基于光纖耦合的激光引信測(cè)試設(shè)備

徐國(guó)梁，杜運(yùn)通

（中航工業(yè)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009）

0 引 言

激光引信是隨著現(xiàn)代作戰(zhàn)環(huán)境的變化和激光技術(shù)的迅猛發(fā)展而出現(xiàn)的一種近炸引信，目前已廣泛應(yīng)用于空空、地空等導(dǎo)彈中[1-2]。為了能夠測(cè)量激光引信激光發(fā)射功率和對(duì)激光回波的響應(yīng)能力，要求激光引信測(cè)試設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)模擬激光回波，并對(duì)激光回波的功率和引信的響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，激光回波應(yīng)能滿(mǎn)足激光引信時(shí)序要求。

目前，激光引信測(cè)試設(shè)備采用的是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別測(cè)量的方法。當(dāng)前實(shí)用化的激光光束參數(shù)測(cè)量?jī)x基本采用圖像式設(shè)計(jì)，即用CCD 圖像傳感器采集光斑圖像，通過(guò)圖像采集卡送入PC 機(jī)，并通過(guò)對(duì)光斑圖像光強(qiáng)分布的分析得出各種參數(shù)值[3]。接收機(jī)測(cè)量系統(tǒng)則是由標(biāo)準(zhǔn)輻射源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，接收機(jī)接收輻射信號(hào)，輸出信號(hào)經(jīng)放大后輸入到示波器及其他相關(guān)儀器中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。這種方法需要較大的光學(xué)平臺(tái)，而平臺(tái)價(jià)格昂貴，同時(shí)又不能很好地模擬激光引信的回波信號(hào)。

本研究設(shè)計(jì)的激光引信測(cè)試設(shè)備采用基于光纖耦合半實(shí)物仿真方案，將激光引信輸出激光耦合到光纖中，經(jīng)過(guò)處理后再送入激光引信的接收機(jī)；最后，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)，證優(yōu)化的光纖耦合設(shè)計(jì)能夠達(dá)到較高的測(cè)試精度。

1 激光引信原理及測(cè)試方法選擇

激光引信是利用激光束探測(cè)目標(biāo)的引信，一般激光引信的組成包括激光發(fā)射機(jī)、激光接收機(jī)、信號(hào)處理電路和執(zhí)行級(jí)電路組成[4]。空空導(dǎo)彈上使用的激光引信的激光發(fā)射機(jī)一般采用一定重復(fù)頻率的脈沖激光。當(dāng)目標(biāo)被激光發(fā)射機(jī)照射，并位于接收機(jī)視場(chǎng)內(nèi)時(shí)，激光接收機(jī)的探測(cè)器接收到部分目標(biāo)漫發(fā)射光，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。接收機(jī)的放大電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大后、將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送給信號(hào)處理系統(tǒng)。信號(hào)處理系統(tǒng)根據(jù)回波信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和干擾識(shí)別，當(dāng)符合近炸引炸條件后，系統(tǒng)給出引炸信號(hào)給執(zhí)行級(jí)；執(zhí)行級(jí)進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)后，輸出戰(zhàn)斗部點(diǎn)火信號(hào)[5]。

1.1 激光發(fā)射機(jī)

空空導(dǎo)彈激光引信通常采用主動(dòng)發(fā)射接收系統(tǒng)、窄脈沖激光體制和周視近炸方式。主動(dòng)發(fā)射接收方式容易實(shí)現(xiàn)。窄脈沖方式能夠?qū)崿F(xiàn)較大脈沖峰值功率，而平均功率不會(huì)增加，可以有效地提高探測(cè)距離，增加激光器的使用壽命；同時(shí)采用窄脈沖方式可以方便地對(duì)激光進(jìn)行編碼，利于實(shí)現(xiàn)抗干擾和目標(biāo)識(shí)別算法[6]。

發(fā)射機(jī)主要參數(shù)就是發(fā)射光功率，表征激光引信輸出的激光能量大小。目前采用的測(cè)試方法有平均光功率計(jì)法和峰值功率檢測(cè)法。

平均光功率計(jì)測(cè)量光功率后，再通過(guò)轉(zhuǎn)換公式得到脈沖光功率。其優(yōu)點(diǎn)是可以采集到精度較高的平均光功率計(jì)；缺點(diǎn)是平均光功率計(jì)無(wú)法直接測(cè)量峰值光功率，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其測(cè)試精度受到脈寬和重復(fù)頻率的精度影響。

峰值檢測(cè)法使用光電傳感器接收激光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號(hào)；利用前置放大器完成電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換；主放將其放大到合適幅度，輸出到A/D 或示波器等測(cè)量裝置來(lái)測(cè)量信號(hào)幅度。其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)對(duì)峰值光功率進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)能夠?qū)γ}沖寬度和脈沖頻率進(jìn)行測(cè)量；缺點(diǎn)是其測(cè)試結(jié)果受光電轉(zhuǎn)換效率、光學(xué)系統(tǒng)衰減和放大電路增益的影響，適用于測(cè)量精度要求較低的系統(tǒng)。

隨著激光引信技術(shù)的發(fā)展，激光引信輸出的脈沖寬度和頻率穩(wěn)定性較高，發(fā)射光峰值功率采用直接測(cè)量法，能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度。

1.2 激光接收機(jī)

激光引信接收機(jī)系統(tǒng)一般包括探測(cè)器、前放、接收光學(xué)系統(tǒng)、主放電路等組成。

探測(cè)器接收目標(biāo)的漫發(fā)射激光后，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，主放電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后送到比較器，對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行判別，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送信號(hào)處理電路[7]。

激光接收機(jī)主要參數(shù)為激光引信靈敏度，表征激光引信能夠判定的最小接收光功率值。目前主要的實(shí)現(xiàn)途徑有以下兩種。

（1）直接測(cè)量法。通過(guò)外加的可調(diào)光源，輸入到激光引信的輸入窗口，通過(guò)調(diào)節(jié)光源的功率來(lái)測(cè)量激光引信的靈敏度。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是光束準(zhǔn)直性好、光功率調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、一致性和可靠性高。缺點(diǎn)是激光引信要求對(duì)輸入的光信號(hào)寬度、波長(zhǎng)、調(diào)制頻率與激光引信的發(fā)射時(shí)鐘同步，且滿(mǎn)足判別系統(tǒng)的要求。激光器電源設(shè)計(jì)難度大，系統(tǒng)時(shí)鐘同步難度大。

（2）激光耦合半實(shí)物仿真測(cè)量。通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光引信發(fā)射出來(lái)的激光經(jīng)過(guò)衰減后，送入接收窗口[8]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是光信號(hào)的特征滿(mǎn)足判決系統(tǒng)的要求，而且產(chǎn)品較為成熟，減少了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，能最好地模仿實(shí)際的目標(biāo)回波特性。但這種方法的測(cè)試精度受到激光耦合光纖的效率和光學(xué)系統(tǒng)衰減的影響，要想提高測(cè)試精度，必須要提高激光耦合光纖的效率。

2 設(shè)計(jì)方案

發(fā)射功率和接收靈敏度測(cè)試方法確定后，總體的設(shè)備框圖如圖1 所示。

圖1 設(shè)備總體框圖

設(shè)備由光學(xué)平臺(tái)、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、控制系統(tǒng)、發(fā)射光功率光學(xué)測(cè)試單元和靈敏度光學(xué)單元組成。

發(fā)射光功率測(cè)量采用將光功率探頭通過(guò)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)引信的發(fā)射窗口的方法進(jìn)行測(cè)量。

靈敏度的測(cè)量采用半實(shí)物仿真的方法，通過(guò)分光棱鏡得到輸送到引信接收窗口的準(zhǔn)確光功率值。通過(guò)調(diào)整可調(diào)衰減器，得到激光引信能夠正常反應(yīng)的最小輸入光功率值，從而完成靈敏度的測(cè)量。

電信號(hào)的測(cè)量通過(guò)控制系統(tǒng)將信號(hào)切換到示波器的不同通道進(jìn)行電壓和頻率的測(cè)量。

電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)引信多個(gè)窗口的切換。

2.1 發(fā)射光功率測(cè)量單元

激光引信輸出激光的位置精度由裝配位置保證，其精度不高。激光光功率探頭的光敏面一般較小，激光信號(hào)不能完全匯聚到探頭的光敏面上。為提高測(cè)試精度，本研究將功率探頭放置在3 個(gè)軸向的調(diào)整機(jī)構(gòu)上。Z 軸調(diào)整探頭與發(fā)射窗口的距離，在測(cè)試時(shí)緊貼產(chǎn)品；X、Y 軸調(diào)整偏轉(zhuǎn)方向和位置，保證激光全部落入光功率探頭中。

2.2 靈敏度測(cè)量單元

靈敏度測(cè)量單元的系統(tǒng)圖如圖2 所示。發(fā)射耦合透鏡將發(fā)射激光耦合到光纖中，并在兩者之間加上兩片衰減片來(lái)進(jìn)行定量衰減。光纖輸出的激光通過(guò)分束棱鏡分為兩束，一束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直物鏡將激光束進(jìn)行準(zhǔn)直后，送入產(chǎn)品接收窗口；另一束通過(guò)準(zhǔn)直物鏡和聚光鏡將激光匯聚到光功率探頭的光感面上。

圖2 靈敏度光學(xué)單元設(shè)計(jì)

這套系統(tǒng)的難點(diǎn)在于如何提高將發(fā)射激光耦合到光纖的耦合效率和如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的衰減。

2.2.1 激光耦合光纖設(shè)計(jì)

當(dāng)光由空氣傳輸至光纖時(shí)，根據(jù)全反射的條件，只有當(dāng)入射角超過(guò)臨界角時(shí)，才會(huì)發(fā)生全反射，只有滿(mǎn)足這一條件，光才能在光纖中傳播。根據(jù)文獻(xiàn)記載，要求最大的入射角應(yīng)滿(mǎn)足[9]：

式中：amax—最大的入射角度，n1—纖芯的折射率，n2—包層的折射率。

定義數(shù)值孔徑NA=sin amax，以表征光纖收集光纖的能力。定義孔徑角為2 amax，只有在孔徑角的圓錐內(nèi)的光線才能在光纖中傳播。

激光引信采用半導(dǎo)體激光器輸出激光，輸出光不是均勻的平面波，而是一種曲率半徑和曲率中心都發(fā)生改變的非均勻球面波，通常稱(chēng)為高斯光束[10]，其傳播特性符合[11]：

式中：E(x,y,z)—點(diǎn)(x,y,z)處的電矢量，W(z)—z 點(diǎn)處的光斑半徑，R(z)—z 處的波陣面曲率半徑，φ(z)—與z 有關(guān)的相位因子。

其中：

式中：W0—高斯光束的束腰，是高斯光束的特性參數(shù)。

當(dāng)W0確定后，R(z)和W(z)等參數(shù)按z 值變化并呈特定的函數(shù)關(guān)系，因此當(dāng)高斯光束的束腰確定后，其高斯光束的傳播特性就確定了。

光束在束腰處的光斑半徑W0最小，W(z)隨z 值的增大而增大，這表示光束逐漸發(fā)散。

當(dāng)z=πW0/λ時(shí)，則近場(chǎng)發(fā)射角為：

通常z=0 到此的距離稱(chēng)為高斯光束的準(zhǔn)直距離，在此范圍內(nèi)光束發(fā)散角最小。

要想提高激光引信輸出激光光纖耦合的效率，需要將聚光鏡放置在激光引信的輸出激光束腰處，聚焦后的光束腰斑應(yīng)落于光纖端面上，且入射激光束、耦合透鏡和光纖三者的光軸必須同軸。

耦合光路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 耦合光路設(shè)計(jì)

激光引信光學(xué)系統(tǒng)受結(jié)構(gòu)限制，激光管芯位置安裝精度較低，為提高耦合效率，將激光耦合放置在一個(gè)六維調(diào)整平臺(tái)上。

兩維位移X、Y 實(shí)現(xiàn)了水平兩維調(diào)整，上面放置高度位移臺(tái)，進(jìn)行Z 方向的調(diào)整，X、Y、Z 都具有非常高的調(diào)整精度，以保證聚焦后的光束腰斑落在光纖端面上。轉(zhuǎn)臺(tái)和水平調(diào)整臺(tái)位于高度位移臺(tái)上方，通過(guò)調(diào)節(jié)其上的細(xì)紋螺桿，實(shí)現(xiàn)鏡筒的空間角度旋轉(zhuǎn)（θX、θY、θZ），以保證入射激光束和耦合裝置以及光纖三者同軸，從而保證光纖耦合效率的最大，調(diào)整平臺(tái)的仿真圖如圖4 所示。

圖4 調(diào)整平臺(tái)仿真圖

2.2.2 衰減設(shè)計(jì)

整個(gè)光路的衰減由衰減器的值、光纖耦合效率、光纖傳輸損耗、光學(xué)器件損耗組成。整個(gè)衰減應(yīng)滿(mǎn)足靈敏度測(cè)試需要。

光路不帶衰減器的傳輸效率要求高于10%，為實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)整精度的控制，本研究采用衰減片組合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)衰減調(diào)整，采用單片或多片衰減片調(diào)節(jié)光強(qiáng)。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由：示波器、光功率計(jì)、信號(hào)控制器、步進(jìn)電機(jī)控制器和工控機(jī)組成。

工控機(jī)通過(guò)通訊接口控制步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試窗口切換。信號(hào)測(cè)試控制器將需要的測(cè)試信號(hào)切換到示波器的測(cè)試通道，示波器將測(cè)試結(jié)果返回到工控機(jī)。光功率計(jì)測(cè)試激光信號(hào)，將測(cè)試結(jié)果返回到工控機(jī)。工控機(jī)采用不同的總線接口與通用設(shè)備通訊：

（1）RS232 接口。用于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的通訊接口；

（2）USB 接口。用于將采集到的光功率計(jì)讀數(shù)顯示在軟件界面上的通訊接口；

（3）GPIB 接口。用于將示波器采集到的信號(hào)顯示在軟件界面上的通訊接口。

測(cè)控軟件采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW 進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用基于NIVlSA 的儀器驅(qū)動(dòng)。

VISA 函數(shù)可以通用于基于Ethernet、GPIB、PXI 和串口等多種總線的測(cè)試系統(tǒng)，使用者不必再研究各個(gè)接口總線特定的API。作為儀器I/O 函數(shù)庫(kù)，VISA 編程與傳統(tǒng)的I/O 軟件編程基本相同，主要是通過(guò)設(shè)備的端口讀寫(xiě)操作和屬性控制，實(shí)現(xiàn)與儀器的命令及數(shù)據(jù)的交換。軟件流程如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖

3 結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，本研究對(duì)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析，并用設(shè)備對(duì)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的多個(gè)激光引信進(jìn)行測(cè)試。發(fā)射光功率測(cè)試結(jié)果與真實(shí)值之間的差值小于0.025mW，測(cè)量精度達(dá)到測(cè)試要求。

靈敏度測(cè)試結(jié)果與真實(shí)值之間的差值都小于0.6 μW，測(cè)試精度達(dá)到要求。

接收靈敏度測(cè)試時(shí)需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，本研究采用Gage R&R 測(cè)量系統(tǒng)分析法對(duì)測(cè)試儀器重復(fù)性誤差和測(cè)試者誤差進(jìn)行評(píng)估。具體的方法是：不同操作者對(duì)同一發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，和同一操作者對(duì)不同的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量，以此驗(yàn)證測(cè)試設(shè)備的可靠性和精度。當(dāng)Gage R&R 小于30%，可區(qū)分?jǐn)?shù)大于4 時(shí)，表明測(cè)量系統(tǒng)可以接受。

本研究采用分析軟件minitab 對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了測(cè)量系統(tǒng)分析，得到的激光引信測(cè)試設(shè)備接收靈敏度的Gage R&R 為16.71%，可區(qū)分?jǐn)?shù)為5，表明該系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果是可信的。

分析得到的Xbar 圖和R 極差圖如圖6 所示。

圖6 Xbar 控制圖和R 極差圖

Xbar 圖上控制線以外的點(diǎn)表示操作者始終能夠區(qū)別不同的部件。R 極差圖表示超出在控制上、下限值為非常規(guī)值，通常用這個(gè)圖了解某些操作者是否比其他人更具有重復(fù)性。從圖6 中可以看出，測(cè)量系統(tǒng)能夠區(qū)分不同的部件，而操作者2 比操作者1 更具備重復(fù)性。

從以上的分析來(lái)看，整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試精度已經(jīng)達(dá)到了設(shè)備的技術(shù)要求，但也能看出不同的操作者進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試結(jié)果存在一定的差異。其主要原因是測(cè)試時(shí)需要反復(fù)調(diào)整耦合單元，對(duì)操作者的水平和熟練程度有較高要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了基于光纖耦合的激光引信測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化的激光耦合設(shè)計(jì)，采取較小的光學(xué)測(cè)量平臺(tái)和較少的測(cè)量設(shè)備，能夠達(dá)到較高的光學(xué)測(cè)量精度。

同時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備對(duì)操作者的操作水平有較高要求，后續(xù)研究中需要加強(qiáng)對(duì)操作者的培訓(xùn)，收集和分析測(cè)試結(jié)果，減少調(diào)整環(huán)節(jié)，改善測(cè)試方法，最終將其測(cè)試難度降低。

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