游安華,甘 霖

(1.南京理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心,江蘇 南京 210094;2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

1 引 言

脈沖激光定向性好、測量精度優(yōu)異,在民用設(shè)備和武器裝備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-4]?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境日新月異,例如基于“硬殺傷”機(jī)制的各類主動防御系統(tǒng)[5]、基于定向聚能起爆概念的各類高效毀傷戰(zhàn)斗部[6-10],均要求激光探測系統(tǒng)在原有直瞄式點對點探測基礎(chǔ)上,具備空間全方位覆蓋的探測能力。

針對脈沖激光空間全向探測問題,文獻(xiàn)[11]利用激光條紋管對目標(biāo)進(jìn)行成像實現(xiàn)全向探測,文獻(xiàn)[12]采用二維交疊掩膜編碼技術(shù)實現(xiàn)近程目標(biāo)高精度角度探測,上述方法探測精度高,但由于使用了面陣探測器,傳感單元多、探測周期較長;文獻(xiàn)[13]區(qū)別于上述靜態(tài)全向探測,采用雙向電機(jī)帶動激光360°掃描實現(xiàn)空間全向探測,將傳統(tǒng)的激光靜態(tài)探測方式改進(jìn)為動態(tài)掃描方式,擴(kuò)大了探測范圍;文獻(xiàn)[14]基于激光同步掃描機(jī)制,重點研究了脈沖激光頻率和電機(jī)掃描速率等對目標(biāo)捕獲率的影響,沒有涉及激光回波特性方面的探討。

本文針對脈沖激光空間全向探測問題,研究了激光同步動態(tài)掃描探測機(jī)理下的目標(biāo)回波特性?；诩す饨鼒鎏綔y理論,在激光回波方程一般形式上,推導(dǎo)出基于激光動態(tài)探測機(jī)理的目標(biāo)回波輪廓波形方程,結(jié)合實際探測實驗,從理論和實驗兩方面,分別探討了脈沖激光發(fā)射功率、激光脈寬、光束發(fā)散角和目標(biāo)距離對目標(biāo)回波特性的影響機(jī)制。

2 激光動態(tài)掃描探測機(jī)理

激光動態(tài)掃描探測方法的系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)由脈沖激光收發(fā)組件(SPLPL90-3型脈沖激光發(fā)射器、LSSAPD8-500型光敏傳感器)、光學(xué)整形組件(發(fā)射準(zhǔn)直透鏡、接收聚焦透鏡、中空全反鏡、全反平面鏡)以及動態(tài)掃描組件掃描電機(jī)組成。

圖1 激光動態(tài)掃描探測方法系統(tǒng)組成

其探測機(jī)理如圖2所示,脈沖觸發(fā)信號經(jīng)驅(qū)動電路點亮SPLPL90-3激光器,另一路觸發(fā)信號作為距離解算的起點信號,脈沖激光器發(fā)出的光束經(jīng)過發(fā)射準(zhǔn)直透鏡整形后,經(jīng)過中空全反鏡的中空部位后照射至全反平面鏡,由全反平面鏡改變光束傳播路徑,掃描電機(jī)帶動全反平面鏡旋轉(zhuǎn),從而將單光束擴(kuò)展形成為空間全向探測場,當(dāng)探測到目標(biāo)后,回波信號經(jīng)過全反平面鏡和中空全反鏡兩次反射后,由聚焦透鏡整形匯聚至光敏傳感器,經(jīng)過接收電路光電轉(zhuǎn)化處理后,最后經(jīng)過閾值解算電路測量目標(biāo)距離。

圖2 激光動態(tài)掃描探測機(jī)理

3 激光動態(tài)掃描探測目標(biāo)回波特性

在近程探測過程中,脈沖激光回波方程一般形式為:

(1)

其中,Pt為發(fā)射功率;Gt為增益倍數(shù);Rt為發(fā)射系統(tǒng)和目標(biāo)距離;Rr為接收系統(tǒng)與目標(biāo)距離;σ為探測目標(biāo)散射面積;D為光學(xué)接收系統(tǒng)通光口徑;ηa是大氣介質(zhì)光學(xué)透過率;ηs為脈沖激光光學(xué)系統(tǒng)透過率。

目標(biāo)散射截面方程可以積分形式表示為:

σ=?4πfr(β)cos2βdA

(2)

其中,fr(·)表示雙向反射分布函數(shù);β是激光入射角;dA是單位面元。

結(jié)合公式(2)、公式(1)的積分形式可推導(dǎo)為:

(3)

其中,E(x,y,z)表示高斯光照度,x為脈沖激光散射截面單位面元橫坐標(biāo),y為脈沖激光散射截面單位面元縱坐標(biāo)。

高斯光照度為:

(4)

其中,ω0是激光束腰半徑,ω0=2λ/πφ;φ是激光束散角;λ是脈沖激光波長;d0為高斯光束中心與目標(biāo)之間的距離。

由于重尾函數(shù)能更好擬合激光器輸出脈沖,本文選用重尾函數(shù)來模擬激光器輸出脈沖,其形式為:

f(t)=P0(t/τ)2exp(-t/τ)

(5)

其中,P0為脈沖激光峰值功率;τ為脈寬。

結(jié)合上述推導(dǎo),脈沖激光回波功率方程可表示為:

(6)

由于脈沖激光回波波形與回波功率的關(guān)系為:

(7)

從而基于激光動態(tài)探測機(jī)理的目標(biāo)回波輪廓波形方程可表示為:

(8)

經(jīng)上述回波方程的推導(dǎo),結(jié)合公式(8)可看出,基于激光動態(tài)探測機(jī)理的目標(biāo)回波和激光發(fā)射功率P0成正比,此外,與激光脈寬τ、光束發(fā)散角φ、目標(biāo)距離d0等因素也密切相關(guān),本文分別研究上述影響因子對基于激光動態(tài)探測機(jī)理的目標(biāo)激光回波特性的影響規(guī)律,相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真計算參數(shù)

首先研究目標(biāo)激光回波特性和脈沖激光發(fā)射功率的內(nèi)在關(guān)系。設(shè)置激光發(fā)射脈寬為10 ns,光束發(fā)散角為20 mrad,目標(biāo)距離為9 m,發(fā)射功率從10 W增加至30 W,步長為5,在不同脈沖激光發(fā)射功率下的目標(biāo)激光回波波形如圖3所示。可見,隨著脈沖激光發(fā)射功率的增加,回波信號幅值從0.6 V提升至4.2 V,當(dāng)發(fā)射功率大于15 W時,回波信號峰值已超過1.4 V,并且回波信號脈寬隨著發(fā)射功率的增加而有所壓縮。

圖3 不同脈沖激光發(fā)射功率的目標(biāo)回波特性

接下來研究激光脈寬對目標(biāo)激光回波特性的影響。設(shè)置激光發(fā)射功率為20 W,光束發(fā)散角為20 mrad,目標(biāo)距離為9 m,激光發(fā)射脈寬從5 ns增加至25 ns,步長為5,在不同激光發(fā)射脈寬下的目標(biāo)激光回波波形如圖4所示。可見,隨著激光發(fā)射脈寬的增加,回波信號幅值從2.8 V降低至1.4 V,回波信號脈寬隨之有所展寬。

圖4 不同激光脈寬的目標(biāo)回波特性

光束發(fā)散角會影響脈沖激光空間分布,為了研究目標(biāo)激光回波特性和激光光束發(fā)散角的內(nèi)在關(guān)系,設(shè)置激光發(fā)射功率為20 W,激光發(fā)射脈寬為10 ns,光束發(fā)散角為20 mrad,目標(biāo)距離為9 m,光束發(fā)散角從10 mrad增加至30 mrad,步長為5,在不同光束發(fā)散角下的目標(biāo)激光回波波形如圖5所示?？梢?隨著光束發(fā)散角的增加,回波信號幅值從2.5 V降低至1.9 V,回波信號脈寬隨之展寬。

圖5 不同光束發(fā)散角的目標(biāo)回波特性

最后研究目標(biāo)激光回波特性和目標(biāo)距離的內(nèi)在關(guān)系。設(shè)置激光發(fā)射功率為20 W,激光發(fā)射脈寬為10 ns,光束發(fā)散角為20 mrad,光束發(fā)散角20 mrad,目標(biāo)距離從5 m增加至13 m,步長為2,在不同目標(biāo)距離下的目標(biāo)激光回波波形如圖6所示。可見,隨著目標(biāo)距離的增加,回波信號幅值從5.95 V降低至0.45 V,當(dāng)目標(biāo)距離小于11 m時,回波信號峰值大于1.4V,回波信號脈寬隨著目標(biāo)距離的增加而有所展寬。

圖6 不同目標(biāo)距離的目標(biāo)回波特性

4 實驗與分析

在理論推導(dǎo)與分析的基礎(chǔ)上,搭建激光動態(tài)掃描探測實驗,進(jìn)一步探索激光回波特性影響因素,實驗平臺如圖7所示。平臺由探測系統(tǒng)、電源及控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和模擬目標(biāo)構(gòu)成。

圖7 探測實驗平臺

首先驗證脈沖激光發(fā)射功率對目標(biāo)回波特性的影響。調(diào)整控制系統(tǒng),設(shè)置激光發(fā)射脈寬為10 ns,光束發(fā)散角為20 mrad,目標(biāo)放置于距離9 m處,發(fā)射功率從10 W調(diào)整至30 W,步長為5,讀取數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù),在不同激光發(fā)射功率下的實測回波波形如圖8所示?？梢?隨著激光發(fā)射功率的增加,回波信號幅值從0.6 V提升至4 V,當(dāng)發(fā)射功率大于15 W時,信號峰值超過1.3 V,信號脈寬隨著發(fā)射功率的增加而有所壓縮。

圖8 不同脈沖激光發(fā)射功率的目標(biāo)回波特性

其次研究激光脈寬對目標(biāo)激光回波特性的影響。調(diào)整控制系統(tǒng),設(shè)置激光發(fā)射功率為20 W,光束發(fā)散角為20 mrad,目標(biāo)距離為9 m,激光發(fā)射脈寬從5 ns調(diào)整至25 ns,步長為5,讀取數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù),在不同激光發(fā)射脈寬下的實測回波波形如圖9所示?？梢?隨著激光發(fā)射脈寬的增加,回波信號幅值從2.7 V降低至1.3 V,信號脈寬隨之有所展寬。

圖9 不同激光脈寬的目標(biāo)回波特性

接下來研究激光光束發(fā)散角和激光回波特性的內(nèi)在關(guān)系。調(diào)整控制系統(tǒng),設(shè)置激光發(fā)射功率為20 W,激光發(fā)射脈寬為10 ns,光束發(fā)散角為20 mrad,目標(biāo)距離為9 m,光束發(fā)散角從10 mrad調(diào)整至30 mrad,步長為5,在不同光束發(fā)散角下的實測回波波形如圖10所示。可見,隨著光束發(fā)散角的增加,回波信號幅值從2.6 V降低至1.8 V,信號脈寬隨之展寬。

圖10 不同光束發(fā)散角的目標(biāo)回波特性

最后研究目標(biāo)距離和目標(biāo)激光回波特性的內(nèi)在關(guān)系。調(diào)整控制系統(tǒng),設(shè)置激光發(fā)射功率為20 W,激光發(fā)射脈寬為10 ns,光束發(fā)散角為20 mrad,光束發(fā)散角20 mrad,目標(biāo)距離從5 m調(diào)整至13 m,步長為2,在不同目標(biāo)距離下的實測回波波形如圖11所示?？梢?隨著目標(biāo)距離的增加,回波信號幅值從5.7 V降低至0.4 V,當(dāng)目標(biāo)距離小于11 m時,回波信號峰值大于1.3 V,信號脈寬隨著目標(biāo)距離的增加而有所展寬。

圖11 不同目標(biāo)距離的目標(biāo)回波特性

5 結(jié) 論

本文針對激光近程全向動態(tài)探測問題,基于激光動態(tài)掃描探測機(jī)理,在激光近場探測理論基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出基于激光動態(tài)探測機(jī)理的目標(biāo)回波輪廓波形方程,分別從理論推導(dǎo)和實驗分析兩方面入手,研究了目標(biāo)回波特性影響機(jī)理,結(jié)果表明:1)隨著發(fā)射功率的增加,回波信號幅值提升幅度較大,脈寬壓縮;2)隨著激光發(fā)射脈寬的增加,回波信號幅值呈現(xiàn)快速下降,且脈寬展寬;3)隨著光束發(fā)散角的提高,回波幅值緩慢降低且脈寬展寬;4)隨著目標(biāo)距離的增加,回波信號幅值迅速降低且脈寬展寬。本研究結(jié)果為探索激光近程探測精度提供了理論支撐。