分析

探測器選用了包含激光告警中幾個重要的探測器波長（0.85um，1.06um）的YSPD728-G型PIN光電二極管，響應光譜為500nm-1600nm。響應時間為滿足通用脈沖激光脈寬要求10ns的1ns。對5km遠處發散角為2mrad的激光器（功率為1MW）發出的激光進行告警，則在單位面積功率為12700W、光敏面為300um的探測器上得到初始入射的激光功率為3.59mW，根據0.85A/W的探測器響應度，可得知當探測器上接收到激光直接照射時，得到的響應電流為3.05mA。由上式可知，當加入偏振片后能量衰減最強位置的能量約為出始能量的1/4，這時可以得到大約為0.765的響應電流，判斷電路能夠將其進行區分。

3.實驗

3.1 實驗系統的描述

若室內有自然光，將偏振片放置在傳能光纖頂端，讓光纖尾部射出的激光透過透鏡照射在探測器上，觀察與探測器輸出引腳相連的示波器是否有探測波形顯示出來，選用波長為的850nm激光器，更換不同偏振角度的偏振片重復多次實驗。

3.2 結果與分析

若偏振片的起偏角度發生變化（從0o到360o），為了驗證這種方法的可行性，觀察并找到與偏振角度對應的電檢測器輸出時的電壓變化范圍，觀察并找到與偏振角度對應的電檢測器輸出時的電壓變化范圍，若所有的電壓變化都超過了一定的閾值電壓則認為任意方向上的偏振光都可以被檢測到。

對于采集的電壓信號的波形完整性這里并不需要保證其完整，而只需要檢測到有相應的脈沖信號即可，因為電路本身只需要有相應的高電平就可以對激光信號的有無進行判斷，所以對偏振角度、激光方向等情況造成的信號失真情況并不關心。表1為探測該波長激光器對應的各個偏振角的探檢測電壓。

表1中的“-”表示沒有采用的偏振角度，也就是2.1中提到的激光能量衰減最強的位置，在任意光源中都能找到一對衰減區域最強的對稱位置，將其舍去，并以此位置為原點分別向左右各旋轉20o作為起偏角的起始和結束位置。從上表中可以看出電壓變化率較慢的是在接近最弱和最強的位置時，而變化較快的是中間位置，接近正弦變化。偏振角度每變化10o與之對應的電壓就變化1020mV，并且奇異點的變化并不明顯。在能量最強衰減偏振角度附近的電壓除660nm在0o和220o的兩組數據低于20mV外（分別為19.45mV和19.89mV），其余各組均高于20mV，但這兩組數據也都近似于20mV，所以當系統最小的識別電壓為20mV時，偏振光都可以在任何入射方向時被檢測到。兩組實驗中YSPD728-G型光電探測器在850nm處的光譜響應優于660nm處光譜響應，是850nm激光器的探測效果略優于660nm激光器的效果的主要原因。

綜上所述，由以上實驗表明若在最小識別電壓為20mv的條件下，能量衰減最強處仍然能夠檢測到一個大于閾值電壓的信號，激光告警機的光接受部位才會采用基于偏振編碼的光纖天線。

4.結論

本文提出了基于偏振編碼原理的光纖天線型激光方向測量方法。對激光方向的辨別方法進行了分析，并推導出偏振角和激光能量兩者間的函數關系。并通過模擬驗證了在每20°偏振角度（共18組）的編碼，除去一組最弱的對稱值外，得到的其它16組光強響應仍大于一定閾值。實驗顯示，為了證明這種方法的可行程度，需要滿足在能量衰減最強位置附近的兩組電壓值都基本處于20mV的閾值范圍，并且其他位置的數值全部大于此值。

參考文獻

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