陽光背景下小口徑激光引信探測性能研究

沈成方，張祥金，張 合

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

【光學(xué)工程與電子技術(shù)】

陽光背景下小口徑激光引信探測性能研究

沈成方，張祥金，張 合

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

為了研究陽光輻射對小口徑激光引信探測性能的影響，結(jié)合大氣陽光輻射傳輸理論和噪聲產(chǎn)生機(jī)理，建立了光電探測器表面陽光輻射功率模型和系統(tǒng)信噪比模型；分析了激光探測裝置和探測目標(biāo)不同空間位置以及系統(tǒng)帶寬對系統(tǒng)性能的影響；結(jié)果表明：探測目標(biāo)與探測裝置的空間位置對系統(tǒng)探測性能具有不同的影響：系統(tǒng)信噪比隨著接收裝置表面傾斜角θ增大而增強(qiáng)，當(dāng)θ<0.4 rad時，系統(tǒng)信噪比SNR<5；當(dāng)探測距離大于10 m時，信噪比基本為0，激光探測系統(tǒng)失效；目標(biāo)表面傾斜角γ越小對系統(tǒng)的影響越大，當(dāng)γ=0.6 rad時，系統(tǒng)最大信噪比僅為12；選取合適的接收系統(tǒng)帶寬對激光引信抗陽光干擾和信號接收有著重要的作用；該結(jié)果為提高系統(tǒng)探測性能提供了一定的依據(jù)。

激光技術(shù)；陽光干擾；建模與仿真；空間位置；探測性能

相對于傳統(tǒng)的光電引信，激光引信具有主動性好、方向性強(qiáng)和不易受電子干擾等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于常規(guī)彈藥武器中。小口徑常規(guī)彈藥用激光近炸引信由于受到結(jié)構(gòu)和尺寸的限制，導(dǎo)致激光探測發(fā)射功率較小。陽光輻射背景光進(jìn)入探測視場，陽光光子隨機(jī)漲落，在光電探測器上不僅產(chǎn)生光電流，同時伴隨產(chǎn)生類似于白噪聲的散粒噪聲。

國內(nèi)外研究人員對激光成像型系統(tǒng)陽光輻射干擾問題進(jìn)行相關(guān)研究，而對于激光主動非成像探測系統(tǒng)陽光輻射干擾問題的研究較少。董紅軍等[1]研究了陽光對成像型天基激光告警系統(tǒng)的影響；張龍紀(jì)等[2]建立了陽光輻射下激光告警機(jī)接收信噪比的模型；郭渭榮等[3]分析了不同角度下散射太陽光對光電探測器的干擾，但并未評估系統(tǒng)性能；耿天琪等[4]分析了激光主動偵測系統(tǒng)探測能力，對于陽光輻射對系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾未進(jìn)行深入研究。以上研究并未深入研究陽光輻射強(qiáng)度、探測系統(tǒng)與目標(biāo)空間位置的不同對探測系統(tǒng)性能的影響。

本文通過建立激光探測器表面陽光輻射功率和陽光輻射下接收系統(tǒng)信噪比數(shù)學(xué)模型，結(jié)合探測系統(tǒng)與探測目標(biāo)空間位置的不同，定量分析陽光輻射對小孔徑激光引信探測系統(tǒng)的性能影響，為探測系統(tǒng)抗陽光干擾提供一定的理論依據(jù)。

1 小型化激光引信系統(tǒng)工作原理

小型化激光引信工作原理如圖1所示。

圖1 小口徑激光探測原理圖

激光近炸引信采取脈沖激光進(jìn)行探測目標(biāo)，可用脈沖測距方程描述信號的回波功率與發(fā)射功率、傳輸介質(zhì)衰減系數(shù)、目標(biāo)特性、光束發(fā)散角、接收視場角、透鏡透過率等之間的關(guān)系[5]:

(1)

式(1)中:Pr為接收到的回波功率；Pt為激光器的峰值功率；Ke為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)效率；Kr為接收光學(xué)系統(tǒng)效率；Ar為接收機(jī)光學(xué)系統(tǒng)孔徑面積；ρ為目標(biāo)反射率；β為目標(biāo)反射表面法線與光軸之間的夾角；S為激光器到目標(biāo)的距離；α(r)為距激光器r處的大氣衰減系數(shù)。

激光回波能量產(chǎn)生的光電流可用下式表達(dá)：

ir=RλPr

(2)

2 太陽輻射功率模型

2.1 傾斜面上太陽輻射功率模型

太陽是一個溫度和輻射波長不同的復(fù)雜輻射體，在實(shí)際計(jì)算中，常把太陽輻射看作溫度恒為 5 900 K 的黑體輻射，并以直射、散射和反射3種形式到達(dá)地面。影響地面接收到的太陽輻射因子主要包括太陽赤緯角δ、太陽高度角h、太陽方位角α、日地距離R等。

根據(jù)經(jīng)典太陽輻射HOTTEL模型[6-7]，太陽水平面瞬時總輻射為直接輻射量Ecb和散射輻射量Ecd。

為定量分析探測器噪聲提供更加準(zhǔn)確的數(shù)值仿真模型，結(jié)合炮彈的實(shí)際彈道情況，建立傾斜面陽光輻射功率模型，模型示意圖如圖2所示。

圖2 傾斜面陽光輻射示意圖

圖2中，θ為傾斜面與水平面之間的夾角，r為斜面方位角，i為太陽入射角。

太陽入射角i表達(dá)式：

cosi=cosθsinh+sinθcoshcos(a-r)

(3)

傾斜面上太陽直接輻射量Ecb(θ,r)和太陽散射輻射量Ecd(θ,r)表達(dá)式：

Ecb(θ,r)=Ecb·cosi

(4)

Ecd(θ,r)=Ecd·(1+cosθ)/2

(5)

太陽總輻射量表達(dá)式：

E(θ,r)=Ecb(θ,r)+Ecd(θ,r)

(6)

以2016年7月中旬中午12點(diǎn)正對南方為例，傾斜面上陽光輻射功率隨θ變化曲線如圖3所示。

圖3 傾斜面上太陽輻射功率隨傾斜面角度變化曲線

由圖3可知，太陽輻射功率在6、7、8月份較強(qiáng)，最高可達(dá)到900 W·m-2，相反在其他月份陽光輻射強(qiáng)度較弱，因此文章主要針對夏季太陽輻射功率對激光探測系統(tǒng)的性能影響研究。在同一時刻，傾斜面上的陽光輻射強(qiáng)度是隨著θ變化的，且在某一傾斜角處，存在最大陽光輻射功率；由圖4可知，該傾斜角隨著太陽時的增大而增大，尤其是在下午時刻，其傾斜角度與一般彈道仰角十分相符，陽光直接入射接收系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲會影響系統(tǒng)信噪比、虛警率、探測概率等，使得炮彈不能精準(zhǔn)命中目標(biāo)，減小對目標(biāo)的毀壞程度。

圖4 不同太陽時傾斜面上陽光輻射功率變化曲線

2.2 高負(fù)載發(fā)射環(huán)境下光電探測器表面陽光入射光功率

炮彈發(fā)射是通過底火引燃彈體內(nèi)的炸藥瞬間形成高壓氣體推動彈體獲取動能，作用時間一般為毫秒級別，從而導(dǎo)致彈體受到幾萬G量級的反作用力。激光引信系統(tǒng)在受到高沖擊力時，整個系統(tǒng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)射與接收系統(tǒng)組件會發(fā)生形變，從而影響探測系統(tǒng)性能。GAN等[8]研究了非線性發(fā)射過載對激光引信光學(xué)接收系統(tǒng)的影響，并設(shè)計(jì)出一種新型緩沖結(jié)構(gòu)接收系統(tǒng)光學(xué)，其減振效果良好。綜合考慮探測系統(tǒng)工作環(huán)境，結(jié)合式(4)、式(5)、式(6)得到光電探測器表面陽光輻射功率表達(dá)式：

(7)

式(7)中:D為接收系統(tǒng)孔徑，Ω為接收視場，kλ為濾光片光譜能量透過率，ηr為接收光學(xué)系統(tǒng)透過率，κ1為高負(fù)載發(fā)射環(huán)境修正系數(shù)，κ2為光敏面光通量占比，k3為在高溫環(huán)境下濾光片峰值波長修正系數(shù)。

其中kλ=P2/P1，取0.1。P1為未加濾光片的陽光功率，P2為加濾光片之后的陽光功率。利用陽光功率計(jì)測得的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

3 信噪比模型

接收系統(tǒng)的噪聲電流主要由光電探測器的量子噪聲、熱噪聲以及暗噪聲組成，其中量子噪聲也稱作散粒噪聲[9-10]。

光電探測器的熱噪聲是由電阻內(nèi)部自由電子或電荷載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動引起的，故與溫度有關(guān)，有外電場存在時，載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動迭加在有規(guī)則的定向運(yùn)動之上，形成噪聲。若光電探測器的輸出電阻為R，其熱噪聲電流為

(8)

其中，k為波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K，T為溫度，Δf為噪聲等效帶寬，R為等效源輸入阻抗。

表1 濾光片能量透過率

光電轉(zhuǎn)換過程是一個光電子計(jì)數(shù)的隨機(jī)過程，由于載流子隨機(jī)起伏所形成的噪聲稱為散粒噪聲，散粒噪聲電流表達(dá)式如下[11]:

(9)

式(9)中，q為電子電荷，η為量子效率，io為器件輸出平均電流，Δf為噪聲等效帶寬，PIN管M值取1。式(9)中io由探測器光敏面上接收到的光照產(chǎn)生，包括信號光功率Pr和背景光功率Ps(主要為陽光輻射光功率)。

光敏管暗電流噪聲電流表達(dá)式如下：

(10)

信噪比(SNR) 是衡量系統(tǒng)探測能力的重要指標(biāo)。結(jié)合式(8)、式(9)、式(10)可知系統(tǒng)信噪比表達(dá)式如下：

(11)

4 陽光輻射下系統(tǒng)探測性能分析

分析式(6)、(11)可知，系統(tǒng)的探測性能受太陽輻射功率，接收裝置表面傾斜角，光學(xué)系統(tǒng)的有效接收面積，系統(tǒng)帶寬，濾光片性能，光電探測器性能，散粒噪聲、暗電流等參數(shù)的影響。下面重點(diǎn)分析在陽光輻射下接收裝置與探測目標(biāo)空間位置以及系統(tǒng)帶寬對激光探測系統(tǒng)性能影響。

4.1 接收表面傾斜度對信噪比的影響

由于接收系統(tǒng)采用PIN光電探測器，其暗電流和熱噪聲大小相比較于陽光直射產(chǎn)生的散粒噪聲可以忽略不計(jì)，噪聲總量可以用散粒噪聲表示。在激光發(fā)射功率為75 W、目標(biāo)靶面傾斜度為68°、接收系統(tǒng)閾值一定的情況下，探測距離不同時，系統(tǒng)信噪比SNR隨θ變化曲線如圖5所示。

圖5 不同距離下系統(tǒng)信噪比隨傾斜角變化曲線

從圖5可知，探測距離一定時，信噪比隨著θ增大而增強(qiáng)，當(dāng)θ<0.4時，陽光輻射對探測系統(tǒng)的影響較大，系統(tǒng)信噪比SNR<5；隨著探測距離S的增大，接收系統(tǒng)接收到的回波能量較弱，而傾斜面上的陽光輻射量可能達(dá)到最大值，導(dǎo)致激光探測系統(tǒng)信噪比急劇下降，圖5明顯看出，當(dāng)探測距離S>10 m時，SNR趨于零，探測系統(tǒng)失效。

4.2 探測裝置與探測目標(biāo)不同空間位置對信噪比的影響

當(dāng)陽光輻射強(qiáng)度較大時，需要考慮探測目標(biāo)表面的傾斜角度對激光探測系統(tǒng)的影響，假設(shè)探測距離S=5 m，其他條件不變的情況下，探測裝置與探測目標(biāo)不同空間位置對激光探測系統(tǒng)的性能影響如圖6所示。

圖6 不同目標(biāo)表面傾斜角下系統(tǒng)信噪比隨傾斜角變化曲線

從圖6可知，當(dāng)目標(biāo)表面傾斜角γ越小，探測裝置的空間位置對SNR影響越大；目標(biāo)垂直地面時，其影響基本呈線性關(guān)系，隨著γ變小，SNR呈非線性變化；當(dāng)γ=0.6時，其最大信噪比僅為12，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需要考慮該影響因素以提高探測系統(tǒng)性能。

4.3 陽光輻射下噪聲等效帶寬對信噪比的影響

激光接收系統(tǒng)的增益及噪聲等效帶寬Δf直接影響系統(tǒng)性能，對于響應(yīng)度較低的PIN管，陽光輻射對接收系統(tǒng)影響較大。探測距離不同時，噪聲等效帶寬對信噪比的影響如圖7所示。

圖7 噪聲等效帶寬對系統(tǒng)信噪比影響曲線

從圖7可知，當(dāng)探測距離一定時，噪聲等效帶寬對接收系統(tǒng)的影響較大，噪聲等效帶寬越小，系統(tǒng)信噪比越高，并且與探測距離呈非線性關(guān)系。然而噪聲等效帶寬很窄時，接收系統(tǒng)與回波脈沖信號不匹配，導(dǎo)致回波信號失真，從而影響探測系統(tǒng)的性能。因此選取合適的噪聲等效帶寬對激光引信抗陽光干擾和信號接收有著重要的作用。

5 結(jié)論

根據(jù)探測裝置和探測目標(biāo)的空間位置不同建立了探測器表面陽光輻射功率模型以及系統(tǒng)信噪比模型，定量分析了不同距離、探測裝置與目標(biāo)表空間位置以及不同噪聲等效帶寬對系統(tǒng)信噪比的影響。由此得出，小口徑常規(guī)彈藥用激光引信存在陽光直接進(jìn)入接收系統(tǒng)的情況，其成為系統(tǒng)主要噪聲來源；接收表面傾斜角θ與系統(tǒng)信噪比(SNR)正相關(guān)，與探測距離S呈負(fù)相關(guān)；目標(biāo)表面傾斜角γ對系統(tǒng)信噪比影響呈非線性關(guān)系，當(dāng)γ>0.785 rad時，其變化曲線出現(xiàn)峰值點(diǎn)；在陽光輻射下，探測距離S一定，接收系統(tǒng)帶寬Δf越小，系統(tǒng)信噪比(SNR)越高，選取合適的噪聲等效帶寬對激光引信抗陽光干擾和信號接收有著重要的作用。

[1] 董紅軍,周中亮.太陽對成像型天基激光告警系統(tǒng)的影響[J].光子學(xué)報(bào),2011,40(3):387-392.

[2] 張記龍,田二明,李曉,等.太陽輻射對相干激光告警接收機(jī)信噪比影響的理論分析[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2007(2):265-275..

[3] 郭渭榮,栗蘋,陳慧敏,等.不同角度下散射太陽光對光電探測器的干擾[J].探測與控制學(xué)報(bào),2009,31(1):41-45.

[4] 耿天琪,牛燕雄,張穎,等.激光主動偵測系統(tǒng)探測能力分析[J].激光技術(shù),2015,39(6):829-833.

[5] 趙 琦,樊紅英,李軼國,等.大能量中空光束大氣傳輸?shù)姆抡媾c實(shí)驗(yàn)比對研究[J].激光術(shù)術(shù),2014,38(4):542-545.

[6] 徐青山,藏海祥,卞海紅.太陽輻射實(shí)用模型的建立與可行性研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2011,32(8):1180-1185.

[7] 蘇成博,張新燕,陸錦睿.烏魯木齊地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度分析[J].電力學(xué)報(bào),2013,28(5):392-396.

[8] 甘霖,張合,張祥金,等.非線性發(fā)射過載對激光引信光學(xué)接收系統(tǒng)的影響[J].紅外與激光工程,2013,42(9):2364-2369.

[9] 于海山，任宏光，霍力君，等.考慮時間因子的激光引信目標(biāo)散射回波建模方法[J].探測與控制學(xué)報(bào)，2015(4):11-15.

[10]安毓英.光電探測原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[11]張穎,牛燕雄,楊露,等星載光電成像系統(tǒng)探測能力分析與研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(1):1-6.

[12]陳慧敏，劉洋，朱雄偉，等.調(diào)頻連續(xù)波激光引信回波特性仿真分析[J].兵工學(xué)報(bào)，2015(12):2247-2253.

(責(zé)任編輯楊繼森)

Research on Detection Performance of Small Caliber Laser Fuze Under the Sunlight

SHEN Cheng-fang，ZHANG Xiang-jin，ZHANG He

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to study the influence of the solar radiation on the detection performance of small caliber laser fuze, based on the theory of atmospheric radiation transmission and the mechanism of noise generation, the model of the solar radiation power and the system signal to noise ratio(SNR) were established. The influence of different spatial position and system bandwidth on the system performance was analyzed. The results show that the spatial location of the target and the detecting device has different influence on the system performance: SNR is enhanced with the increase of the inclination angle of the receiving device, and when theθ<0.4 rad, theSNR<5; and when the detection distance is greater than 10 m, the SNR is 0, and there is the failure of the laser detection system; The influence of target surface inclination angle on the system is larger, when the γ=0.6 rad, and the maximum system SNR is only 12; It is important to select appropriate receiving system bandwidth for the anti sunlight interference and signal reception of laser fuze. The results provide a basis for improving the detection performance of the system.

laser technique; sunlight interference; modeling and simulation; spatial location; detection capability

2016-07-23；

沈成方(1990—)，男，碩士研究生，主要從事光學(xué)工程與電子技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2016.12.033

沈成方,張祥金，張合.陽光背景下小口徑激光引信探測性能研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(12):145-149.

format:SHEN Cheng-fang，ZHANG Xiang-jin，ZHANG He.Research on Detection Performance of Small Caliber Laser Fuze Under the Sunlight [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):145-149.

TN249

A

2096-2304(2016)12-0145-05

修回日期：2016-08-30