查冰婷 袁海璐 馬少杰2) 陳光宋 2)
1) (南京理工大學(xué), 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 南京 210094)
2) (南京理工大學(xué)常熟研究院有限公司, 常熟 215513)
主動(dòng)激光探測(cè)因受光源、環(huán)境、電磁輻射和干擾等因素影響較小, 在遠(yuǎn)距目標(biāo)態(tài)勢(shì)感知以及暗弱小目標(biāo)探測(cè)方面有著重要優(yōu)勢(shì)[1?4]. 由多個(gè)探測(cè)器組成的周視激光近炸引信除充分發(fā)揮主動(dòng)激光探測(cè)的優(yōu)勢(shì)外, 還能夠探測(cè)自身全周向360°范圍內(nèi)的目標(biāo)距離[5?7], 將發(fā)射激光擴(kuò)束, 能夠擴(kuò)大單個(gè)探測(cè)器的探測(cè)范圍, 減少探測(cè)器個(gè)數(shù)[8,9], 但是經(jīng)過大角度擴(kuò)束的激光光束將導(dǎo)致能量分散從而限制其探測(cè)距離. 單光束激光同步掃描周視探測(cè)能夠在探測(cè)目標(biāo)距離的同時(shí)探測(cè)目標(biāo)方位, 通過旋轉(zhuǎn)掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)周視目標(biāo)的探測(cè), 然而沒有經(jīng)過被擴(kuò)束的單光束激光同步掃描雖然提高了探測(cè)距離, 對(duì)激光脈沖重復(fù)頻率卻提出較高的要求[10]. 對(duì)于單光束脈沖激光掃描周視探測(cè)系統(tǒng), 尋找滿足探測(cè)距離的發(fā)射激光束最大光束角以及掃描周視探測(cè)不漏捕獲目標(biāo)的最低脈沖頻率對(duì)周視探測(cè)系統(tǒng)降低激光脈沖頻率、提高周視探測(cè)能力有著重要參考意義.
針對(duì)單光束脈沖激光掃描周視探測(cè), 文獻(xiàn)[11,12]建立了單光束掃描激光引信目標(biāo)回波功率計(jì)算模型, 獲得了探測(cè)不同距離目標(biāo)的最大捕獲率和相應(yīng)的激光掃描頻率和脈沖頻率; 文獻(xiàn)[13]運(yùn)用蒙特卡羅算法分析了激光脈沖頻率和電機(jī)掃描轉(zhuǎn)速對(duì)周向探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)概率的影響, 得到脈沖頻率為20 kHz時(shí), 能在探測(cè)距離為3 m內(nèi)有效探測(cè)目標(biāo)的結(jié)論, 但對(duì)脈沖頻率的要求較高, 有一定的局限性. 文獻(xiàn)[14–16]建立了平面目標(biāo)模型, 分析了激光探測(cè)空中目標(biāo)回波特性, 但未分析圓柱目標(biāo)在激光探測(cè)回波特性方面的問題[17].
本文基于單光束擴(kuò)束掃描脈沖激光周視探測(cè)系統(tǒng)工作原理, 推導(dǎo)了最低脈沖頻率解析式; 基于圓柱目標(biāo)表面特性, 建立了脈沖激光近程探測(cè)目標(biāo)回波方程和截面衰減系數(shù)K(R)的數(shù)學(xué)模型, 分析了入射角、投影面上光束中心線偏角以及投影面光束角對(duì)K(R)的影響并得到不漏捕獲目標(biāo)需要滿足的最大相鄰脈沖光束夾角表達(dá)式; 分析了最小脈沖頻率、激光入射角、光束角對(duì)不同直徑目標(biāo)的探測(cè)能力的影響; 通過理論仿真分析進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)得到滿足系統(tǒng)最小探測(cè)功率的最低掃描頻率nmin、最大光束角以及最低脈沖頻率fmin.
單光束擴(kuò)束掃描激光周視探測(cè)安裝于彈體前端用于探測(cè)和識(shí)別空中近程目標(biāo)的方位和距離信息[18,19]. 該系統(tǒng)包括激光器、激光器發(fā)射準(zhǔn)直透鏡、擴(kuò)束透鏡、光束掃描折轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、接收聚焦透鏡、光電探測(cè)器、放大濾波電路以及信號(hào)處理電路. 激光器發(fā)射的激光束經(jīng)過發(fā)射準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直再經(jīng)過擴(kuò)束透鏡擴(kuò)束后, 由掃描折轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)折轉(zhuǎn)后出射, 激光束照射到目標(biāo)表面并發(fā)生反射, 目標(biāo)回波光束再被掃描折轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)進(jìn)入接收系統(tǒng)經(jīng)放大濾波后進(jìn)行信號(hào)處理, 如圖1所示.
圖1 單光束擴(kuò)束掃描激光周視探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1. The structure of a single beam expanding beam scanning laser periscope detection system.
采用掃描方法會(huì)導(dǎo)致探測(cè)場(chǎng)區(qū)域出現(xiàn)周期性的探測(cè)盲區(qū), 這是同步掃描周視方案的固有缺陷.只有當(dāng)掃描頻率足夠快時(shí), 由此產(chǎn)生的探測(cè)盲區(qū)才不會(huì)明顯地影響探測(cè)系統(tǒng)的性能, 與此同時(shí), 采用脈沖激光探測(cè)將在時(shí)間上出現(xiàn)間斷性的盲區(qū), 需要通過提高脈沖頻率加以改善, 這對(duì)脈沖激光器提出了較高要求. 由于空氣對(duì)激光束的衰減作用非常微弱, 為充分利用發(fā)射功率提高系統(tǒng)探測(cè)精度, 通過柱面鏡將激光器出射的點(diǎn)光束單向擴(kuò)束為窄帶光束后再經(jīng)掃描折轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)出射, 形成極薄的小扇形光束, 經(jīng)過擴(kuò)束后的激光束能夠有效增大單光束的探測(cè)區(qū)域從而降低激光脈沖頻率.
擴(kuò)束掃描激光周視探測(cè)系統(tǒng)工作在彈體與目標(biāo)的遭遇段, 且相遇時(shí)通常為迎面攻擊目標(biāo). 假設(shè)彈體自身與目標(biāo)均做勻速直線運(yùn)動(dòng), 其速度矢量方向與各自軸線一致, 并且激光探測(cè)時(shí)先探測(cè)到目標(biāo)的前端.
在彈體坐標(biāo)系中, 單光束脈沖激光周向掃描探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)情況如圖2所示.
圖2 單光束脈沖激光周向掃描探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)示意圖[11]Fig. 2. Schematic diagram of detection target of single?beam pulsed laser circumferential scan detection system.
基于周向掃描探測(cè)系統(tǒng)的工作原理, 在一個(gè)掃描周期中由多條激光束共同構(gòu)成周向光束場(chǎng), 從x軸正方向觀察一個(gè)掃描周期內(nèi)的脈沖光束如圖3所示.
圖3 沿x軸正方向脈沖光束視圖Fig. 3. Pulse beam view in the positive direction of the x?axis.
激光引信為提高探測(cè)距離和測(cè)距精度, 所用脈沖激光的占空比q非常小, 若脈沖周期為Tm, 則兩次脈沖時(shí)間間隔,故直接以脈沖周期Tm作為兩相鄰脈沖的時(shí)間間隔. 若掃描頻率為n(r/s), 脈沖頻率為f(Hz), 相鄰脈沖間轉(zhuǎn)過的角度(rad)為
相鄰光束之間的夾角稱為目標(biāo)方位識(shí)別激光探測(cè)系統(tǒng)的最低角度分辨率, 表示系統(tǒng)所能分辨的最小角度. 在單光束脈沖激光掃描探測(cè)系統(tǒng)中, 設(shè)計(jì)激光脈沖頻率f大小為系統(tǒng)掃描頻率n的整數(shù)倍. 為保證不漏捕目標(biāo)單個(gè)掃描周期內(nèi)至少需要有kmin條激光束:
其中Lt為目標(biāo)長(zhǎng)度[11]. 最低脈沖頻率為
彈體與目標(biāo)距離R, 在R處與面oyz平行的平面M和目標(biāo)相交, 以o點(diǎn)在平面M的投影om為原點(diǎn)建立平面坐標(biāo)系, 相鄰脈沖激光束在面M上的投影如圖4所示.
圖4 相鄰脈沖激光束在面M上的投影Fig. 4. Projection of adjacent pulsed laser beam on plane M.
圖4 所示為相鄰脈沖光束探測(cè)圓柱目標(biāo)時(shí)在投影面M上的示意圖, Dt表示目標(biāo)直徑,表示光束角在投影面M上的投影角,表示最大相鄰脈沖光束夾角在投影面M上的投影角. 當(dāng)回波功率滿足系統(tǒng)最小探測(cè)功率時(shí), 得到系統(tǒng)最低脈沖頻率fmin, 最大相鄰脈沖光束夾角與最大光束角. 激光束與目標(biāo)圓相切時(shí)切點(diǎn)到x軸的垂直距離為rd, 有:
圖5 發(fā)射激光束與投影圖像幾何關(guān)系Fig. 5. Geometrical relationship between the laser beam and the projected image.
根據(jù)幾何關(guān)系有
同樣地:
假設(shè)探測(cè)區(qū)域內(nèi), 接收視場(chǎng)將發(fā)射視場(chǎng)完全覆蓋, 激光束在R處只有部分照射到目標(biāo)表面, 位于R處的激光束照亮的面積為, 同時(shí)也是發(fā)射光束與接收視場(chǎng)角相交截面面積, S為距離R處光束光斑截面面積.代表光學(xué)系統(tǒng)效率,將照射到目標(biāo)表面的光斑面積與位于R處的激光束光斑面積之比定義為激光擴(kuò)束后部分照射造成的衰減, 用截面衰減系數(shù)K(R)表示:
式中S1代表激光束照射到目標(biāo)部分的截面積,S2代表發(fā)射視場(chǎng)在R處光束的截面積. 目標(biāo)所受的激光照度E(R)為
選用四參數(shù)單站BRDF模型fr表示目標(biāo)反射特性[20]:
1.1 材料 ①一次性無紡布,規(guī)格120 cm×120 cm、60 cm×60 cm各60塊;②雙層棉布,規(guī)格120 cm×120 cm、60 cm×60 cm各60塊(在包布一角訂一塊3 cm×3 cm的“補(bǔ)丁”,用于記錄使用次數(shù));③3M壓力蒸汽滅菌化學(xué)指示卡及指示膠帶。
目標(biāo)在視場(chǎng)角方向的輻射強(qiáng)度為
圓柱目標(biāo)表面激光回波功率方程為
式中Pr表示接收功率, Pt表示激光器發(fā)射功率,代表大氣衰減系數(shù), Ar代表接收機(jī)光學(xué)系統(tǒng)孔徑面積. 由(15)式可知回波功率與K(R), R和有關(guān), 截面衰減系數(shù)K(R)隨著激光束與圓柱目標(biāo)的位置變化在[0, 1]內(nèi)變化.
假設(shè)激光器發(fā)射功率為70 W, 大氣衰減系數(shù)為0.00054 m–1[21], 圓柱目標(biāo)表面激光回波功率與K(R), R,的關(guān)系如圖 6(a)–圖 6(c)所示. 從圖6(a)可知, 當(dāng)截面系數(shù)恒定時(shí), 目標(biāo)回波功率隨著探測(cè)距離增加在急劇減小, 當(dāng)0 < R < 3 m時(shí),回波功率下降迅速; 3 < R < 10 m時(shí), 回波功率隨著探測(cè)距離增加下降速度減緩. 同時(shí)從圖6(a)可知, 在探測(cè)距離一定時(shí), 回波功率隨截面衰減系數(shù)增加而增加. 當(dāng)R = 6.7 m, 截面衰減系數(shù)K(R) =0.1時(shí), 回波功率小于最小探測(cè)功率. 因此在一定的探測(cè)距離內(nèi), 增加截面衰減系數(shù)值可以有效增大回波功率. 對(duì)比圖6(a)–圖6(c)可得, 當(dāng)探測(cè)距離和截面衰減系數(shù)相同時(shí), 回波功率隨著激光入射角的增大而減小, 因此減小激光入射角有利于提高系統(tǒng)回波功率. 但是激光入射角太小會(huì)降低目標(biāo)捕獲概率, 因此選擇合適的激光入射角對(duì)目標(biāo)捕獲十分重要.
目標(biāo)回波功率低于系統(tǒng)最小探測(cè)功率激光引信無法探測(cè)到目標(biāo). 計(jì)算滿足系統(tǒng)最小探測(cè)功率的最大及最大值需要對(duì)探測(cè)過程中激光擴(kuò)束后部分照射造成的截面衰減系數(shù)K(R)進(jìn)行分析.K(R)數(shù)學(xué)模型如圖7所示.
圖6 回波功率Pr與K(R), R, 之間的關(guān)系 (a) ;(b) ; (c)Fig. 6. The echo power with different K(R), R and :(a) ; (b) ; (c) .
如圖7(a)所示, 在投影面M上光束中心線與omym軸夾角為, 假設(shè)光束左邊沿線與目標(biāo)圓總是有交點(diǎn). 當(dāng)光束中心線在位置1時(shí), 即, 若光束右邊沿線與目標(biāo)圓同樣有交點(diǎn), 則, 若光束右邊沿線與目標(biāo)圓沒有交點(diǎn), 有; 當(dāng)光束中心線在位置2, 即與目標(biāo)圓相切時(shí),; 當(dāng)光束中心線在位置3時(shí), 即, 有. 光束中心線在位置3處, 即K(R)取值范圍最小時(shí), 得到光束左邊沿線與目標(biāo)圓總是有交點(diǎn)的探測(cè)情況系統(tǒng)最小回波功率.
光束左邊沿線f1與目標(biāo)圓相交于兩點(diǎn), 取靠近原點(diǎn)om的交點(diǎn)A, 過A點(diǎn)做光束中心線f3的垂線, 交切線 ft于點(diǎn) C, 交 f2于點(diǎn) B, 交 f3于 O’點(diǎn),在位置1和位置3的光束截面AO’B如圖7(b)所示.
若光束左邊沿線f1與目標(biāo)圓無交點(diǎn), 如圖8(c)所示, 在內(nèi), 過目標(biāo)圓心做光束中心線f3的垂線, 交光束邊沿線f1, f2于A, B兩點(diǎn), 與目標(biāo)圓的右交點(diǎn)為C, 截面AO’B中所示陰影部分為此時(shí)目標(biāo)在光束中所占面積. 此時(shí).
綜上所述, 當(dāng)光束中心線在圖7(a)中位置3處時(shí)可找到滿足系統(tǒng)最小探測(cè)功率的最大值,以下研究均為光束中心線在位置3處且光束右邊沿線與目標(biāo)無交點(diǎn)的情況下開展, 坐標(biāo)系omzmym中, 目標(biāo)圓方程為
圖7(b)中ft表示過原點(diǎn)om與目標(biāo)圓相切的直線, 表示為
當(dāng)光束左邊沿線f1與目標(biāo)圓總有交點(diǎn)時(shí),
圖7(b)中陰影部分面積表示為S1, 圓O’的總面積表示為S2. 在圖7(b)的位置3處有:
當(dāng)光束左邊沿線f1與目標(biāo)圓沒有交點(diǎn)時(shí), 如圖7(c)所示,
此時(shí)有
圖 8 K(R) 與 , 和 之 間 的 關(guān) 系 (a) , 與K(R) 的關(guān)系; (b) , 和 對(duì) K(R)的影響曲線Fig. 8. The relationship between K(R) and , and :(a) The relationship between K(R) and , ; (b) the in?fluence curve of , and on K(R).
單光束擴(kuò)束掃描激光周視探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)能力即激光脈沖頻率f, 激光入射角和光束角對(duì)探測(cè)距離R、探測(cè)目標(biāo)直徑Dt的影響, 本文關(guān)注的重點(diǎn)是這些參數(shù)對(duì)不同探測(cè)目標(biāo)直徑的影響. 周視探測(cè)系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所列.
表1 探測(cè)系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 1. Simulation parameters of the detection system.
單光束擴(kuò)束掃描激光周視探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)最低激光脈沖頻率f, 激光入射角和光束角對(duì)能夠探測(cè)的不同目標(biāo)直徑Dt的影響曲線如圖9所示. 從圖9(a)可知, 當(dāng)光束角一定時(shí), 隨著激光脈沖頻率增加, 可探測(cè)目標(biāo)直徑越來越小, 探測(cè)能力越來越高. 在某一脈沖頻率下, 隨著光束角增大,系統(tǒng)探測(cè)能力也有所提高. 在圖9(a)中, 當(dāng)<0.05 rad時(shí), 目標(biāo)與激光束位置關(guān)系滿足圖7(b)中的位置3時(shí)能夠得到探測(cè)到目標(biāo)的最小脈沖頻率, 當(dāng)> 0.05 rad時(shí), 出現(xiàn)某些直徑目標(biāo)在與激光束位置為圖7(c)所示情況時(shí)得到的脈沖頻率相比于圖7(b)中的位置3處更小, 如rad時(shí),若脈沖頻率達(dá)到18850 Hz, 則探測(cè)系統(tǒng)可以探測(cè)直徑小于76 mm的所有目標(biāo). 隨著光束角增大,滿足探測(cè)要求的最小脈沖頻率逐漸減小, 圖7(c)中的位置得到的最小脈沖頻率可滿足探測(cè)能力的目標(biāo)直徑范圍將逐漸擴(kuò)大. 因此, 增大光束角即發(fā)射激光束擴(kuò)束有利于降低最小激光脈沖頻率. 對(duì)比圖9(a)–圖9(c)可得, 隨著激光入射角增大, 某一確定光束角下探測(cè)目標(biāo)直徑所需的最低脈沖頻率越來越大. 因此, 降低激光入射角有利于降低探測(cè)目標(biāo)所需的最小激光脈沖頻率. 但是光束角的增大會(huì)降低激光能量, 因此設(shè)計(jì)合適的光束角對(duì)降低激光脈沖頻率以及有效探測(cè)目標(biāo)極為重要.
圖9 脈沖頻率f、光束角 和光束入射角 對(duì)不同目標(biāo)直徑的影響 (a) ; (b) ; (c)Fig. 9. Effects of pulse frequency f, beam angle , and beam incidence angle on targets with different diamet?ers: (a) ; (b) ; (c) .
由表1并結(jié)合(4)式可得到nmin= 300 r/s,當(dāng)光束入射角分別為,和時(shí), 在圖 7(b)所示的位置3處和圖7(c)的位置討論滿足系統(tǒng)最小探測(cè)功率Pmin= 5[7]時(shí)的最大相鄰脈沖光束夾角、最大光束角以及最小脈沖頻率fmin. 考慮最大相鄰脈沖光束夾角將影響最小脈沖頻率的取值, 在選擇與光束角時(shí)優(yōu)先選擇最大相鄰脈沖光束夾角.
結(jié)合不等式組(18)式, 當(dāng)光束左邊沿線f1與目標(biāo)圓總有交點(diǎn)時(shí), 得到某一光束傾斜角下的取值區(qū)間, 從區(qū)間最大開始試取值, 每一個(gè)值對(duì)應(yīng)一個(gè)取值區(qū)間, 將(19)式和(20)式代入目標(biāo)回波功率方程(15)式, 得到目標(biāo)回波功率為最小探測(cè)功率時(shí)最大值與對(duì)應(yīng)的值, 代入 (21)式得到; 當(dāng)光束左邊沿線f1與目標(biāo)圓總是沒有交點(diǎn)時(shí), 結(jié)合不等式組(22)式得到在同一光束傾斜角下值區(qū)間, 從區(qū)間最大開始試取值, 結(jié)合(23)式得到目標(biāo)回波功率滿足最小探測(cè)功率時(shí)的值, 代入 (24)式得到, 比較與, 取較大值代入(8)式和(9)式得到最大相鄰脈沖光束夾角與相應(yīng)的最大光束角. 計(jì)算中的系統(tǒng)參數(shù)值列于表2.
表2 計(jì)算最低脈沖頻率及光束角系統(tǒng)參數(shù)Table 2. Calculate the minimum pulse frequency and beam angle system parameters.
圖10 最大相鄰脈沖光束夾角 (a) f1與目標(biāo)圓位置關(guān)系曲線; (b) 與 取值計(jì)算Fig. 10. Maximum angle between adjacent pulse beams: (a) The relation curve between f1 and the position of the target circle; (b) value of and .
圖11 和 對(duì)系統(tǒng)回波功率的影響 (a) ;(b) ; (c)Fig. 11. Influence of and on echo power. (a) ;(b) ; (c) .
激光器發(fā)射激光光束角一般為2–3 mrad, 根據(jù)文獻(xiàn)[12]提供的計(jì)算方法可以得到滿足最小探測(cè)功率的最低脈沖頻率f、最大相鄰脈沖夾角以及單周期內(nèi)激光數(shù)k, 與文中對(duì)激光束進(jìn)行擴(kuò)束后計(jì)算得到最低激光束kmin、最大相鄰脈沖光束夾角、最大光束角以及最低脈沖頻率fmin的對(duì)比結(jié)果如表3所列.
表3為探測(cè)距離一定時(shí), 滿足最小探測(cè)功率的激光束擴(kuò)束前后各參數(shù)的變化, 發(fā)射激光束經(jīng)過擴(kuò)束后對(duì)脈沖頻率降低發(fā)揮了顯著的作用. 擴(kuò)束前后對(duì)系統(tǒng)探測(cè)精度基本沒有影響. 設(shè)計(jì)單脈沖激光周向掃描探測(cè)系統(tǒng)的最大光束角以及最低脈沖頻率fmin, 在滿足不等式組(22)式的可取區(qū)間內(nèi),取小于的任一值均可滿足目標(biāo)回波功率大于最低探測(cè)功率, 同樣在確定光束角后, 脈沖頻率f大于fmin的任一值均可滿足目標(biāo)回波功率大于最低探測(cè)功率.
表3 不同入射角 下的nmin, , 以及fminTable 3. nmin, , and fmin at different incident angles .
表3 不同入射角 下的nmin, , 以及fminTable 3. nmin, , and fmin at different incident angles .
入射角擴(kuò)束后 /rad kmin fmin/Hz/rad /rad /rad k f/Hz /rad 0.0345 0.0025 182 54411 0.2417 0.2417 26 7798.740.0422 0.0025 149 44425 0.2513 0.2513 25 7500.82 0.0598 0.0025 105 31411 0.2513 0.2513 25 7500.82
本文基于單光束擴(kuò)束掃描激光周視探測(cè)工作原理, 推導(dǎo)了最低掃描頻率和脈沖頻率解析式; 分析了圓柱目標(biāo)回波特性, 建立了截面衰減系數(shù)K(R)和脈沖擴(kuò)束激光圓柱目標(biāo)回波功率數(shù)學(xué)模型, 討論了入射角、光束中心線偏角以及投影面光束角對(duì)K(R)的影響并得到不漏測(cè)目標(biāo)需要滿足的最大相鄰脈沖光束夾角表達(dá)式; 重點(diǎn)分析了脈沖頻率、激光入射角、光束角對(duì)不同直徑目標(biāo)的探測(cè)能力的影響; 對(duì)于典型探測(cè)條件, 計(jì)算得到了滿足系統(tǒng)最小探測(cè)功率的最低掃描頻率nmin、最大光束角以及最低脈沖頻率fmin. 分析和計(jì)算結(jié)果表明對(duì)于掃描周視激光探測(cè)系統(tǒng)采用激光擴(kuò)束的方法能夠有效降低脈沖頻率要求, 通過系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化能夠提高脈沖激光周向掃描探測(cè)發(fā)射功率能量利用率、減小激光發(fā)射器的負(fù)擔(dān). 研究結(jié)果可為單光束脈沖激光周視探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供理論依據(jù).