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(yáng)光背景下小口徑激光引信探測(cè)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(yáng)光輻射對(duì)小口徑激光引信探測(cè)性能的影響，結(jié)合大氣陽(yáng)光輻射傳輸理論和噪聲產(chǎn)生機(jī)理，建立了光電探測(cè)器表面陽(yáng)光輻射功率模型和系統(tǒng)信噪比模型；分析了激光探測(cè)裝置和探測(cè)目標(biāo)不同空間位置以及系統(tǒng)帶寬對(duì)系統(tǒng)性能的影響；結(jié)果表明：探測(cè)目標(biāo)與探測(cè)裝置的空間位置對(duì)系統(tǒng)探測(cè)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(shí)，系統(tǒng)信噪比SNR<5；當(dāng)探測(cè)距離大于10 m時(shí)，信噪比基本為0，激光探測(cè)系統(tǒng)失效；目標(biāo)表面傾斜角γ越小對(duì)系統(tǒng)的影響越大，當(dāng)γ=0.6 rad時(shí)，系統(tǒng)最大信噪比僅為12；選取合適的接收系統(tǒng)帶寬對(duì)激光引信抗陽(yáng)光干擾和信號(hào)接收有著重要的作用；該結(jié)果為提高系統(tǒng)探測(cè)性能提供了一定的依據(jù)。

激光技術(shù)；陽(yáng)光干擾；建模與仿真；空間位置；探測(cè)性能

相對(duì)于傳統(tǒng)的光電引信，激光引信具有主動(dòng)性好、方向性強(qiáng)和不易受電子干擾等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)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(cè)發(fā)射功率較小。陽(yáng)光輻射背景光進(jìn)入探測(cè)視場(chǎng)，陽(yáng)光光子隨機(jī)漲落，在光電探測(cè)器上不僅產(chǎn)生光電流，同時(shí)伴隨產(chǎn)生類(lèi)似于白噪聲的散粒噪聲。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)激光成像型系統(tǒng)陽(yáng)光輻射干擾問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究，而對(duì)于激光主動(dòng)非成像探測(cè)系統(tǒng)陽(yáng)光輻射干擾問(wèn)題的研究較少。董紅軍等[1]研究了陽(yáng)光對(duì)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(yáng)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(yáng)光對(duì)光電探測(cè)器的干擾，但并未評(píng)估系統(tǒng)性能；耿天琪等[4]分析了激光主動(dòng)偵測(cè)系統(tǒng)探測(cè)能力，對(duì)于陽(yáng)光輻射對(duì)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(yáng)光輻射強(qiáng)度、探測(cè)系統(tǒng)與目標(biāo)空間位置的不同對(duì)探測(cè)系統(tǒng)性能的影響。

本文通過(guò)建立激光探測(cè)器表面陽(yáng)光輻射功率和陽(yáng)光輻射下接收系統(tǒng)信噪比數(shù)學(xué)模型，結(jié)合探測(cè)系統(tǒng)與探測(cè)目標(biāo)空間位置的不同，定量分析陽(yáng)光輻射對(duì)小孔徑激光引信探測(cè)系統(tǒng)的性能影響，為探測(cè)系統(tǒng)抗陽(yáng)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(cè)原理圖

激光近炸引信采取脈沖激光進(jìn)行探測(cè)目標(biāo)，可用脈沖測(cè)距方程描述信號(hào)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(chǎng)角、透鏡透過(guò)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(yáng)輻射功率模型

2.1 傾斜面上太陽(yáng)輻射功率模型

太陽(yáng)是一個(gè)溫度和輻射波長(zhǎng)不同的復(fù)雜輻射體，在實(shí)際計(jì)算中，常把太陽(yáng)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(yáng)輻射因子主要包括太陽(yáng)赤緯角δ、太陽(yáng)高度角h、太陽(yáng)方位角α、日地距離R等。

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

為定量分析探測(cè)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(yáng)光輻射功率模型，模型示意圖如圖2所示。

圖2 傾斜面陽(yáng)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(yáng)入射角。

太陽(yáng)入射角i表達(dá)式：

cosi=cosθsinh+sinθcoshcos(a-r)

(3)

傾斜面上太陽(yáng)直接輻射量Ecb(θ,r)和太陽(yáng)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(yáng)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(duì)南方為例，傾斜面上陽(yáng)光輻射功率隨θ變化曲線如圖3所示。

圖3 傾斜面上太陽(yáng)輻射功率隨傾斜面角度變化曲線

由圖3可知，太陽(yáng)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(yáng)光輻射強(qiáng)度較弱，因此文章主要針對(duì)夏季太陽(yáng)輻射功率對(duì)激光探測(cè)系統(tǒng)的性能影響研究。在同一時(shí)刻，傾斜面上的陽(yáng)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(yáng)光輻射功率；由圖4可知，該傾斜角隨著太陽(yáng)時(shí)的增大而增大，尤其是在下午時(shí)刻，其傾斜角度與一般彈道仰角十分相符，陽(yáng)光直接入射接收系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲會(huì)影響系統(tǒng)信噪比、虛警率、探測(cè)概率等，使得炮彈不能精準(zhǔn)命中目標(biāo)，減小對(duì)目標(biāo)的毀壞程度。

圖4 不同太陽(yáng)時(shí)傾斜面上陽(yáng)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(cè)器表面陽(yáng)光入射光功率

炮彈發(fā)射是通過(guò)底火引燃彈體內(nèi)的炸藥瞬間形成高壓氣體推動(dòng)彈體獲取動(dòng)能，作用時(shí)間一般為毫秒級(jí)別，從而導(dǎo)致彈體受到幾萬(wàn)G量級(jí)的反作用力。激光引信系統(tǒng)在受到高沖擊力時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)射與接收系統(tǒng)組件會(huì)發(fā)生形變，從而影響探測(cè)系統(tǒng)性能。GAN等[8]研究了非線性發(fā)射過(guò)載對(duì)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(cè)系統(tǒng)工作環(huán)境，結(jié)合式(4)、式(5)、式(6)得到光電探測(cè)器表面陽(yáng)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(chǎng)，kλ為濾光片光譜能量透過(guò)率，ηr為接收光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)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(zhǎng)修正系數(shù)。

其中kλ=P2/P1，取0.1。P1為未加濾光片的陽(yáng)光功率，P2為加濾光片之后的陽(yáng)光功率。利用陽(yáng)光功率計(jì)測(cè)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(cè)器的量子噪聲、熱噪聲以及暗噪聲組成，其中量子噪聲也稱(chēng)作散粒噪聲[9-10]。

光電探測(cè)器的熱噪聲是由電阻內(nèi)部自由電子或電荷載流子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的，故與溫度有關(guān)，有外電場(chǎng)存在時(shí)，載流子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)迭加在有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)之上，形成噪聲。若光電探測(cè)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(guò)率

光電轉(zhuǎn)換過(guò)程是一個(gè)光電子計(jì)數(shù)的隨機(jī)過(guò)程，由于載流子隨機(jī)起伏所形成的噪聲稱(chēng)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(cè)器光敏面上接收到的光照產(chǎn)生，包括信號(hào)光功率Pr和背景光功率Ps(主要為陽(yáng)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(cè)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(yáng)光輻射下系統(tǒng)探測(cè)性能分析

分析式(6)、(11)可知，系統(tǒng)的探測(cè)性能受太陽(yáng)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(cè)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(yáng)光輻射下接收裝置與探測(cè)目標(biāo)空間位置以及系統(tǒng)帶寬對(duì)激光探測(cè)系統(tǒng)性能影響。

4.1 接收表面傾斜度對(duì)信噪比的影響

由于接收系統(tǒng)采用PIN光電探測(cè)器，其暗電流和熱噪聲大小相比較于陽(yáng)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(cè)距離不同時(shí)，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(cè)距離一定時(shí)，信噪比隨著θ增大而增強(qiáng)，當(dāng)θ<0.4時(shí)，陽(yáng)光輻射對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的影響較大，系統(tǒng)信噪比SNR<5；隨著探測(cè)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(yáng)光輻射量可能達(dá)到最大值，導(dǎo)致激光探測(cè)系統(tǒng)信噪比急劇下降，圖5明顯看出，當(dāng)探測(cè)距離S>10 m時(shí)，SNR趨于零，探測(cè)系統(tǒng)失效。

4.2 探測(cè)裝置與探測(cè)目標(biāo)不同空間位置對(duì)信噪比的影響

當(dāng)陽(yáng)光輻射強(qiáng)度較大時(shí)，需要考慮探測(cè)目標(biāo)表面的傾斜角度對(duì)激光探測(cè)系統(tǒng)的影響，假設(shè)探測(cè)距離S=5 m，其他條件不變的情況下，探測(cè)裝置與探測(cè)目標(biāo)不同空間位置對(duì)激光探測(cè)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(cè)裝置的空間位置對(duì)SNR影響越大；目標(biāo)垂直地面時(shí)，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(shí)，其最大信噪比僅為12，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮該影響因素以提高探測(cè)系統(tǒng)性能。

4.3 陽(yáng)光輻射下噪聲等效帶寬對(duì)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(duì)于響應(yīng)度較低的PIN管，陽(yáng)光輻射對(duì)接收系統(tǒng)影響較大。探測(cè)距離不同時(shí)，噪聲等效帶寬對(duì)信噪比的影響如圖7所示。

圖7 噪聲等效帶寬對(duì)系統(tǒng)信噪比影響曲線

從圖7可知，當(dāng)探測(cè)距離一定時(shí)，噪聲等效帶寬對(duì)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(cè)距離呈非線性關(guān)系。然而噪聲等效帶寬很窄時(shí)，接收系統(tǒng)與回波脈沖信號(hào)不匹配，導(dǎo)致回波信號(hào)失真，從而影響探測(cè)系統(tǒng)的性能。因此選取合適的噪聲等效帶寬對(duì)激光引信抗陽(yáng)光干擾和信號(hào)接收有著重要的作用。

5 結(jié)論

根據(jù)探測(cè)裝置和探測(cè)目標(biāo)的空間位置不同建立了探測(cè)器表面陽(yáng)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(cè)裝置與目標(biāo)表空間位置以及不同噪聲等效帶寬對(duì)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(yáng)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(lái)源；接收表面傾斜角θ與系統(tǒng)信噪比(SNR)正相關(guān)，與探測(cè)距離S呈負(fù)相關(guān)；目標(biāo)表面傾斜角γ對(duì)系統(tǒng)信噪比影響呈非線性關(guān)系，當(dāng)γ>0.785 rad時(shí)，其變化曲線出現(xiàn)峰值點(diǎn)；在陽(yáng)光輻射下，探測(cè)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(duì)激光引信抗陽(yáng)光干擾和信號(hào)接收有著重要的作用。

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(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(yáng)光背景下小口徑激光引信探測(cè)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