王 龍，王永仲，沈?qū)W舉，何永強(qiáng)，董紅軍，張維安

(軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003)

1 引言

激光測(cè)距機(jī)、激光目標(biāo)指示器、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)炸彈/導(dǎo)彈和強(qiáng)激光武器的廣泛應(yīng)用，對(duì)各種軍事目標(biāo)構(gòu)成了越來越嚴(yán)重的威脅［1－2］。為了探測(cè)來襲激光信號(hào)，提高己方人員和裝備的光電對(duì)抗能力，激光告警裝置受到越來越多的重視［3－4］。當(dāng)前的激光告警器按技術(shù)體制可分為光譜識(shí)別型［5］、成像探測(cè)型［6］、相干探測(cè)型［7－8］以及不同機(jī)理相融合的復(fù)合探測(cè)型［9－10］幾大類，其中光柵衍射型超廣角激光告警系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、凝視視場(chǎng)大、定向精度和波長(zhǎng)分辨能力高，有很好的發(fā)展前景［10］。探測(cè)靈敏度是反映激光告警系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響到告警系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍、作用距離等重要指標(biāo)，準(zhǔn)確測(cè)量告警系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度，是全面客觀評(píng)價(jià)其性能的基礎(chǔ)。

2 告警系統(tǒng)探測(cè)靈敏度的理論分析

2.1 系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)的工作原理如圖1所示［10］，F(xiàn)1為魚眼鏡頭接收入射激光，其大視場(chǎng)保證了系統(tǒng)對(duì)大空域凝視探測(cè);F1后焦面P與變換透鏡F2前焦面重合;正弦光柵G緊貼衍射透鏡F3前表面放置，面陣探測(cè)器T位于F3的后焦面接收衍射光斑。

圖1 光柵衍射型超廣角激光告警系統(tǒng)的工作原理示意圖Fig.1 Mechanism of super wide － angle laser warning system based on grating diffraction

假設(shè)入射激光束與光軸夾角為ω，子午面與x1o1z平面夾角為θ，采用焦距為f1的正交投影成像方式的魚眼鏡頭，若一維振幅型正弦光柵的周期常數(shù)為d，變換透鏡F2和衍射透鏡F3的焦距分別為f2和f3，可求得探測(cè)器接收面T上的光強(qiáng)分布為［10］:

其中，

可以看出，入射激光經(jīng)告警系統(tǒng)成像為等間隔的三個(gè)衍射亮斑，±1級(jí)光斑強(qiáng)度為0級(jí)光斑強(qiáng)度的1/4，根據(jù)0級(jí)光斑坐標(biāo)和相鄰兩光斑間隔可求解入射激光的方向和波長(zhǎng)。

2.2 系統(tǒng)探測(cè)靈敏度的估算

光柵衍射型超廣角激光告警系統(tǒng)的性能很大程度上取決于其接收物鏡魚眼鏡頭的性能參數(shù)。普通光學(xué)系統(tǒng)中像面照度可以表示為［11］:

式中，E'為軸外斜光束的照度;E0為軸上光束的照度;ω'為像方半視場(chǎng)角。

為保證像面照度的均勻性，魚眼鏡頭利用高額桶形畸變使與物方半視場(chǎng)角ω對(duì)應(yīng)的ω'大幅度變小;另一方面，魚眼鏡頭充分利用像差漸暈使軸外物點(diǎn)成像光束截面積增大，即式(2)中Ka值盡可能增大，通常可以達(dá)到1.2左右。

由于脈沖激光的脈寬通常為10 ns左右，遠(yuǎn)小于探測(cè)器的單幀曝光時(shí)間，一個(gè)激光脈沖不可能同時(shí)成像在相鄰的兩幀圖像上，因此告警系統(tǒng)采用幀相減技術(shù)，其探測(cè)靈敏度定義為激光照射到告警系統(tǒng)前的光能量密度。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，告警系統(tǒng)的孔徑光闌即為魚眼鏡頭的孔徑光闌，假設(shè)其所對(duì)應(yīng)的軸上入瞳直徑為D0，則入瞳面積S0為:

告警系統(tǒng)由多個(gè)透鏡和光柵組成，其能量傳輸效率由透鏡系統(tǒng)的能量傳輸效率和光柵的衍射效率共同決定。取光柵±1級(jí)光斑的衍射效率作為光柵衍射效率記為T1，透鏡系統(tǒng)的能量傳輸效率主要由各鏡面的反射損失和透鏡材料的吸收損失決定，會(huì)受到激光入射方向的影響［12］，記為T2(ω)。假設(shè)軸向入射的脈沖激光在告警系統(tǒng)前的能量密度為w，則告警系統(tǒng)所成像光斑的能量為:

能量密度為w的脈沖激光，以不同角度ω入射時(shí)，軸外斜光束截面積與軸上點(diǎn)光束面積之比為Ka(ω)，魚眼鏡頭一旦選定，其像方出射角與物方入射角的關(guān)系ω'=f(ω)已知，告警系統(tǒng)成像光斑的能量可以表示為:

考慮到魚眼鏡頭的大像差特性，入射角為ω的激光束經(jīng)告警系統(tǒng)的成像光斑面積記為m(ω)個(gè)像元，若探測(cè)器單個(gè)像元能夠探測(cè)激光的能量閾值為Qth，則從不同角度入射的激光能被探測(cè)到的最小能量密度為:

3 實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，按2.1節(jié)論述的相對(duì)位置關(guān)系組建光柵衍射型超廣角激光告警樣機(jī)LWS，并將其固定于方向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，方向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)精度為1 mil，約為0.06°。固定激光入射方向，通過方向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)告警樣機(jī)做水平旋轉(zhuǎn)，以此模擬告警系統(tǒng)工作時(shí)激光入射角度的改變過程。光源采用Beamtech Optronics公司生產(chǎn)的SGR－10型Nd∶YAG激光器，可輸出波長(zhǎng)1064 nm和532 nm激光，脈寬為8 ns，能量不穩(wěn)定度＜5%。為便于觀察，光路調(diào)整過程中激光器采用532 nm輸出，待光路調(diào)試完畢后將激光器切換為1064 nm輸出模式。脈沖激光經(jīng)連續(xù)可調(diào)衰減器A1和衰減片A2適當(dāng)衰減并被透鏡L1擴(kuò)束后，激光束完全覆蓋告警系統(tǒng)的魚眼鏡頭。采用Coherent.Ltd.EPM －1000激光能量計(jì)，能量探頭型號(hào)為J25LP－1A，考慮到告警系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度約為納焦每平方厘米量級(jí)，直接將能量探頭放置在告警系統(tǒng)前無法探測(cè)如此小的能量，實(shí)驗(yàn)中用能量計(jì)探測(cè)經(jīng)分束鏡BS和反射鏡M反射的激光能量標(biāo)記照射到激光告警系統(tǒng)的能量密度。

圖2 激光告警系統(tǒng)探測(cè)靈敏度測(cè)試裝置示意圖Fig.2 Experimental setup used to sensitivity test of this laser warning system

3.2 入射激光能量密度標(biāo)定

光路調(diào)整完畢后，首先將能量探頭放置在告警系統(tǒng)前，垂直于激光入射方向探測(cè)激光能量，調(diào)整可調(diào)衰減器，使能量計(jì)可有效探測(cè)入射激光，測(cè)量50個(gè)激光脈沖;然后將能量計(jì)放置在反射光路中合適位置探測(cè)分束鏡BS和反射鏡M反射的激光能量，測(cè)量50個(gè)激光脈沖。能量計(jì)探測(cè)到的能量除以探頭感光面積即為相應(yīng)位置的能量密度，為描述方便，將能量計(jì)在告警系統(tǒng)前所處的位置記為位置1，其在反射光路中的位置記為位置2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，兩位置處的能量密度比為1∶53.85。

表1 兩標(biāo)記位置處能量密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of energy density for two marked positions

3.3 告警系統(tǒng)探測(cè)靈敏度測(cè)試

以100 mil為步長(zhǎng)，沿水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)告警樣機(jī)，模擬激光從不同角度入射告警系統(tǒng)的情況。對(duì)告警系統(tǒng)采集的圖像，采用幀相減技術(shù)提取入射激光的成像光斑。由于脈沖激光器輸出能量的不穩(wěn)定性，盡管衰減器連續(xù)可調(diào)，但改變激光入射角度過程中，激光的成像光斑灰度值很難完全相等，故將告警系統(tǒng)的探測(cè)閾值設(shè)定為(8±2)個(gè)灰度單位。激光入射角度較小情況下，成像光斑灰度值為(8±2)時(shí)，位置2處的激光能量過小，能量計(jì)無法準(zhǔn)確探測(cè)。激光入射角度為0°～42°范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)入射激光能量密度至能量計(jì)可正常測(cè)量的最小值1.8 nJ/cm2，記錄激光成像光斑的灰度值，如圖3(a)所示;激光入射角度大于42°后，改變?nèi)肷浼す饽芰渴垢婢到y(tǒng)的成像光斑灰度值為閾值，每個(gè)角度測(cè)量10個(gè)激光脈沖，取均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(b)所示。

圖3 不同入射方向情況下系統(tǒng)的最小可探測(cè)能量密度Fig.3 Least energy density of the warning system with different incident angle

可以看出，隨激光入射角度增大，告警系統(tǒng)的探測(cè)性能下降。激光入射角度0°～42°范圍內(nèi)，在入射激光能量密度保持1.8 nJ/cm2基本不變的情況下，告警系統(tǒng)成像光斑的灰度值基本上是逐漸減小;48°～78°范圍內(nèi)，隨入射角度的增大，告警系統(tǒng)的最小可探測(cè)能量密度大約由2 nJ/cm2逐漸增大為7nJ/cm2。

告警系統(tǒng)探測(cè)靈敏度隨激光入射角度的變化規(guī)律由其光學(xué)系統(tǒng)能量透過率和告警系統(tǒng)的成像特性隨激光入射角度的變化規(guī)律共同決定。文獻(xiàn)［11］表明，即使激光束入射角為90°，經(jīng)魚眼鏡頭后其出射角也僅為10°，這保證了整個(gè)告警系統(tǒng)的能量透過率隨激光入射角度的增大變化很小，可以忽略不計(jì)［12］，告警系統(tǒng)探測(cè)靈敏度的變化規(guī)律主要由告警系統(tǒng)的成像特性決定。以某視場(chǎng)角為170°的魚眼鏡頭［13］為例，使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX建立光柵衍射型超廣角激光告警系統(tǒng)的模型，模擬不同方向激光入射時(shí)的1級(jí)成像光斑，如圖3所示。激光入射角度較小時(shí)，告警系統(tǒng)的成像光斑面積小，能量集中分布在有限的幾個(gè)像元上;激光入射角增大時(shí)，告警系統(tǒng)的像差增大，成像光斑形狀發(fā)生畸變的同時(shí)面積變大，能量分布變的分散，導(dǎo)致告警系統(tǒng)的最小可探測(cè)能量密度顯著變大。

圖4 告警系統(tǒng)對(duì)不同方向入射激光的1級(jí)成像光斑Fig.4 Imaged spots of the fish － eye lens for incidence laser with different direction

4 結(jié)論

給出了光柵衍射型超廣角激光告警系統(tǒng)探測(cè)靈敏度的估算公式，用1064 nm脈沖激光在半視場(chǎng)角0°～78°內(nèi)測(cè)試了告警樣機(jī)的最小可探測(cè)能量密度。結(jié)果表明，告警系統(tǒng)像差隨激光入射角度增大而變大導(dǎo)致成像光斑面積增大是引起告警系統(tǒng)探測(cè)靈敏度下降的主要原因。因此，在設(shè)計(jì)光柵衍射型激光告警系統(tǒng)時(shí)，選用像差小的魚眼鏡頭，并使魚眼鏡頭與變換透鏡和衍射透鏡配合得當(dāng)，減小整個(gè)系統(tǒng)的像差，可有效提高告警系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度。

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