陳勝哲，景艷紅，任 寧，張佳寧，祝 偉

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

目前，微振動(dòng)擾動(dòng)源普遍存在于航天器飛行任務(wù)中[1]，航天器部段結(jié)構(gòu)的地面試驗(yàn)或飛行中引入的微振動(dòng)對(duì)飛行器工作狀態(tài)及關(guān)鍵部段性能、壽命可能產(chǎn)生極大影響[2]，在一定范圍內(nèi)制約了航天器高精度高敏感度數(shù)據(jù)獲取。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，彈箭上微弱振動(dòng)信號(hào)精確測(cè)量——振動(dòng)信號(hào)在一定范圍內(nèi)屬于微位移信號(hào)，不僅是全面了解航天器工作狀態(tài)的重要技術(shù)支撐，同時(shí)也是開(kāi)展可靠性增長(zhǎng)研究及高精度獲取振動(dòng)遙測(cè)參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)[3]。

在激光雷達(dá)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（即激光振動(dòng)/微位移探測(cè)儀）中，從包含了瑞利散射、拉曼散射等豐富信息的回波中提取更精細(xì)的振動(dòng)幅值位移信息，為準(zhǔn)確提取遙測(cè)振動(dòng)或地面試驗(yàn)的振動(dòng)信號(hào)，需要對(duì)該復(fù)合回波中的拉曼散射信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量并提取。拉曼散射強(qiáng)度為復(fù)合回波信號(hào)入射探測(cè)器光強(qiáng)的10-11～10-6倍[4]，屬微弱信號(hào)探測(cè)。此外，由于用于航天振動(dòng)測(cè)量的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)中雜散光的存在，即混雜在復(fù)合回波光束中經(jīng)該激光雷達(dá)系統(tǒng)光路折反射到達(dá)像面的有害、非目標(biāo)光束，也會(huì)對(duì)遙測(cè)振動(dòng)微弱信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)存在極大干擾。理論上，雜光又可分為外雜光和內(nèi)雜光：外雜光主要有瑞利散射光和熒光，內(nèi)雜光則為來(lái)自分光器或光柵多級(jí)衍射的光散射，不含器件表面反射。激光振動(dòng)/微位移探測(cè)儀的精細(xì)化測(cè)量（振動(dòng)幅值位移量測(cè)量）對(duì)雜散光抑制和微弱信號(hào)提取水平有較高要求。為實(shí)現(xiàn)上述要求，需要對(duì)激光振動(dòng)位移探測(cè)系統(tǒng)的雜散光開(kāi)展分析并進(jìn)行抑準(zhǔn)，在準(zhǔn)確獲取微弱振動(dòng)信號(hào)的基礎(chǔ)上，采用適當(dāng)?shù)姆椒ń档捅尘案蓴_。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于雜光測(cè)量、計(jì)算與分析、抑制等研究均已相對(duì)成熟，目前基于雜散光的研究廣泛應(yīng)用于各類(lèi)大型空間光學(xué)系統(tǒng)[5]：如中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所采用遮光罩和擋光板對(duì)中紅外平面光柵光譜儀系統(tǒng)進(jìn)行雜散光分析[6]；中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所針對(duì)新型便攜式中階梯光柵光譜儀的光學(xué)設(shè)計(jì)與消雜散光進(jìn)行研 究[7]。但均未從振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)角度出發(fā)，區(qū)分性研究每部分在微弱信號(hào)提取中可實(shí)現(xiàn)的貢獻(xiàn)與權(quán)重。本文針對(duì)屬于微弱信號(hào)探測(cè)的小型化激光微位移（振動(dòng)幅值）測(cè)量系統(tǒng)的微弱信號(hào)提取進(jìn)行了綜合分析。

1 微弱振動(dòng)信號(hào)提取理論依據(jù)

1.1 拉曼回波方程

理論上，激光雷達(dá)的拉曼散射電壓回波方程[8]，如式（1）所示：

式中z為距離待測(cè)振動(dòng)目標(biāo)的直線單程距離；Vg(z)為待測(cè)振動(dòng)目標(biāo)回波電壓；Ng(z)為入射光子數(shù)；為待測(cè)目標(biāo)的表面散射系數(shù)；σ（z′,λ）入射光的散射截面面積；σ（z′,λg）為被測(cè)振動(dòng)目標(biāo)的散射截面面積，正相關(guān)于對(duì)應(yīng)待測(cè)目標(biāo)的散射面元輻照亮度；CA(λg)為被測(cè)目標(biāo)的校準(zhǔn)系數(shù)。

1.2 信噪比

激光雷達(dá)拉曼散射信噪比方程[8]，如式（2）所示：

式中Ns（z）為被測(cè)振動(dòng)對(duì)象的回波光子數(shù)，與Vg(z)存在正比例關(guān)系。M為累積激光脈沖數(shù)；Nb為背景噪聲即外雜光和內(nèi)雜光；Nd為白噪聲等電噪聲。

分析上述待測(cè)振動(dòng)目標(biāo)回波電壓公式中的主要物理量，同時(shí)結(jié)合待測(cè)目標(biāo)散射面元散射返回的輻射亮度以及入射激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的輻射照度比值可知：微弱振動(dòng)位移信號(hào)獲取可通過(guò)孔徑光闌對(duì)雜散光的控制、圓錐型光學(xué)陷阱對(duì)零級(jí)衍射光的控制等方法實(shí)現(xiàn)；通過(guò)分析上述待測(cè)振動(dòng)目標(biāo)激光雷達(dá)回波信噪比公式中的主要物理量可知，飛行中或地面試驗(yàn)中微弱振動(dòng)位移信號(hào)獲取可通過(guò)電磁屏蔽設(shè)計(jì)以及探測(cè)器噪聲分析實(shí)現(xiàn)。

2 微弱信號(hào)提取方法

2.1 優(yōu)化孔徑光闌

激光振動(dòng)微位移探測(cè)儀內(nèi)部的光譜儀由于入射數(shù)值孔徑與準(zhǔn)直鏡數(shù)值孔徑不匹配導(dǎo)致大量入射光線入射到光譜儀內(nèi)部，上述光線經(jīng)過(guò)光譜儀內(nèi)壁和輔件多次反射和散射會(huì)再次進(jìn)入分光系統(tǒng)，最終比較集中地到達(dá)探測(cè)器且與所需探測(cè)對(duì)象信號(hào)能量相當(dāng)。對(duì)此在光譜儀狹縫后設(shè)計(jì)優(yōu)化孔徑光闌，預(yù)先將大角度光線散射掉，保證系統(tǒng)入射能量的同時(shí)避免大角度散射光進(jìn)入探測(cè)器像面。降低光通量閾值，圖1a 為無(wú)光闌設(shè)置狀態(tài)（照度為8057 W）下激光雷達(dá)探測(cè)器接受被測(cè)目標(biāo)的表面輻照度分析，圖1b 為有光闌設(shè)置狀態(tài)（照度為7332 W）下激光雷達(dá)探測(cè)器接受被測(cè)目標(biāo)的表面輻照度分析，兩圖的縱坐標(biāo)為色度坐標(biāo)為歸一化的探測(cè)器表面輻照度強(qiáng)度，在圖1a 中出現(xiàn)輻照強(qiáng)度為e-3量級(jí)的雜散光，根據(jù)式（2）可知，雜散光作為背景噪聲Nb的一部分會(huì)直接降低系統(tǒng)信噪比，而影響測(cè)量效果；當(dāng)設(shè)置光闌后，如圖1b 所示，照度為7332 W 時(shí)，雜散光明顯減少，提升了系統(tǒng)信噪比。分析表明，通過(guò)改進(jìn)數(shù)值孔徑可使雜散光能量（歸一化后）由10-4降低為10-6，甚至消失，主要特別說(shuō)明的是：該步驟對(duì)于孔徑不匹配引入的直接入射雜光具有良好的抑制效果，但并不適用于探測(cè)器其余位置被動(dòng)引入或主動(dòng)產(chǎn)生的其他雜光范疇。

圖1 無(wú)光闌及有光闌的小型化激光振動(dòng)微位移測(cè)量?jī)x探測(cè)器表面輻照度分布Fig.1 Irradiation Intensity on the Surface of a Micro Drift Detector of the Miniature Raman Spetrometer

2.2 圓錐型光學(xué)陷阱設(shè)計(jì)

激光振動(dòng)/微位移探測(cè)儀最主要的內(nèi)部雜散光來(lái)源于光柵衍射產(chǎn)生的零級(jí)雜光，該零級(jí)雜光經(jīng)過(guò)光譜儀內(nèi)壁和輔件的多次反射、散射再次產(chǎn)生大量雜亂光線，這些光線則沿光路進(jìn)入分光系統(tǒng)并分散抵達(dá)探測(cè)器成像面。影響最終微弱振動(dòng)信號(hào)，即微位移信號(hào)探測(cè)，因此消除光柵零級(jí)衍射光十分必要。

目前消除光柵零級(jí)次衍射光的最佳辦法是在光譜儀內(nèi)部設(shè)計(jì)后置擋光闌即光學(xué)陷阱，如圓錐型光學(xué)陷阱?；趫A錐型光學(xué)陷阱分別設(shè)計(jì)高度相同頂角不同（即錐度不同）的圓錐體，如圖2 所示，結(jié)果表明錐度越小的圓錐型光學(xué)陷阱內(nèi)表面能夠吸收更多雜散光線，其雜散光消除的能力則更強(qiáng)。

圖2 激光振動(dòng)微位移探測(cè)儀光學(xué)系統(tǒng)子午面內(nèi)光學(xué)陷阱折反射光路Fig.2 Refelction of Straylight in Merdian Plane of Receiver of Stray Light of the Lidar Optical System

2.3 探測(cè)器噪聲理論分析

激光振動(dòng)微位移探測(cè)儀基于測(cè)量彈箭上某部段結(jié)構(gòu)體表面的微位移解算該處振動(dòng)信息，特別針對(duì)常規(guī)傳感器不具備安裝可達(dá)性的測(cè)點(diǎn)以及需實(shí)現(xiàn)較現(xiàn)有常規(guī)傳感器更高精度（優(yōu)于10%F.S.）振動(dòng)測(cè)量的測(cè)點(diǎn)。上述這些測(cè)點(diǎn)均具備復(fù)雜環(huán)境背景的特征，在復(fù)雜環(huán)境條件下激光雷達(dá)微弱振動(dòng)信號(hào)/微位移信號(hào)回波檢測(cè)極易受環(huán)境噪聲和背景噪聲的影響。同時(shí)，由于彈箭上待測(cè)目標(biāo)與激光雷達(dá)系統(tǒng)安裝位置坐標(biāo)之間存在相對(duì)位移，這也要求激光振動(dòng)微位移探測(cè)儀需具備捕捉待測(cè)目標(biāo)較大范圍動(dòng)態(tài)特征的能力，在有效測(cè)量量程區(qū)間內(nèi)對(duì)待測(cè)目標(biāo)有較高的探測(cè)靈敏度。因此，除通過(guò)孔徑光闌設(shè)計(jì)控制進(jìn)入激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的雜散光、合理化光學(xué)陷阱設(shè)計(jì)外，還需激光雷達(dá)的光電探測(cè)器的光敏表面靈敏度均勻、其量子效率穩(wěn)定且具有高頻響應(yīng)的能力，以及激光雷達(dá)的后端接收電路部分可實(shí)現(xiàn)較大動(dòng)態(tài)線性范圍響應(yīng)的能力。

激光雷達(dá)在接收來(lái)自彈箭上含有探測(cè)目標(biāo)振動(dòng)信息的拉曼后向散射回波的同時(shí)，還受激光雷達(dá)光電探測(cè)器暗計(jì)數(shù)噪聲、環(huán)境背景輻射噪聲以及其他后向散射噪聲等諸多類(lèi)噪聲的干擾[9]。理論上，激光雷達(dá)的光電探測(cè)器噪聲主要分為散粒噪聲與熱噪聲，高頻工作時(shí)，光電探測(cè)器主要噪聲來(lái)源為散粒噪聲。其中散粒噪聲主要由信號(hào)光Nb1、背景光Nb2和暗電流Nd組成：:

式中β（z）為激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中接收的其他后向散射截面積；η為激光雷達(dá)系統(tǒng)光電探測(cè)器探測(cè)面的量子效率；Pb為激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中環(huán)境背景光強(qiáng)度；θ為激光雷達(dá)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)天線的接收視場(chǎng)；Δλ為激光雷達(dá)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中分光系統(tǒng)半寬度；N CPS為激光雷達(dá)光電接收探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)速率；λ為激光波長(zhǎng)；h為普朗克常數(shù)；Δt為光子計(jì)數(shù)器的采集時(shí)間；Ar為光學(xué)天線的有效面積。

振動(dòng)回波光電信號(hào)進(jìn)入由放大器與光電倍增管結(jié)合而成的激光振動(dòng)微位移探測(cè)儀的采集系統(tǒng)。根據(jù)式（3）至式（5），采集系統(tǒng)選擇線性度好、靈敏度高、響應(yīng)速度快、暗電流小、線性范圍大的光電倍增管作為激光雷達(dá)的信號(hào)探測(cè)器，以滿足具有信號(hào)波動(dòng)大、探測(cè)時(shí)間短等特征的微弱振動(dòng)/微弱微位移的激光雷達(dá)回波信號(hào)。為確保能夠可靠探測(cè)并成功提取到僅占全部回波信號(hào)的10-11～10-6倍的振動(dòng)回波信號(hào)，可通過(guò)將光電倍增管的輸出端連接于電流信號(hào)放大器上，實(shí)現(xiàn)電流μA 級(jí)信號(hào)向電壓mV 級(jí)信號(hào)的轉(zhuǎn)變，將有利于提升彈箭上振動(dòng)信號(hào)/微位移信號(hào)的獲取精確度[10]。

理論上，當(dāng)較微弱的光信號(hào)進(jìn)入光電二極管時(shí)，一般可認(rèn)為熱噪聲干擾對(duì)光電二極管探測(cè)能力影響較大。當(dāng)不存在外場(chǎng)作用時(shí)，電子在導(dǎo)體和半導(dǎo)體中無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有電流；但由于漲落作用的存在，相向運(yùn)動(dòng)的電子總數(shù)不盡相同，此時(shí)，在導(dǎo)體和半導(dǎo)體中出現(xiàn)噪聲電壓，噪聲電壓均方值為

式中K為波爾茲曼常數(shù)；T為二極管內(nèi)材料上的溫度；R（f）為探測(cè)器中電阻隨頻率變化的關(guān)系。

通過(guò)式（6）可知，激光振動(dòng)微位移探測(cè)儀探測(cè)系統(tǒng)噪聲的來(lái)源是檢測(cè)電路帶寬及其溫度。由此，利用降低探測(cè)器工作溫度、控制檢測(cè)電路帶寬可實(shí)現(xiàn)抑制噪聲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信噪比的提高。

2.4 電磁屏蔽

在用于航天器振動(dòng)信號(hào)測(cè)量的激光雷達(dá)光電檢測(cè)電路中內(nèi)部電路噪聲與外部擾動(dòng)同時(shí)存在。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，當(dāng)電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，其場(chǎng)量振幅以指數(shù)規(guī)律隨傳輸距離的增加而衰減；同時(shí)結(jié)合能量守恒的觀點(diǎn)，當(dāng)電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，能量隨傳輸距離的增加衰減。針對(duì)良導(dǎo)體材料，利用趨膚效應(yīng)，可有效阻止高頻電磁波的透入；反之，處于金屬屏蔽殼內(nèi)，由設(shè)備或元器件產(chǎn)生的電磁信號(hào)也不會(huì)透出金屬殼，影響外部設(shè)備。

電磁屏蔽是抑制干擾、減小噪聲、增強(qiáng)設(shè)備可靠性、提高產(chǎn)品信噪比、提升產(chǎn)品質(zhì)量的重要方法。用于航天器振動(dòng)信號(hào)測(cè)量的激光雷達(dá)光電檢測(cè)電路中使用聲光調(diào)制器，其調(diào)制頻率為100 MHz，一方面為防止電磁耦合對(duì)光電二極管的影響，根據(jù)電磁屏蔽設(shè)計(jì)理念，將其置于屏蔽盒內(nèi)，從而減小電磁干擾；另一方面，為減少外部干擾，將光電探測(cè)器放大電路、濾波電器與偏置電路放在屏蔽盒中，提高信噪比。此外，為保證放大器輸出信噪比最大，前置放大器與其輸入電路還應(yīng)進(jìn)行噪聲匹配設(shè)計(jì)。

電磁屏蔽的設(shè)計(jì)理念長(zhǎng)期存在與航天彈箭上產(chǎn)品上，因此對(duì)于用于航天器振動(dòng)測(cè)量的激光雷達(dá)系統(tǒng)該方法屬于必備的基本屬性，對(duì)微弱信號(hào)獲取的影響及微弱信號(hào)提取優(yōu)化此處不再贅述。

3 結(jié) 論

本文從激光雷達(dá)拉曼散射回波電壓方程和信噪比方程入手，提出了基于激光振動(dòng)微位移探測(cè)儀微弱信號(hào)提取的4 種技術(shù)手段：a）對(duì)激光振動(dòng)幅值位移測(cè)量系統(tǒng)的雜散光進(jìn)行了分析，在研究了孔徑光闌對(duì)雜散光的影響后，重點(diǎn)分析了光柵零級(jí)次衍射光產(chǎn)生的內(nèi)部雜散光；b）對(duì)常用的圓錐形光學(xué)陷阱的雜散光收集效率進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明,并得出在消除雜光能力方面，同樣深度的光學(xué)陷阱口徑越小時(shí)頂角越小，其能力越強(qiáng)；再次分析了激光振動(dòng)微位移探測(cè)儀接收系統(tǒng)中的噪聲來(lái)源，提出了減小系統(tǒng)噪聲的方法；c）為降低高頻效應(yīng)的不利影響，給出了基于電磁屏蔽降低外界干擾的方法。上述技術(shù)措施對(duì)全面了解航天器工作狀態(tài)、開(kāi)展可靠性增長(zhǎng)研究及獲取高精度振動(dòng)遙測(cè)參數(shù)均具有理論指導(dǎo)意義。