基于能量積分疊加圖的激光告警角度識別技術研究

王寶玉　王開元　師廷偉　劉苗培

摘要：為了識別高重頻激光的來襲方向，本文提出了將信號能量積分疊加圖作為激光告警設備（以下簡稱“告警設備”）多窗口探測高重頻激光信號特征，再經(jīng)過自適應閾值進行抗干擾處理，最后利用分類器識別高重頻激光來襲方向。經(jīng)過試驗證明該方法能正確識別高重頻激光來襲方向，克服了各種背景光（太陽光、雜散光等）的干擾，解決了告警設備在動態(tài)范圍內(nèi)識別高重頻激光來襲方向跳區(qū)問題。

關鍵詞：高重頻激光；激光告警；信號能量積分疊加圖；激光特征；分類器

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0118-03

隨著激光制導技術飛速發(fā)展，以激光雷達為標志的激光主動制導技術逐步成為制導技術的重要方向。各種激光主動制導武器的應用，對我軍事目標構(gòu)成嚴重威脅。激光告警設備作為探測對抗激光制導武器的重要前提和基本手段[1，4]，發(fā)揮越來越重要的作用。與低頻脈沖激光信號[2]、連續(xù)波激光信號[3]相比，高重頻激光信號由于頻率高，信號類型復雜。具有高重頻信號探測能力的激光告警設備，對信號的識別處理要求更高。

激光來襲方向是告警設備的重要指標之一，準確識別激光來襲方位，對探測對抗激光制導武器具有重要意義。常規(guī)的角度識別方法普遍存在識別高重頻激光來襲方向精度不高、抗干擾能力弱，固定閾值比較丟失原有激光能量強度等缺點。本文基于激光信號能量疊加圖特征，提出一種識別激光來襲方位的方法。通過理論計算及試驗驗證該方法能夠快速準確識別激光來襲方向。

1 基于能量疊加圖激光來襲角度識別原理

1.1 告警設備探測工作原理

光電二極管探測器探測的激光信號為微弱的窄脈沖信號，因此要求該探測與處理電路具有高速、高精度、較大動態(tài)范圍及高靈敏度的特點。依據(jù)該思路，通過傳輸光纜將告警設備多窗口天線接收到的激光信息傳輸至信息處理單元，在信息處理單元中通過光電二極管探測高重頻激光信號進行放大濾波，經(jīng)過峰值檢測電路后，再利用AD采集將模擬信號變換為數(shù)字信號，然后計算信號能量積分疊加圖，并將信號能量積分疊加圖作為多通道探測器接收到高重頻激光的特征，經(jīng)過自適應閾值進行抗干擾處理，最后通過分類器來識別高重頻激光來襲方向，其流程圖如圖1所示。

1.2 特征提取

信號能量積分疊加圖作為告警設備多窗口探測高重頻激光信號特征，其是將多個周期激光信號、噪聲信號與時間軸所形成面積進行疊加所形成的信號能量。其優(yōu)點：信號能量積分疊加圖是在多個周期時間段內(nèi)激光信號、噪聲信號能量的積累，充分反映該探測器接收激光能量、其他因素的影響。當多窗口告警設備中某一窗口接收到100K的高重頻激光信號時，經(jīng)過探測電路濾波放大與峰值保持輸出，其信號形式如圖2所示。

圖2中，波形表示探測器接收到一個周期高重頻激光信號經(jīng)過模擬電路濾波放大后的電信號，其陰影部分表示其接收的一個激光信號的能量；該陰影部分隨著接收到激光信號強度變化而變化，其能量用公式表示為：

1.3 自適應閾值處理

在激光脈沖信號探測及進行光電轉(zhuǎn)換過程中，存在各種外部擾動和內(nèi)部電路噪聲。外部擾動包括光路傳輸介質(zhì)的湍流以及背景的起伏，雜散光的入射及探測電路收到周圍電磁干擾等，內(nèi)部電路噪聲包含光電探測器、輸入電路和前置放大器的固有噪聲等。這些內(nèi)外因素影響了在激光信號情況下，AD采集輸出電壓不為零，為了能夠從背景噪聲分出能夠分離出收到主要接收高重頻激光信號的窗口，本文采用自適應閾值的方法，其方法為：

（1）計算告警設備中所有窗口的探測器T時間周期內(nèi)接收到激光信號能量，公式如下：

1.4 角度分辨力區(qū)域決策

若經(jīng)過上述處理后，存在經(jīng)過閾值后個窗口可探測到高重頻激光信號進行角度分辨力識別，可以認為存在個信號能量進行角度分辨力的個區(qū)，通過個判別函數(shù)： 分類器如圖3所示。若激光信號屬于第i區(qū)[7]，則有

2 實驗結(jié)果分析

（1）為了驗證自適應閾值算法的有效性，本文利用Matlab7.0軟件仿真接收通道實際輸出的激光信號與白噪聲，如圖4所示。圖4的1中24路其中1路探測到激光信號，其峰值輸出圖，其余通道峰值保持輸出為白噪聲信號；圖4的2中24路其中2路探測到激光信號，其峰值輸出圖，其余通道峰值保持輸出為白噪聲信號；圖4的3中24路其中3路探測到激光信號，其峰值輸出圖，其余通道峰值保持輸出為白噪聲信號；圖4的4中24路其中5路探測到激光信號，其峰值輸出圖，但是比較弱的信號是探測器接收到多徑散射激光信號的峰值輸出，其余通道峰值保持輸出為白噪聲信號；在0～100時間內(nèi)接收到能量與通道數(shù)如表1所示。在表1中，1～3分別代表接收通道數(shù)量為1，2，3；其能量如表1所示，其閾值隨著接收通道接收能量強弱與探測器探測激光通道數(shù)量多少的變化而變化，經(jīng)過閾值后將無接收激光信號的通道輸出白噪聲的能量標記0，接收到激光信號的探測通道保留閾值前的能量。但在表1的4中，實際接收激光信號通道數(shù)量為5.其中1路是多徑散射使接收通道收到微弱激光信號，其能量較低，通過自適應閾值后，將該路接收通道能量標記為0，為無效探測激光通道，其余4路為有效的探測激光信號通道，其能量保留閾值前能量。

（2）依據(jù)本文方法，研制了水平0°～360°，垂直0°～90°，水平角度分辨力15°，垂直角度分辨力30°的告警設備樣機，共24個探測器，分為上下兩層，每層12個窗口同處于一個平面上。其測試使用1064nm高重頻激光源，該激光源的脈沖寬度為10ns，峰值功率為50KW。在室內(nèi)，通過激光擴束系統(tǒng)將高重頻激光光斑擴束為60cm，然后以水平方向5°，垂直方向也是5°上下左右旋轉(zhuǎn)告警設備，在動態(tài)范圍0～40dB范圍內(nèi)其角度分辨力測試如表2所示。

在室外標準大氣壓下，使用上述高重頻激光器在太陽光照射下傳播1KM后光斑直徑擴大到約60cm對樣機的動態(tài)范圍內(nèi)進行測試，其告警角度均正確，無跳區(qū)現(xiàn)象發(fā)生。通過鏡面反射對高重頻告警設備進行多路徑測試，其告警角度正確。

3 結(jié)語

本文以使用多窗口直接探測高重頻激光告警設備為研究對象，利用提出的高重頻激光信號能量積分疊加圖作為每個窗口探測的高重頻激光信號特征，通過自適應閾值處理進行抗干擾處理，最后利用分類器實現(xiàn)了來襲高重頻激光方向的告警，具有較好的戰(zhàn)術實用價值。

參考文獻

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