基于微透鏡陣列的激光引信抗氣溶膠干擾方法

【光學工程與電子技術】

基于微透鏡陣列的激光引信抗氣溶膠干擾方法

喬欣，黃崢，陳遵田，崔景霖，唐輝

(西安機電信息技術研究所，西安710065)

摘要：為了提高大視場激光引信抗氣溶膠環境干擾的能力，提出基于微透鏡陣列的激光引信抗氣溶膠干擾方法，就是在大視場激光引信中，通過微透鏡陣列對激光發射光束進行分束，形成離散化照明光束，在保持引信所要求的探測視場前提下，壓縮發射光束光斑截面尺寸，以增強目標回波功率、減小煙霧等氣溶膠后向散射干擾，提升信噪比，從而提高激光引信抗氣溶膠環境干擾的能力；仿真結果表明：激光發射光束從泛光照明改為離散化照明后，煙霧氣溶膠后向散射干擾明顯減小，同時目標回波功率也有一定的提升，提升了信噪比，從而可以提高激光引信抗煙霧等氣溶膠干擾的能力。

關鍵詞：激光引信；抗氣溶膠干擾；微透鏡陣列；離散光束

收稿日期：2015-02-18

作者簡介：喬欣(1990—)，男，碩士研究生，主要從事激光引信研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.033

中圖分類號：E928.9

文章編號：1006-0707(2015)09-0131-05

本文引用格式：喬欣，黃崢，陳遵田，等.基于微透鏡陣列的激光引信抗氣溶膠干擾方法[J].四川兵工學報，2015(9):131-135.

Citationformat:QIAOXin,HUANGZheng,CHENZun-tian,etal.Anti-InterferenceMethodofLaserFuzeinAerosolBasedonMicrolensArray[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(9):131-135.

Anti-InterferenceMethodofLaserFuzeinAerosol

BasedonMicrolensArray

QIAOXin,HUANGZheng,CHENZun-tian,CUIJing-lin,TANGHui

(Xi’anInstituteofElectromechanicalInformationTechnology,Xi’an710065,China)

Abstract:An anti-interference method of laser fuze in aerosol based on microlens array was put forward to improve the ability of anti-interference of large field laser fuze. The laser beam of large field laser fuze was splited by microlens array and became discrete laser beams. In the premise of maintaining the fuze detection field required, compressing the spot section size of laser beam, we aimed to enhance target echo power and reduce the smoke aerosol backscatter interference, and then enhanced the signal-noise ratio to improve the ability of anti-interference of large field laser fuze in aerosol environment. The results of the simulations showed that after laser beam becoming discrete beams illumination from floodlighting, the smoke aerosol backscatter interference significantly reduced and the target echo power had a bit of promotion at the same time, so that the signal-noise ratio was enhanced.Therefore, the mothed could improve the ability of anti-interference of large field laser fuze in aerosol environment.

Keywords:laserfuze;anti-interferenceinaerosol;microlensarray;discretebeams

對空武器的激光引信通常采用周視或其他形式的大視場設計來提高引信對目標的捕獲能力[1]。目前，大視場激光引信一般采用柱面透鏡或菲涅爾透鏡配合其他通用光學元件[2]，對激光器所發射的光束進行擴束處理，以泛光照明[3]來增大視場角實現激光引信的大視場探測。泛光照明光束在增大激光引信探測視場的同時，也帶來對氣溶膠環境適應性方面的問題。泛光照射光束發散角較大，形成光能量連續分布的扇形發射光束，因而在物體上形成的照射光斑面積大，如果照射到煙塵云霧等氣溶膠介質上，由于光斑大則參與光散射的氣溶膠粒子數目多，因而泛光照明所產生的后向散射干擾光功率強。戰場環境下，激光引信遇到的煙霧等氣溶膠濃度一般較大，當目標處于這種環境中時，引信接收信噪比迅速下降，導致大視場激光引信對目標探測能力降低[4]，甚至造成激光引信虛警概率增加。為了提高大視場激光引信抗氣溶膠環境干擾的能力，本文提出了基于微透鏡陣列的激光引信抗氣溶膠干擾方法。

1泛光照明在氣溶膠中的傳輸特性

激光引信在采用泛光照明時，要求激光引信發射系統的發射光束具有較大的發散角，形成光能量連續分布的扇形發射光束，從而確保對目標的有效探測。目前，激光引信主要采用半導體激光器作為光源[5]，其本身有快軸(垂直于PN結平面)和慢軸(平行于于PN結平面)之分。半導體激光器快軸方向的發散角較大(一般30°～40°)，慢軸方向的發散角較小(一般6°～15°)，為了產生扇形發射光束，需對快軸方向進行擴束，對慢軸方向進行壓縮，采用弧氏面正交的兩個柱面鏡組成的光學系統，光學系統結構示意圖見圖1。

圖1　泛光照明光學系統結構示意圖

激光引信采用泛光照明在增大探測視場的同時，也使激光光束的照射面積增大，單位面積上的能量密度降低。在光傳輸過程中，如果遇到煙霧等氣溶膠介質時，煙霧等氣溶膠對激光光束的散射和透射與光束的截面有很大的關系。煙霧氣溶膠的后向散射能量隨激光光束的照射面積增大而迅速增大。

激光器發出一束激光在氣溶膠中傳播，設發射激光探測視場較大的弧矢面發散角為φ，探測視場較小的子午面發散角為γ，接收系統的視場角為ψ。激光泛光探測模型如圖2所示。

設dξ為大視場中一目標散射單元，激光器距該點距離為R/cosξ。假設目標反射率ρ在各方向上均相同，則發射視場范圍內激光能量均勻分布[6]，即Pr=Pt/φ=C為常數。若發散角為φ的泛光照明從角度ξ1到ξ2的光落在目標上，其探測功率可看作dξ從ξ1到ξ2的積分，此時目標回波功率為

(1)

式(1)中：Pr為接收目標回波功率；Pt為發射功率；ρ為目標反射率；D為接收系統通光口徑；τs(λ)為激光單程大氣透過率；ηs1為泛光照明系統效率；R為激光器距目標距離。

圖2　激光泛光探測模型

2激光引信抗氣溶膠干擾方法

2.1激光光束離散化方法

對激光發射部件加以改進，將泛光照明改為離散的細光束照明，光束以不同的發射角均勻填滿扇形區域，相鄰光束之間的夾角需要根據引信所要探測的目標及探測距離等因素合理設計，以確保在引信所要求的作用距離內不漏掉目標為原則。

激光光束離散化的方法是以微透鏡陣列代替泛光照明所采用的柱面鏡對激光光束進行調理。基于微透鏡陣列的激光分束系統由擴束鏡、微透鏡陣列、聚焦透鏡組成，如圖3所示。采用微透鏡陣列對發射光束進行離散化調理前，首先需要對半導體激光器發射光束進行預處理，壓縮激光發散角，并進行擴束準直，以使入射到微透鏡陣列的激光波束波前為平面波，微透鏡陣列的出射光束形成一維陣列分布的離散化細光束，再經過聚焦透鏡進一步擴展為具有一定發散角度的扇形光束。

圖3　激光分束光學系統示意圖

經過微透鏡陣列調理的激光發射光束為呈輻條狀密集分布的一系列細光束，既保持了足夠大的探測視場，同時將激光光束能量高度集中在一系列離散的細光束上，減小了激光光束的照射面積，從而提高激光功率密度。離散光束照明示意圖如圖4所示。

圖4　離散光束照明示意圖

2.2離散光束氣溶膠傳輸特性

激光在氣溶膠中的傳輸示意圖如圖5所示。

圖5　激光在氣溶膠中傳輸示意圖

考慮對空武器激光引信大視場探測的特點，其后向散射光功率根據文獻[7]所報道小視場情況下的算法模型，針對引信大視場探測的應用場合，對現有算法模型進行改進，形成考慮發射激光脈沖寬度、光束截面因子的氣溶膠后向散射模型

(2)

式(2)中：Pb為接收到得氣溶膠后向散射功率；l為激光器距目標距離；h為激光器距氣溶膠邊緣距離；z為氣溶膠邊緣距目標距離；δl為激光在氣溶膠中的單程損耗系數；βsc為體散射系數；P(π)為角度為π時的散射相函數；c為光速；Δt為發射激光脈沖寬度；S(l)為發射視場與接收視場的相交部分在l處垂直于接收軸線的公共部分面積。式(2)的計算模型中，氣溶膠的后向散射功率與激光發射光束照射到氣溶膠上的光斑面積有關。

利用離散光束在氣溶膠中探測目標時，若θt為發射激光子光束的發散角，且子光束能量均勻，目標回波功率可用如下模型計算

(3)

式(3)中：Pri為激光器照射到目標的單個子光束的目標回波功率；As為離散子光束照射到目標的有效反射面積；ξi為激光器照射到目標的子光束入射角；p為激光點陣列數；q為激光器照射到目標的激光光束條數。

基于微透鏡陣列的激光引信抗氣溶膠干擾方法，是指在大視場激光引信中，通過微透鏡陣列對激光發射光束進行分束，形成離散化照明光束，在保持引信所要求的探測視場前提下，壓縮發射光束光斑截面尺寸，以增強目標回波功率、減小煙霧氣溶膠后向散射干擾，提升信噪比，從而提高激光引信抗氣溶膠環境干擾的能力。

3仿真驗證

以典型的煙霧氣溶膠為例，根據式(1)～式(3)，用Matlab軟件編程進行仿真計算，給出煙霧氣溶膠后向散射功率隨目標光斑截面積變化關系、目標回波功率隨目標光斑截面積變化關系，對比了泛光照明和離散光束照明在煙霧氣溶膠中傳輸時的后向散射功率和目標回波功率。

大多數的粒子尺度分布服從對數正態分布[8]，即

(4)

煙霧氣溶膠粒子在激光波長λ為0.85 μm處所對應的幾何平均半徑rm=0.47 μm，方差δ=2.2，復折射率[9]n=1.53+0.008i。由α=2πrm/λ，可求出尺度參數α。

仿真計算中，取相關參數值如表1所示。由表1，取探測距離R=8 m時，可求得泛光照明目標光斑截面積S1=0.119 m2，離散光束照明目標光斑截面積S2=0.003 m2。

煙霧氣溶膠后向散射功率隨目標光斑截面積變化關系見圖6。

表1　仿真實驗相關參數

圖6　煙霧后向散射功率隨目標光斑截面積變化關系

目標回波功率隨目標光斑截面積變化關系見圖7。

上述計算是選取典型能見度為300 m的情況。由圖6可以看出，隨著光斑截面積的增大，光探測器所接收到的煙霧氣溶膠的后向散射功率因此隨之增加。由圖7可以看出，隨著光斑截面積的增大，光探測器所接收到的目標回波功率因此隨之減小。

圖7　目標回波功率隨目標光斑截面積變化關系

圖8中為不同形態激光束在煙霧氣溶膠中后向散射功率的比較。由圖8可知，隨著能見度的降低，煙霧氣溶膠中的不同形態激光束后向散射功率也隨之降低。但是，在同等能見度條件下，泛光照明在煙霧氣溶膠中的后向散射功率顯著高于基于微透鏡陣列的離散光束的后向散射功率。不同能見度下兩種形態激光束煙霧氣溶膠后向散射功率具體仿真數據對比如表2所示。

圖8　不同形態激光束煙霧后向散射功率比較

能見度/m泛光照明后向散射功率/W離散光束照明后向散射功率/W104.70×10-31.52×10-4307.03×10-79.47×10-10501.87×10-72.52×10-101008.42×10-81.13×10-105001.68×10-82.27×10-11

從表2中可以看出，在5種不同的能見度下，泛光照明的煙霧氣溶膠后向散射功率要比基于微透鏡陣列的離散光束照明的煙霧氣溶膠后向散射功率最少高出一個數量級以上，即基于微透鏡陣列的離散光束照明接收到的煙霧氣溶膠后向散射噪聲遠遠小于泛光照明所接收到的。

圖9中為在能見度為300 m的情況下，不同形態激光束的目標回波功率比較。由圖9可知，在引信所涉及的近場探測條件下(一般考慮探測距離小于50 m的情況)，兩種類型激光束的目標回波功率均隨目標距離增大而降低，引信探測器接收到的泛光照明的目標回波功率始終小于基于微透鏡陣列的離散光束的目標回波功率。不同能見度下兩種形態激光束目標回波功率對比如表3所示。

圖9　不同形態激光束目標回波功率比較

能見度/m泛光照明目標回波功率/W離散光束照明目標回波功率/W101.43×10-66.90×10-6301.77×10-58.53×10-5502.04×10-59.86×10-51002.08×10-51.00×10-43002.81×10-51.01×10-4

從表3可以看出，當探測距離R=8 m時，基于微透鏡陣列的離散光束照明目標回波功率略大于泛光照明的目標回波功率。當能見度超過50 m時，兩種照明方式的回波信號變化都趨于緩慢。

從仿真驗證結果可以看出，激光引信采用離散光束照明后，發射光束的光斑截面積從S1=0.119 m2減小到S2=0.003 m2，在100 m的煙霧氣溶膠能見度條件下，離散光束照明的煙霧氣溶膠后向散射功率為1.13×10-10W <8.42×10-8W，比泛光照明顯著減小，在200 m、300 m、400 m、500 m的能見度條件下，煙霧氣溶膠的后向散射光功率均比泛光照明顯著減小；同時，在10m的能見度條件下，離散光束照明的目標回波功率為6.90×10-6W>1.43×10-6W，比泛光照明略有提升，在30 m、50 m、100 m、300 m的能見度條件下，目標回波功率均比泛光照明條件下略強，信噪比得到提升，從而可以提高激光引信抗煙霧等氣溶膠干擾的能力。

4結論

本文提出了基于微透鏡陣列的激光引信抗氣溶膠干擾方法。該方法采用微透鏡陣列對發射光束進行離散化調理，在保持引信所要求的探測視場前提下，壓縮發射光束光斑截面尺寸，以增強目標回波功率、減小煙霧等氣溶膠后向散射干擾，從而提升信噪比。通過仿真計算表明：激光發射光束從泛光照明改為離散化照明后，煙霧氣溶膠后向散射干擾明顯減小，同時目標回波功率也有一定的提升，信噪比得到提升，從而可以提高激光引信抗煙霧等氣溶膠干擾的能力。

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(責任編輯楊繼森)