兩種光纖前端激光告警技術的研究

摘 要：采用光纖前端激光告警技術的激光告警設備已有多兵種、各種型號的成熟裝備，并且其裝備數量占總激光告警設備數量的大多數。文章簡要介紹了目前裝備所采用的光纖前端激光告警技術及其優點，并提出了兩種光纖前端激光告警技術的新思路。

關鍵詞：光纖陣列；激光告警；新型光電探測器

引言

光纖前端激光告警設備僅僅利用光纖來收集、傳遞激光信號已無法滿足光纖前端激光告警技術的發展。隨著光纖、光纜制造技術的日益成熟，制作工藝的不斷發展進步。光纖前端激光告警設備也應該順應其發展，一是應利用光纖傳遞激光信號的特點，充分挖掘可利用的激光信號信息；二是應考慮將光學增益引入光纖前端激光告警設備，進一步提高探測靈敏度。

1 光纖前端激光告警技術

光纖前端激光告警設備屬于光譜探測型激光告警設備。光纖前端激光告警技術是以光纖的一端作為接收機的前端，探測器與光纖的另一端相連。通過光纖前端收集激光信號，并將其光能量傳遞到設備接收機光電探測器的光敏面上。光電探測器以后的部分與其它未采用光纖前端的激光告警設備大體一致，由光電轉換、信號放大、閾值檢測、數字信號處理、激光信息顯示等部分組成。

根據激光告警設備的角度分辨力、告警視場指標要求，綜合考慮設備需要的光纖通道數量。通過機械結構將這些光纖通道以一定的角度及相對位置安裝，將單光纖的小視場拼接為滿足告警設備視場指標要求的大視場，同時根據多根光纖接收視場內的相關接收，實現激光告警設備的角度分辨能力。

光纖前端告警設備的優點是通過采用光纖前端，避免了平臺外部復雜電磁環境對告警設備的影響，同時使得暴露在平臺外部的激光告警器探頭十分小巧，便于安裝，有助于平臺的隱身設計，而且還有利于降低雜散光的干擾。

2 單光纖傳向告警技術研究

單光纖傳輸激光信號的情況下，由光纖傳輸激光信號的原理可知。當激光信號（可認為為平行光）斜入射到單光纖端面時，光纖耦合輸出的激光光斑為一圓環，而非實心圓。同時單光纖輸出端輸出的角度與斜入射角度相同。以往的光纖前端激光告警設備均利用光纖傳遞激光信號能量，而將單光纖接收的激光信號角度信息忽略。為了利用該激光入射角度信息，需要設計新型的光電探測器。下面以目前實際應用較多的單光纖為例分析新型光電探測器的光敏面分布。

單光纖的芯徑為0.6mm，接收視場為60°。為達到分辨力5°的指標，設計新型探測器。激光信號以30°、25°、20°、15°、10°、5°、0°入射單光纖后，單光纖的出射光斑分布如圖1所示。

圖1中，中心圓為0°入射形成的光斑，圓環從內到外依次為5°、10°、15°、20°、25°、30°入射形成的光斑。根據光斑分布，可以將探測器的光敏面設計成與上圖光斑分布一致。將中心圓、圓環定義為1～7個通道。由于各光敏面之間存在間隔空區，通過分析入射激光形成的光斑在各光敏面上移動的情況可知，各通道單獨響應時代表入射激光的角度值如下：1通道對應0°～1°，2通道對應5°～6°，3通道對應10°～11°，4通道對應15°～16°，5通道對應20°～21°，6通道對應24°～27°，7通道對應29°～30°。當有單個通道響應時可確定入射角度為該通道代表的角度；當有相鄰通道同時響應時可確定入射角度為該兩通道之間代表的角度。例如：4通道單獨響應，可判斷入射角度為15°～16°；當4、5通道同時響應時，可判斷入射角度為16°～20°。從而達到角度分辨力<5°，滿足指標要求。

采用該技術不僅可對激光入射角度進行區域告警，而且可以對某些激光入射角度進行精確告警（告警區域達到1°），從而使激光告警設備同時具有區域告警與精確告警的告警能力。由于該技術方法只能分辨激光入射方向與光纖軸向的空間角度，不能獲得水平及俯仰角度。所以應用該技術具有一定的局限性，但是可以通過合理設計使用方法，從而解決該技術的局限性問題。下面簡單介紹幾種應用方案。

（1）可將該技術方法應用于飛機、衛星等高速移動的平臺。通過平臺的高速移動，造成應用該技術方法的單光纖接收視場高速移動，從而形成其對激光威脅目標的高速掃描。將平臺移動方程與告警信息有機結合，通過設計合理的算法，動態解算出激光威脅目標的水平及俯仰角度。

（2）另外，也可將該技術方法與電機掃描結合應用于艦船、戰車等平臺。通過電機帶動單光纖接收視場移動，從而形成其對激光威脅目標的多次掃描。將電機角度信息與告警信息聯合處理，解算出激光威脅目標的水平及俯仰角度。

（3）將采用該技術的多根單光纖進行組合，從而達到對視場的拼接，并且可通過聯合處理多根單光纖的告警信息，解算激光威脅目標的水平及俯仰角度。

（4）將上述應用方案有機結合，從而達到對激光威脅目標的水平及俯仰角度正確告警的目的。

3 光纖面板陣列前端激光告警技術的研究

多光纖前端激光告警設備的發展同樣是以提高角度分辨力，提高設備靈敏度為目的。提高角度分辨力，必然要增加光纖通道；提高設備靈敏度，其實質是提高告警設備接收激光信號的信噪比。提高信噪比有兩種方法，一是提高信號能量，二是降低噪聲。提高信號能量可以通過增加光學增益實現，降低噪聲可以通過采用更好的低噪聲放大器件、對印制電路板進行低噪聲設計等方法實現。

為了達到既提高角度分辨力，又提高設備靈敏度的目的。采用多光纖排列成束，加工成一端為光纖面板，一端為多根單光纖。光纖面板端與光學系統配合，根據單光纖接收視場60°，將光學系統的視場設計為60°×60°，保證入射到光學鏡頭上的激光信號可以經過匯聚后，較多的激光能量入射進入光纖面板的光纖。提高激光信號的能量。

采用144根單光纖制作成一端12×12的光纖面板，其簡圖如圖2所示，一端為144根單光纖。

多根單光纖端，144根光纖分別耦合進入144個光電探測器。光學系統提高了脈沖激光信號的信噪比，使得光電探測器后續放大電路減少，大大降低設備的體積功耗，同時光纖面板提高了設備的告警角度分辨力。

為了降低后續處理電路的壓力，減少處理信道。可將光電探測器的光敏面設計成如圖3所示的兩個半圓，并將左半圓定義為經項，將右半圓定義為緯項。

將與圖2中X1列的12根光纖相連的探測器的經項光敏面的輸出并聯接入放大電路定義為X1通道，同理可定義X2～X12通道。將與圖2中的Y1行的12根光纖相連的探測器的緯項光敏面的輸出并聯接入放大電路定義為Y1通道，同理可定義Y2～Y12通道。根據X方向通道輸出及Y方向通道輸出即可判斷激光光斑的位置，從而達到對激光威脅目標的水平及俯仰角度的正確告警。該方法可將放大處理信道大大降低，以N×N光纖面板為例，可將放大處理信道由N2降低到2N，降低效率為N/2。可見N的數值越大，其降低效率越高。

該方法適用于單脈沖激光信號告警，并且處理多目標的能力強。

另外，也可設計少數幾路放大處理通道，以17路為例，將一路與所有144個光電探測器的經項光敏面的輸出相連，作為設備告警的總輸出。通過對該總輸出信號的處理，可作為判斷激光信號頻率、編碼等信息的依據，同時還可以與其它16路放大處理信道的輸出相關處理，從而降低告警設備的虛警。其它16路通過程控模擬電子開關陣列控制，與144個光電探測器的緯項光敏面的輸出相連。

程控模擬電子開關陣列是通過事先編譯的程序，根據其數字控制端的輸入，自動將同一類的多路輸入與另一類的多路輸出按一定的規律相連的電子模塊。其原理框圖如圖4所示。

如圖4所示，處理器根據編譯好的程序及16路放大處理信道的輸出，控制模擬電子開關陣列，快速切換144路探測器的輸入信號與16路放大處理信道的連接。

告警設備運行后進入初始狀態，首先將12×12光纖面板分割為16個3×3的小光纖面板，通過程控模擬電子開關陣列控制將與這16個3×3的小光纖面板光纖相連的探測器的緯項光敏面的輸出分別與16路放大處理信道連接，假設某一路信道有信號輸出，該信號輸出觸發處理器程序，處理器輸出數字信號，該數字信號控制模擬電子開關陣列，快速將9路放大處理信道與該3×3的小光纖面板光纖相連的探測器的緯項光敏面的輸出相連，同時將剩余探測器的緯項光敏面輸出按一定的規律進行分塊，分成7塊后，每塊的探測器的緯項光敏面輸出并聯后，分別與剩余的7路放大處理信道連接。通過該方法，經過一輪切換，接收兩個激光信號，就可以將激光威脅目標的光斑定位，從而達到對激光威脅目標的水平及俯仰角度的正確告警。同時根據光斑定位信息，可控制放大處理信道與該光斑附近的探測器的緯項光敏面輸出相連，從而達到對激光威脅目標的跟蹤。

該方法由于需要切換，適用于多脈沖激光信號告警。

上述兩種方法由于采用了光學系統，大大增加了設備接收激光信號的信噪比，使設備的接收靈敏度指標大大提高。采用光纖面板前端，解決了外界電磁環境對告警設備的干擾問題；同時由于采用了一端多根單光纖分別耦合接入光電探測器，使得光電探測器可以分離的較遠，從而可以較好的解決光電探測器之間的電串擾問題。

4 結束語

隨著激光告警技術及光纖、光纜制作技術的發展，光纖前端激光告警設備的發展方向也必將越來越多。上述技術方法僅僅是光纖前端激光告警設備的發展方向之一，雖然這些技術方法還沒有經過工程應用的檢驗，同時也存在著一些待解決技術問題。但是在目前光纖前端激光告警設備技術成熟，并且大量裝備的前提下，不失為一種對光纖前端激光告警設備發展方向的有益嘗試。