雙色激光共軸近場探測系統設計

摘要：雙色技術是激光目標探測系統常用的提高目標探測和抗干擾能力的手段之一。針對空空導彈激光引信的使用要求和面臨的主要問題，提出了雙色激光共軸近場探測系統的設計方法，解決了共軸光學系統和雙色發射、接收電路等關鍵技術，加工裝配完成了探測系統樣機，并進行了探測性能試驗和抗干擾試驗。試驗表明，雙色激光能有效識別云霧、煙霧等氣溶膠類干擾。

關鍵詞：近炸引信；雙色激光；探測系統；抗干擾

中圖分類號：TJ43+9.2 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）02-0032-03

0、引言

激光引信是導彈武器系統常用的末端探測方式之一。相比其他探測機制，激光引信具有精度高、體積小、成本低等優勢，但在戰場環境中易受到空中云霧和近地戰場煙霧的影響，情況嚴重時會導致虛警，使裝備激光引信的導彈武器系統喪失作戰能力。

雙色技術是激光目標探測系統常用的提高目標探測和抗干擾能力的手段之一。理論研究和原理l生試驗結果表明：利用不同波長激光對干擾物后向散射能力的差異進行抗干擾是可行的。

為解決激光引信抗云霧、煙霧干擾能力不足的缺陷，本文從空空導彈實際應用的角度，研究了一種具有很強抗干擾能力的雙色激光共軸近場探測系統的設計方法，對樣機研制過程中遇到的一些關鍵技術問題進行了詳細分析，并給出了解決方案，最終利用裝調完成的樣機進行了試驗驗證。

1、總體設計

根據理論計算結果，考慮國內已有的科研成果，選用能同時發射紫外和紅外激光的雙色半導體激光器作為探測系統光源。

1.1 共軸探測視場

雙色激光共軸探測視場如圖1所示。圖中6為發射光學系統與接收光學系統間距，即基線距離；R_s為作用近距；R_L為作用遠距；θ_T為光學發射傾角；θ_R為光學接收視場角。

雙色激光經共軸發射光學系統整形后，由發射端準直發出。發射光束適當向下傾斜，與接收視場的上、下邊緣分別形成探測系統的作用近距與作用遠距。作用近距與遠距之間的區域即為探測系統的有效探測區域。

1.2 回波功率計算

為確定系統靈敏度，保證激光探測系統有足夠探測能力，首先應根據發射、接收視場形式和要求探測距離進行典型目標激光反射回波功率估算。近距激光探測系統回波功率計算公式如下：式中：r為典型目標反射系數；P₀為激光發射功率；P₁為發射光學系統效率；P₂為接收光學系統效率；L為目標線度；A_d為有效通光口徑；尺為探測距離。

從公式（1）可以看出，目標反射回波功率與探測距離的三次方成反比，反射回波為弱光信號。要進行回波信號的收集和處理，必須保證探測器具有足夠高的靈敏度，接收電路有足夠大的放大增益，并且系統應具有足夠高的信噪比。

1.3 工作原理

雙色激光探測系統主要由雙色激光發射系統、回波接收及預處理系統和電源電路組成，其工作原理和組成如圖2所示。

外部供給激光驅動電路滿足一定時序關系的時鐘信號，雙色激光器根據時鐘信號分時發光。雙色回波信號依據發射的先后順序回到接收系統，先發射的先被接收。

2、共軸光學系統設計

要保證雙色激光的共視場探測，發射和接收共軸光學系統的設計是關鍵。設計時既要充分考慮到引信應用的實際條件，即要求體積小，便于裝調，又要考慮到光學系統對雙色激光存在的色差。此外，激光器的發光結有一定的寬度，非點光源發射，這在設計時也需要考慮在內。

2.1 發射光學系統

發射光學系統設計時首先應考慮光源的特性。雙波長激光器管殼內有2個紫外激光管芯，1個紅外激光管芯，且相對位置排布為紫外一紅外一紫外。雙色激光器實物照片如圖3所示。

發射光學系統要求紫外和紅外兩種波長光斑在子午方向準直，在視野方向兩種波長光斑空間分布均勻。由于任何一種光學材料對于紫外和紅外激光的折射率都存在差異，因此采用雙膠合透鏡組對雙色激光發射光束進行準直和消色差設計。雙膠合透鏡組對視場方向的準直效果如圖4所示?？梢钥吹剑谧饔镁嚯x以內，發射光束在視場方向的發散角極小，準直效果很好。

雙波長激光發射光束在視場和視野方向的整形效果如圖5所示。從圖中可以看出，三個管芯并排分布，兩側為紫光、中間為紅外，因此在設計光學系統時，既要考慮兩種波長激光的色差，又要考慮管芯空間分布所引入的軸外像差。

2.2 接收光學系統

根據總體設計要求，探測系統接收視場為一圓錐形視場。設計時考慮到探測器光敏面和透鏡之間距離較小，因此只要求最大視場角入射條件下，全部激光回波都能被透鏡匯聚到探測器光敏面上即可。選用的雙波長探測器光敏面為φ3 mm的圓形，經仿真，單個非球面透鏡能夠實現接收光學系統要求。非球面接收光學系統對最大視場角光線的匯聚效果如圖6所示。紫外和紅外激光都以最大視場角入射，經非球面透鏡匯聚后，紫外和紅外激光先后聚焦在焦點上。探測器光敏面位置設置在兩個焦點之間，同時要保證兩種波長光斑都要落在探測器的有效探測面積之內。加工完成的小型化接收光機系統能夠同時將探測器和接收透鏡固定，并能實現微調，便于樣機的裝配和試驗。

3、電氣系統

電氣系統包括雙色激光分時發射驅動電路和接收放大預處理電路。

3.1 分時發射驅動電路

為了滿足激光引信使用要求，減小發射電路體積，在電路原理設計和器件選型上實現發射電路的小型化，其工作原理圖如圖7所示。

經過初步驗證，該發射驅動電路能夠滿足系統使用要求。但是需要注意的是，在電路中要防止窄脈沖的傳輸干擾，應采用屏蔽線和阻抗匹配的方法改善信號質量，并且由于驅動脈沖瞬間電流很大，需注意大電流回路產生的串擾。

3.2 接收電路

由于采用同一套接收系統接收雙色激光回波，因此要選用對兩種波長激光都有較好響應的雙波長探測器。本文選用紫外增強型硅光電探測器，它具有噪聲低、穩定性好等優點。

接收電路的主要功能是為探測器提供偏壓，對探測器接收的雙波長激光回波信號進行多級放大，然后轉為差分信號傳輸到信號處理板上，盡可能提高系統信噪比。具工作原理框圖如圖8所示。

接收電路對回波信號進行兩級放大后，再將單端信號轉換為差分信號進行輸出。采用差分信號進行傳輸的優點是可以有效抑制外部電磁干擾，并且有利于識別微小信號，減小信號的擺動范圍。差分信號還能有效避免地的干擾，增加雙極型信號的保真度和穩定性。

經接收電路放大和轉換后的差分、差模信號如圖9所示。輸出信號沒有出現嚴重失真，可以真實反映出回波信號的能量和脈沖寬度。

4、試驗驗證

為驗證雙色激光探測系統的主要性能，加工和裝調了探測系統樣機，并進行了系統探測性能試驗和抗云霧、煙霧干擾試驗。

4.1 探測性能試驗

選擇標準傘靶進行了雙色激光探測系統探測性能試驗。試驗結果表明，通過調整發射驅動與接收電路增益，紫外與紅外激光的探測能力基本一致，并與傳統單色激光引信相當，滿足空空導彈典型脫靶量對引信探測距離的要求。

4.2 抗干擾試驗

在保證無云煙條件下紫外和紅外激光探測通道有相同探測能力的前提下，在試驗室開展了雙色激光探測系統對云霧、煙霧的后向散射回波對比試驗。試驗過程為：試驗室開始釋放煙霧，能見度儀時刻監控試驗室內的能見度：紫外和紅外激光散射回波幅值隨能見度的變化也在不停變化，試驗人員記錄每個能見度下，紫外和紅外激光的回波電壓，然后計算雙色激光散射比值（紫外/紅外）。待煙霧試驗結束煙霧散盡后，開始進行云霧試驗。試驗結果如圖10所示。

從試驗結果可以看出，無論對于固態顆粒的煙霧，還是對于液態顆粒的云霧，紫外激光的后向散射光能量明顯高于紅外激光，且散射比值基本維持在2.3～3.5之間。試驗結果在能見度從低到高的變化過程中保持了較好的一致性。

云煙霧散射試驗結果表明：雙色激光對氣溶膠類干擾物的后向散射能力差異明顯，可以以此作為激光引信單象限識別目標和抗干擾的依據。

5、結論

本文從擴展空空導彈激光引信環境適應能力的角度探索了雙色技術在激光探測系統抗干擾方面的應用，研究了雙色激光探測系統的總體設計技術，并進行了光學系統和電氣系統的部件級設計和加工，最終裝調完成了探測系統樣機。利用裝調完成的樣機進行了探測性能和抗干擾性能試驗，試驗結果證明，在保證相當探測能力的前提下，采用雙色技術能有效區分云霧、煙霧等氣溶膠類干擾物，使系統目標識別和抗干擾能力得到有效提高。