脈寬測向技術(shù)在激光告警設(shè)備中的應(yīng)用

胡進軍+++王江磊

摘 要：通過對多窗口陣列型激光告警系統(tǒng)的研究分析，為激光告警設(shè)備水平方向的識別提出了一種新的設(shè)計方案。通過對比分析得出結(jié)論：該方法在不增加系統(tǒng)探測窗口數(shù)量的基礎(chǔ)上，通過采用脈寬測向技術(shù)，能夠大幅度提高系統(tǒng)的激光方位識別能力。

關(guān)鍵詞：激光告警；脈寬測向；角度分辨力

引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，來自激光的威脅日趨嚴(yán)重。隨著激光武器在實戰(zhàn)中的利用，能夠?qū)す鉁y距、激光制導(dǎo)、激光高能輻射武器等激光武器的快速、正確的告警，特別是精確測定來襲激光的方位，是激光告警發(fā)展的需要。

目前，典型激光告警設(shè)備通常采用多窗口陣列型探測體制對激光威脅源方位進行識別。該類型設(shè)備主要由激光告警天線與告警處理機箱組成，運用告警天線上探測窗口的布局及窗口的視場設(shè)置識別激光威脅源方位。其優(yōu)點是探測靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、視場大、可靠性高、成本較低。但是，為了提高方位的分辨精度，必須使用足夠多的光學(xué)窗口和探測單元，這就導(dǎo)致系統(tǒng)較復(fù)雜。

在對多窗口探測型體制研究基礎(chǔ)上，利用相鄰窗口入射激光的脈沖寬度信息進行識別，在不增加接收窗口的情況下能夠提高系統(tǒng)的方位識別能力。

1 多窗口探測陣列型方位識別原理

多窗口探測陣列型告警器天線的設(shè)計，主要是沿水平圓周均勻排列n個探測窗口，依靠視場光闌限制每個探測窗口的視場。目前常用的激光威脅源水平方位角識別方式，是通過視場光闌將底層探測窗口的視場設(shè)為540°/n，每個探測窗口分別與兩邊探測窗口有180°/n 的視場重合， 同時又有180°/n 的獨立探測視場，處理器根據(jù)探測窗口的告警狀況計算出激光威脅信號的水平方位。

圖1為探測窗口個數(shù)為9的水平視場區(qū)域分布。利用視場光闌將每個探測窗口的視場設(shè)為60°，每個探測窗口分別與兩邊探測窗口有20°的視場重合，又有20°的獨立探測視場。該告警系統(tǒng)的水平角度分辨力為20°。

圖1 探測窗口個數(shù)為9的水平視場區(qū)域分布

2 脈寬識別測向技術(shù)

脈寬識別測向技術(shù)主要利用的原理是，激光探測接收電路輸出的TTL脈沖信號寬度與激光入射角度成一定比例關(guān)系。

當(dāng)光功率密度一定時，光電探測單元輸出的光電流與激光的入射角度成一定的比例關(guān)系。光電探測器對某一波長激光的響應(yīng)度是一定的。如式（1）所示，其中探測器響應(yīng)度為Ri，接收光敏面積為S，光功率為E，光電流為I。

（1）

由上式可以看出，光電探測器輸出的光電流信號幅值I與接收光敏面積S有一定的對應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)激光垂直入射時，實際光敏面接收面積為S，激光以入射角α進行照射時，實際接收光敏面積為S1，由圖2可知：

？琢=？茁 （2）

S1=S×cos？琢 （3）

則激光入射角度為α?xí)r，輸出光電流可以由公式（3）得出：

I？琢=Ri×S×E×cos？琢 （4）

光電流經(jīng)過電路濾波、放大和比較后輸出為相應(yīng)的TTL脈沖信號。集成天線陣列上相鄰兩個光學(xué)窗口，同一束激光照射時入射角度會有所不同，如圖3所示：

圖3 視場角度圖

得到相鄰兩個窗口探測輸出脈沖信號寬度比值為：

（5）

多窗口探測陣列型告警器，在視場重合區(qū)會同時接收到兩個窗口的激光脈沖信息。通過識別最寬脈沖和次寬脈沖，并測量出脈沖寬度數(shù)據(jù)，通過比較相鄰兩個接收窗口輸出的激光脈沖信號的脈寬信息計算得出相應(yīng)的激光入射角度。

3 脈寬識別測向技術(shù)的應(yīng)用

為了利用脈寬識別測向技術(shù)提高告警系統(tǒng)的角度分辨力，對探測窗口個數(shù)為9的告警器進行改進，利用視場光闌將每個探測窗口的視場設(shè)為80°，相鄰兩個探測窗口的重合區(qū)視場均為40°，不再有獨立視場，其水平視場區(qū)域分布如圖4所示。

采用脈寬識別測向技術(shù)對重合視場區(qū)進行再次分割，首先通過識別最寬脈沖和次寬脈沖計算出重合視場區(qū)方位，然后再次計算最寬脈沖和次寬脈沖的比值，查找脈寬比值與方位角度對應(yīng)關(guān)系，可以把重合視場區(qū)分割為（5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°）8個方位角度區(qū)，從而使該告警系統(tǒng)的角度分辨力提高到5°。

圖4 改進后探測窗口個數(shù)為9的水平視場區(qū)域分布

4 測試試驗及數(shù)據(jù)分析

4.1 脈寬識別側(cè)向理論計算

試驗選用告警設(shè)備的相鄰探測窗口視場分割如圖5所示：

圖5 視場分割原理圖

探測設(shè)備每個探測窗口的接收視場為80°，相鄰兩個窗口合成視場為40°。當(dāng)激光入射角處于重合視場區(qū)，順時針5°轉(zhuǎn)動時，窗口1和窗口2相對入射角度對應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1 入射角度對應(yīng)關(guān)系表

理論分析計算得出窗口1和窗口2在不同入射角下，激光脈沖寬度比值對應(yīng)表如表2所示：

表2 理論計算脈寬對比表

4.2 脈寬識別側(cè)向試驗數(shù)據(jù)記錄

在脈寬識別側(cè)向測試試驗中，同時對窗口1和窗口2接收到的激光脈沖信息進行測量。記錄下每個入射角度時對應(yīng)的脈沖寬度數(shù)據(jù)，每個入射角度提取12組試驗數(shù)據(jù)，求其平均值。窗口1和窗口2對應(yīng)的脈沖寬度的平均值隨入射角度的變化見圖6、圖7所示：

整理窗口1和窗口2接收的脈沖寬度數(shù)據(jù)，并計算得出其脈沖寬度比值對應(yīng)表如表3所示：

4.3 試驗數(shù)據(jù)對比分析

對脈寬測向技術(shù)理論計算與實際應(yīng)用測試結(jié)果數(shù)據(jù)整理如圖8所示：

數(shù)據(jù)分析：由試驗數(shù)據(jù)對比可知，實際測試結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致；通過該計算方法可以通過計算脈寬比值查找得出對應(yīng)方位角度范圍；但也存在由接收電路不一致性帶來的誤差，這個誤差可以在處理電路中通過采樣處理等方式得到修正。

5 結(jié)束語

采用脈寬測向技術(shù)可以在不增加窗口陣列型激光告警器探測窗口數(shù)量和硬件成本基礎(chǔ)上，通過改進探測窗口視場布局和采用新的信號處理方法，能夠大幅度提高系統(tǒng)的角度分辨力。為了使脈寬測向技術(shù)計算得出的角度方位信息更加精確、可靠，考慮進一步分析驗證造成實際設(shè)計與理論計算之間誤差的因素，找到進一步提高角度分辨力的方法。

參考文獻

[1]王永仲.現(xiàn)代軍用光學(xué)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]王建軍，張沛露，李巖，等.激光告警內(nèi)場仿真試驗系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 光學(xué)精密工程，2010，18（9）.

[3]孫春生，李樹山，雷選華.一種確定激光輻射方位的新技術(shù)[J].激光與紅外，2003，33（2）：101-103.

[4]孫建國，叢俊奎.激光告警視場中誤差分析[J].激光與紅外，2001.

作者簡介：胡進軍，工程師。

王江磊，工程師。

摘 要：通過對多窗口陣列型激光告警系統(tǒng)的研究分析，為激光告警設(shè)備水平方向的識別提出了一種新的設(shè)計方案。通過對比分析得出結(jié)論：該方法在不增加系統(tǒng)探測窗口數(shù)量的基礎(chǔ)上，通過采用脈寬測向技術(shù)，能夠大幅度提高系統(tǒng)的激光方位識別能力。

關(guān)鍵詞：激光告警；脈寬測向；角度分辨力

引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，來自激光的威脅日趨嚴(yán)重。隨著激光武器在實戰(zhàn)中的利用，能夠?qū)す鉁y距、激光制導(dǎo)、激光高能輻射武器等激光武器的快速、正確的告警，特別是精確測定來襲激光的方位，是激光告警發(fā)展的需要。

目前，典型激光告警設(shè)備通常采用多窗口陣列型探測體制對激光威脅源方位進行識別。該類型設(shè)備主要由激光告警天線與告警處理機箱組成，運用告警天線上探測窗口的布局及窗口的視場設(shè)置識別激光威脅源方位。其優(yōu)點是探測靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、視場大、可靠性高、成本較低。但是，為了提高方位的分辨精度，必須使用足夠多的光學(xué)窗口和探測單元，這就導(dǎo)致系統(tǒng)較復(fù)雜。

在對多窗口探測型體制研究基礎(chǔ)上，利用相鄰窗口入射激光的脈沖寬度信息進行識別，在不增加接收窗口的情況下能夠提高系統(tǒng)的方位識別能力。

1 多窗口探測陣列型方位識別原理

多窗口探測陣列型告警器天線的設(shè)計，主要是沿水平圓周均勻排列n個探測窗口，依靠視場光闌限制每個探測窗口的視場。目前常用的激光威脅源水平方位角識別方式，是通過視場光闌將底層探測窗口的視場設(shè)為540°/n，每個探測窗口分別與兩邊探測窗口有180°/n 的視場重合， 同時又有180°/n 的獨立探測視場，處理器根據(jù)探測窗口的告警狀況計算出激光威脅信號的水平方位。

圖1為探測窗口個數(shù)為9的水平視場區(qū)域分布。利用視場光闌將每個探測窗口的視場設(shè)為60°，每個探測窗口分別與兩邊探測窗口有20°的視場重合，又有20°的獨立探測視場。該告警系統(tǒng)的水平角度分辨力為20°。

圖1 探測窗口個數(shù)為9的水平視場區(qū)域分布

2 脈寬識別測向技術(shù)

脈寬識別測向技術(shù)主要利用的原理是，激光探測接收電路輸出的TTL脈沖信號寬度與激光入射角度成一定比例關(guān)系。

當(dāng)光功率密度一定時，光電探測單元輸出的光電流與激光的入射角度成一定的比例關(guān)系。光電探測器對某一波長激光的響應(yīng)度是一定的。如式（1）所示，其中探測器響應(yīng)度為Ri，接收光敏面積為S，光功率為E，光電流為I。

（1）

由上式可以看出，光電探測器輸出的光電流信號幅值I與接收光敏面積S有一定的對應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)激光垂直入射時，實際光敏面接收面積為S，激光以入射角α進行照射時，實際接收光敏面積為S1，由圖2可知：

？琢=？茁 （2）

S1=S×cos？琢 （3）

則激光入射角度為α?xí)r，輸出光電流可以由公式（3）得出：

I？琢=Ri×S×E×cos？琢 （4）

光電流經(jīng)過電路濾波、放大和比較后輸出為相應(yīng)的TTL脈沖信號。集成天線陣列上相鄰兩個光學(xué)窗口，同一束激光照射時入射角度會有所不同，如圖3所示：

圖3 視場角度圖

得到相鄰兩個窗口探測輸出脈沖信號寬度比值為：

（5）

多窗口探測陣列型告警器，在視場重合區(qū)會同時接收到兩個窗口的激光脈沖信息。通過識別最寬脈沖和次寬脈沖，并測量出脈沖寬度數(shù)據(jù)，通過比較相鄰兩個接收窗口輸出的激光脈沖信號的脈寬信息計算得出相應(yīng)的激光入射角度。

3 脈寬識別測向技術(shù)的應(yīng)用

為了利用脈寬識別測向技術(shù)提高告警系統(tǒng)的角度分辨力，對探測窗口個數(shù)為9的告警器進行改進，利用視場光闌將每個探測窗口的視場設(shè)為80°，相鄰兩個探測窗口的重合區(qū)視場均為40°，不再有獨立視場，其水平視場區(qū)域分布如圖4所示。

采用脈寬識別測向技術(shù)對重合視場區(qū)進行再次分割，首先通過識別最寬脈沖和次寬脈沖計算出重合視場區(qū)方位，然后再次計算最寬脈沖和次寬脈沖的比值，查找脈寬比值與方位角度對應(yīng)關(guān)系，可以把重合視場區(qū)分割為（5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°）8個方位角度區(qū)，從而使該告警系統(tǒng)的角度分辨力提高到5°。

圖4 改進后探測窗口個數(shù)為9的水平視場區(qū)域分布

4 測試試驗及數(shù)據(jù)分析

4.1 脈寬識別側(cè)向理論計算

試驗選用告警設(shè)備的相鄰探測窗口視場分割如圖5所示：

圖5 視場分割原理圖

探測設(shè)備每個探測窗口的接收視場為80°，相鄰兩個窗口合成視場為40°。當(dāng)激光入射角處于重合視場區(qū)，順時針5°轉(zhuǎn)動時，窗口1和窗口2相對入射角度對應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1 入射角度對應(yīng)關(guān)系表

理論分析計算得出窗口1和窗口2在不同入射角下，激光脈沖寬度比值對應(yīng)表如表2所示：

表2 理論計算脈寬對比表

4.2 脈寬識別側(cè)向試驗數(shù)據(jù)記錄

在脈寬識別側(cè)向測試試驗中，同時對窗口1和窗口2接收到的激光脈沖信息進行測量。記錄下每個入射角度時對應(yīng)的脈沖寬度數(shù)據(jù)，每個入射角度提取12組試驗數(shù)據(jù)，求其平均值。窗口1和窗口2對應(yīng)的脈沖寬度的平均值隨入射角度的變化見圖6、圖7所示：

整理窗口1和窗口2接收的脈沖寬度數(shù)據(jù)，并計算得出其脈沖寬度比值對應(yīng)表如表3所示：

4.3 試驗數(shù)據(jù)對比分析

對脈寬測向技術(shù)理論計算與實際應(yīng)用測試結(jié)果數(shù)據(jù)整理如圖8所示：

數(shù)據(jù)分析：由試驗數(shù)據(jù)對比可知，實際測試結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致；通過該計算方法可以通過計算脈寬比值查找得出對應(yīng)方位角度范圍；但也存在由接收電路不一致性帶來的誤差，這個誤差可以在處理電路中通過采樣處理等方式得到修正。

5 結(jié)束語

采用脈寬測向技術(shù)可以在不增加窗口陣列型激光告警器探測窗口數(shù)量和硬件成本基礎(chǔ)上，通過改進探測窗口視場布局和采用新的信號處理方法，能夠大幅度提高系統(tǒng)的角度分辨力。為了使脈寬測向技術(shù)計算得出的角度方位信息更加精確、可靠，考慮進一步分析驗證造成實際設(shè)計與理論計算之間誤差的因素，找到進一步提高角度分辨力的方法。

參考文獻

[1]王永仲.現(xiàn)代軍用光學(xué)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]王建軍，張沛露，李巖，等.激光告警內(nèi)場仿真試驗系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 光學(xué)精密工程，2010，18（9）.

[3]孫春生，李樹山，雷選華.一種確定激光輻射方位的新技術(shù)[J].激光與紅外，2003，33（2）：101-103.

[4]孫建國，叢俊奎.激光告警視場中誤差分析[J].激光與紅外，2001.

作者簡介：胡進軍，工程師。

王江磊，工程師。

摘 要：通過對多窗口陣列型激光告警系統(tǒng)的研究分析，為激光告警設(shè)備水平方向的識別提出了一種新的設(shè)計方案。通過對比分析得出結(jié)論：該方法在不增加系統(tǒng)探測窗口數(shù)量的基礎(chǔ)上，通過采用脈寬測向技術(shù)，能夠大幅度提高系統(tǒng)的激光方位識別能力。

關(guān)鍵詞：激光告警；脈寬測向；角度分辨力

引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，來自激光的威脅日趨嚴(yán)重。隨著激光武器在實戰(zhàn)中的利用，能夠?qū)す鉁y距、激光制導(dǎo)、激光高能輻射武器等激光武器的快速、正確的告警，特別是精確測定來襲激光的方位，是激光告警發(fā)展的需要。

目前，典型激光告警設(shè)備通常采用多窗口陣列型探測體制對激光威脅源方位進行識別。該類型設(shè)備主要由激光告警天線與告警處理機箱組成，運用告警天線上探測窗口的布局及窗口的視場設(shè)置識別激光威脅源方位。其優(yōu)點是探測靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、視場大、可靠性高、成本較低。但是，為了提高方位的分辨精度，必須使用足夠多的光學(xué)窗口和探測單元，這就導(dǎo)致系統(tǒng)較復(fù)雜。

在對多窗口探測型體制研究基礎(chǔ)上，利用相鄰窗口入射激光的脈沖寬度信息進行識別，在不增加接收窗口的情況下能夠提高系統(tǒng)的方位識別能力。

1 多窗口探測陣列型方位識別原理

多窗口探測陣列型告警器天線的設(shè)計，主要是沿水平圓周均勻排列n個探測窗口，依靠視場光闌限制每個探測窗口的視場。目前常用的激光威脅源水平方位角識別方式，是通過視場光闌將底層探測窗口的視場設(shè)為540°/n，每個探測窗口分別與兩邊探測窗口有180°/n 的視場重合， 同時又有180°/n 的獨立探測視場，處理器根據(jù)探測窗口的告警狀況計算出激光威脅信號的水平方位。

圖1為探測窗口個數(shù)為9的水平視場區(qū)域分布。利用視場光闌將每個探測窗口的視場設(shè)為60°，每個探測窗口分別與兩邊探測窗口有20°的視場重合，又有20°的獨立探測視場。該告警系統(tǒng)的水平角度分辨力為20°。

圖1 探測窗口個數(shù)為9的水平視場區(qū)域分布

2 脈寬識別測向技術(shù)

脈寬識別測向技術(shù)主要利用的原理是，激光探測接收電路輸出的TTL脈沖信號寬度與激光入射角度成一定比例關(guān)系。

當(dāng)光功率密度一定時，光電探測單元輸出的光電流與激光的入射角度成一定的比例關(guān)系。光電探測器對某一波長激光的響應(yīng)度是一定的。如式（1）所示，其中探測器響應(yīng)度為Ri，接收光敏面積為S，光功率為E，光電流為I。

（1）

由上式可以看出，光電探測器輸出的光電流信號幅值I與接收光敏面積S有一定的對應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)激光垂直入射時，實際光敏面接收面積為S，激光以入射角α進行照射時，實際接收光敏面積為S1，由圖2可知：

？琢=？茁 （2）

S1=S×cos？琢 （3）

則激光入射角度為α?xí)r，輸出光電流可以由公式（3）得出：

I？琢=Ri×S×E×cos？琢 （4）

光電流經(jīng)過電路濾波、放大和比較后輸出為相應(yīng)的TTL脈沖信號。集成天線陣列上相鄰兩個光學(xué)窗口，同一束激光照射時入射角度會有所不同，如圖3所示：

圖3 視場角度圖

得到相鄰兩個窗口探測輸出脈沖信號寬度比值為：

（5）

多窗口探測陣列型告警器，在視場重合區(qū)會同時接收到兩個窗口的激光脈沖信息。通過識別最寬脈沖和次寬脈沖，并測量出脈沖寬度數(shù)據(jù)，通過比較相鄰兩個接收窗口輸出的激光脈沖信號的脈寬信息計算得出相應(yīng)的激光入射角度。

3 脈寬識別測向技術(shù)的應(yīng)用

為了利用脈寬識別測向技術(shù)提高告警系統(tǒng)的角度分辨力，對探測窗口個數(shù)為9的告警器進行改進，利用視場光闌將每個探測窗口的視場設(shè)為80°，相鄰兩個探測窗口的重合區(qū)視場均為40°，不再有獨立視場，其水平視場區(qū)域分布如圖4所示。

采用脈寬識別測向技術(shù)對重合視場區(qū)進行再次分割，首先通過識別最寬脈沖和次寬脈沖計算出重合視場區(qū)方位，然后再次計算最寬脈沖和次寬脈沖的比值，查找脈寬比值與方位角度對應(yīng)關(guān)系，可以把重合視場區(qū)分割為（5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°）8個方位角度區(qū)，從而使該告警系統(tǒng)的角度分辨力提高到5°。

圖4 改進后探測窗口個數(shù)為9的水平視場區(qū)域分布

4 測試試驗及數(shù)據(jù)分析

4.1 脈寬識別側(cè)向理論計算

試驗選用告警設(shè)備的相鄰探測窗口視場分割如圖5所示：

圖5 視場分割原理圖

探測設(shè)備每個探測窗口的接收視場為80°，相鄰兩個窗口合成視場為40°。當(dāng)激光入射角處于重合視場區(qū)，順時針5°轉(zhuǎn)動時，窗口1和窗口2相對入射角度對應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1 入射角度對應(yīng)關(guān)系表

理論分析計算得出窗口1和窗口2在不同入射角下，激光脈沖寬度比值對應(yīng)表如表2所示：

表2 理論計算脈寬對比表

4.2 脈寬識別側(cè)向試驗數(shù)據(jù)記錄

在脈寬識別側(cè)向測試試驗中，同時對窗口1和窗口2接收到的激光脈沖信息進行測量。記錄下每個入射角度時對應(yīng)的脈沖寬度數(shù)據(jù)，每個入射角度提取12組試驗數(shù)據(jù)，求其平均值。窗口1和窗口2對應(yīng)的脈沖寬度的平均值隨入射角度的變化見圖6、圖7所示：

整理窗口1和窗口2接收的脈沖寬度數(shù)據(jù)，并計算得出其脈沖寬度比值對應(yīng)表如表3所示：

4.3 試驗數(shù)據(jù)對比分析

對脈寬測向技術(shù)理論計算與實際應(yīng)用測試結(jié)果數(shù)據(jù)整理如圖8所示：

數(shù)據(jù)分析：由試驗數(shù)據(jù)對比可知，實際測試結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致；通過該計算方法可以通過計算脈寬比值查找得出對應(yīng)方位角度范圍；但也存在由接收電路不一致性帶來的誤差，這個誤差可以在處理電路中通過采樣處理等方式得到修正。

5 結(jié)束語

采用脈寬測向技術(shù)可以在不增加窗口陣列型激光告警器探測窗口數(shù)量和硬件成本基礎(chǔ)上，通過改進探測窗口視場布局和采用新的信號處理方法，能夠大幅度提高系統(tǒng)的角度分辨力。為了使脈寬測向技術(shù)計算得出的角度方位信息更加精確、可靠，考慮進一步分析驗證造成實際設(shè)計與理論計算之間誤差的因素，找到進一步提高角度分辨力的方法。

參考文獻

[1]王永仲.現(xiàn)代軍用光學(xué)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]王建軍，張沛露，李巖，等.激光告警內(nèi)場仿真試驗系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 光學(xué)精密工程，2010，18（9）.

[3]孫春生，李樹山，雷選華.一種確定激光輻射方位的新技術(shù)[J].激光與紅外，2003，33（2）：101-103.

[4]孫建國，叢俊奎.激光告警視場中誤差分析[J].激光與紅外，2001.

作者簡介：胡進軍，工程師。

王江磊，工程師。