水下激光告警器增益控制方案研究

楊國華,張永峰,李 昌

(解放軍91388部隊,廣東湛江 524000)

隨著水下光電探測技術的發展,以“魔燈”系統為代表的水下激光探測裝備的應用,對水雷、潛艇等水下軍事平臺安全構成了嚴重的威脅。20世紀90年代海灣戰爭期間,美軍使用卡曼公司研制的“魔燈”機載激光探雷系統執行探雷任務,僅投入4天,就發現了數量相當于其他水聲探雷系統前7個月所探到的總數的12%[1]。及時感知水下激光探測威脅以便采取相應的對抗措施對提高水下軍事平臺生存概率、掌握水下戰場的主動權具有重要意義,水下激光告警器應運而生。但是,由于水體對激光的強烈吸收、散射作用,而水下激光告警器隨搭載平臺在水下的工作深度通常在幾米到幾百米的范圍內變化,因此,水下激光告警器接收到的光信號強度的動態范圍較大氣中激光告警器大得多。當接收到較弱的信號時,告警器有可能檢測不到告警信號,出現漏報;當接收到強度較強的信號時,光電探測器件輸出易飽和,導致后續處理電路無法工作。

1 探雷激光信號在水體傳播的機理分析

機載激光水下探測系統從空中發射探測光脈沖(納秒級),穿過空氣與水體,被水下激光告警器“捕獲”。同時,以日光為主的自然光成為告警器的背景噪聲來源,與脈沖光相比,背景光在時域上變化緩慢,易于與脈沖光分離。光脈沖在傳輸過程中的傳輸介質有兩類：一是大氣,二是海水。其中,大氣對光衰減較小[2],藍綠波段的光束在大氣小距離內傳播衰減基本可忽略,而海水對光衰減較嚴重且成因也較復雜,因此主要考慮光信號在水下部分的衰減。

光在水中傳播時,由于水體對光的吸收與散射效應造成光在水體迅速衰減[3-5],φ0=φd+φs,并且直射與散射光通量成指數衰減φd=e-a·l,φs=e-s·l,a為吸收系數,s為散射系數,l為傳播距離,如圖1所示。

可以看出,當傳播距離逐漸增大時入射光強度呈負指數急劇衰減,光信號變弱,而在淺水層內告警器接收到光信號較強,導致在整個告警深度內告警器接收到的光信號強度動態范圍較大,給告警器正常工作帶來困難。

2 解決方案

針對告警器接收到光信號的動態范圍較大,最直接的解決方法就是實時調節光電轉換器件的增益,即在弱光條件下調大增益,反之降低增益。

2.1 傳統解決方案

實時調節光電器件的增益,傳統方案是實時檢測信號強度,再根據信號強度反饋調節光電器件的增益,如圖2所示,優點是精確有效,而本文檢測的信號為納秒級高速脈沖信號,對此高速信號采樣、處理、識別需要的元器件及電路較復雜,特別是其PCB設計時需要考慮信號反射、回流、串擾等問題,技術上難度較大且成本較高,缺點顯而易見。

2.2 利用背景光調節光電增益

為了實現增益大范圍可調并更好地感知弱光信號,光電探測器件選用較成熟的光電倍增管[6],典型增益特性如圖3所示。

告警器接收到脈沖信號的同時也受到太陽光等自然光的干擾,這部分干擾構成背景噪聲,暫稱它為背景光,背景光在水中傳播同樣遵守負指數衰減規律[7],并且在時間上變化緩慢,在光電轉換器件的輸出為直流信號。

為了降低成本與難度,避免直接對高速脈沖光信號進行檢測,本文提出一種新的解決方案:檢測背景光強度來反饋調節光電轉換器件增益,即用背景光替代脈沖信號作為光電倍增管的增益控制信號。此方案實現難度較小且成本低,能滿足增益自動調節功能。告警器的控制器件選用技術成熟的MCU,即告警器的架構為光電倍增管+MCU(這里暫不討論告警器的接收光學系統),如圖4所示。

其中光電倍增管將光信號轉換為電信號,電信號經過外圍處理電路分離為兩路:上路是告警脈沖信號,下路是緩慢變化的背景光噪聲“直流信號”。脈沖信號送入MCU用于威脅光信號的重頻、編碼等特征識別處理,MCU的工作流程如圖5所示。

背景光噪聲送入MCU,MCU分析采集的背景光強度進而反饋控制光電倍增管的增益,調節光電倍增管的增益倍數,使光電倍增管工作在增益合適的狀態,把寬輸入動態范圍脈沖信號壓縮到較窄范圍。其控制流程如圖6所示。

圖6中,ADC0為采集的背景光數值(500ms采集一次),stand為標準值,DAC0為輸出的光電倍增管增益控制變量,step為DAC0的調整量,在接收強光時減小光電倍增管增益控制變量,在接收到弱光時增大光電倍增管增益控制變量,整個流程使采集到的光信號數值維持在穩定水平,最終實現接收光信號動態范圍的壓縮。MCU還需完成與上位機的通信,實時接收上位機的指令并將威脅特征信息上報給上位機。

3 實驗分析

依據告警原理方案,設計告警器原理樣機并對原理樣機進行測試,實驗采用Nd:YAG激光器作為激光源。激光器參數:工作波長532 nm,最大單脈沖能量約為180 mJ,半幅值脈寬約7 ns,最大重復頻率為20 Hz,發散角為4 mrad。將激光器置于水箱中,激光從水線之下的水箱光學窗口透射出來;在告警器離激光器垂直距離d處改變離光軸橫向距離s、角度θ等參數,實驗方案如圖7,實驗結果如圖8-圖10所示。

可以看出,在20 m～58 m深度內輸出光電壓維持在1.47 V～0.81 V,對接受光信號動態范圍壓縮明顯,證明設計方案可行。但對離軸光信號探測處理效果不明顯,下一步需進加強研究。

4 結束語

本文初步分析水下激光告警的技術難點,即接收光信號動態范圍較大;提出了一種低成本并易于實現的技術方案,能有效壓縮其動態范圍,對整個水下激光告警器系統的設計有一定參考價值。