艦面光電制導設備遠程激光測距技術(shù)問題研究

張小龍,徐廣平,曹昌東

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中,面對日趨復雜和惡劣的電磁環(huán)境以及反輻射導彈的重大突防威脅,無線電雷達跟蹤探測設備往往難以正常發(fā)揮作用。在此背景下,研制和發(fā)展新的探測跟蹤手段和設備以彌補雷達探測跟蹤設備的不足成為客觀而緊迫的需求。根據(jù)艦面光電制導設備戰(zhàn)場作戰(zhàn)需求,光電制導設備以抗干擾能力強、隱蔽性好、跟蹤精度高、實時性好等特點在目標預警與探測等方面均發(fā)揮至關(guān)重要的作用,近年來不斷裝備各類反導攔截系統(tǒng)中。

激光測距機作為光電制導跟蹤設備核心組件,完成對來襲目標、作戰(zhàn)飛機等快速機動目標距離實時精確測量,為光電制導跟蹤設備完成目標攔截的精確引導提供參數(shù)依據(jù)。

2 激光測距機工作原理及工作時序

激光測距的工作體制基本可分為直接探測、單光子探測、相干探測和量子探測等體制。其中直接探測體制為目前技術(shù)成熟度高且為現(xiàn)階段最主要的探測體制。該問題針對傳統(tǒng)的直接探測體制的激光測距技術(shù)進行問題研究。下面就該體制的工作原理和測距時序進行介紹。

如圖1所示為直接探測體制的脈沖激光測距機工作原理。

圖1 激光測距工作原理圖

激光測距機在收到光電制導系統(tǒng)的測距時統(tǒng)命令后,啟動激光發(fā)射,由激光發(fā)射系統(tǒng)(激光器+擴束系統(tǒng))對被測目標發(fā)射一個激光脈沖并經(jīng)被測目標反射后,到達測距機接收系統(tǒng)接收到目標反射回來的激光脈沖,進入激光測距機接收光學視場,在接收光學后端的光電探測器探測到目標回波信號后經(jīng)過數(shù)字化至信號處理電路進行相關(guān)算法處理,并將測距結(jié)果上報給光電制導設備上位機,由光電制導設備進行數(shù)據(jù)融合后上傳至攔截處置系統(tǒng),從而對目標攔截進行實時精確引導和軌跡修正。

3 艦載光電應用系統(tǒng)中的遠程激光測距問題分析及解決方法

艦面光電制導設備遠程激光測距技術(shù)需要解決在遠程、快速、低空小目標的回波信號穩(wěn)定、精確提取,必須使微弱信號具有極高信噪比和極低的虛警率。目前國內(nèi)在該領(lǐng)域技術(shù)基礎相對薄弱,作用距離近、雜波處理能力弱,難以滿足作戰(zhàn)應用需求,因而需解決高峰值功率激光器技術(shù)、超低空高速運動小目標海面雜波抑制技術(shù)[2]、遠程激光測距全天時、全天候高靈敏度探測等重要技術(shù)問題,以實現(xiàn)艦面光電系統(tǒng)工程化激光測距設備。

3.1 海洋大氣環(huán)境下的復雜海面背景及超低空海面雜波特性研究

通常在陸地大氣環(huán)境條件下,大氣濕度小、顆粒濃度低,大氣衰減和散射都相對不算強烈。但在海洋大氣環(huán)境尤其是低空大氣環(huán)境下,激光光束傳輸吸收衰減非常嚴重,發(fā)射光束引起的后向散射非常強,且在海面低空傳輸時存在多路徑效應等問題。因而實現(xiàn)艦面系統(tǒng)遠程激光測距機需解決在該大氣環(huán)境下的激光傳輸效應問題,方可實現(xiàn)工程應用。

總的大氣衰減系數(shù)σ由分子散射系統(tǒng)σm、分子吸收系數(shù)Km、氣溶膠散射系統(tǒng)σa、氣溶膠吸收系數(shù)Ka構(gòu)成。海洋大氣環(huán)境的氣溶膠以霧、霾、雨和水汽為主。艦面設備激光系統(tǒng)的散射為低空散射,以米氏散射為主,其模型如下:

σa=N(r)·πr2·Qs

其中,N(r)為單位體積中的粒子數(shù)；r為粒子半徑；Qs為散射效率,粒子散射的能量與入射到粒子幾何截面上πr2的能量之比。表1為能見度5 km大氣懸浮粒子散射系數(shù)。

表1 能見度5 km下大氣懸浮粒子散射系數(shù)

從表中可以看到,選取1.06 μm波長激光的大氣散射影響相對較小,但在海洋大氣尤其是能見度條件下的高功率激光光束的大氣散射影響還是比較大的。根據(jù)《電光學手冊》,大氣后向散射強度為:

其中,Ld為散射輻亮度(W/(m2.Sr);I為激光照射強度(W/Sr)；σ為大氣衰減系數(shù)；G為反向散射增益。

根據(jù)散射強度公式可知,后向散射強度除與激光發(fā)射功率密度相關(guān)外,還和大氣衰減及散射增益相關(guān)。因此在海面環(huán)境下的低能見度下高功率激光光束的后向散射強度有效抑制是提高測距系統(tǒng)探測靈敏度和降低虛警率的一個重要環(huán)節(jié)。

海面背景光照情況也比較復雜,光電跟蹤系統(tǒng)在各種方位俯仰方向上運動時,激光測距接收光學系統(tǒng)接收到的背景光強度差別很大,這就導致探測器背景噪聲強度和頻譜特性差異很大。加之在復雜海面背景及大氣濕度條件下的強后向散射也較為嚴重。圖2所示為通常情況下的海面背景和后向散射波形。

圖2 海面背景情況下探測器的后向散射圖

TPG電路是用來抑制近距離的后向散射[3]。如圖3所示為TPG控制后問散射抑制時序圖。在測距系統(tǒng)中,當距離比較近時,激光被大氣反射形成較強的后向散射,如果此時放大器的增益比較高,那么將導致大量的虛警。另外在對近目標測距時,由于回波比較強,高增益將導致放大器嚴重飽和,使測距精度降低。所以放大電路的增益必須可控。當發(fā)出激光,及產(chǎn)生主波時,放大器處于低增益狀態(tài),隨著距離的增加,放大器增益逐步變高,在遠距離時達到最大增益。

圖3 TPG控制后向散射抑制時序圖

在通常大氣條件和較小激光脈沖功率情況下,抑制近距離的大氣后向散射用TPG控制已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)抑制近距離散射引起的噪聲起伏,即滿足應用需求。但在海洋大氣條件下,尤其是能見度較低情況下的大氣粒子濃度急劇上升后,在高峰值功率激光發(fā)射后,形成較強的后向散射,甚至可以導致探測器接收飽和,在較遠距離的目標回波返回后,探測器無法響應,或者現(xiàn)有距離計數(shù)器容量無法對真正的目標回波進行存儲和后處理[4]。

該項目中通過采用回波信號強度分段直方圖統(tǒng)計,并進行梯度時間增益檢測門限調(diào)節(jié)信號處理算法結(jié)合硬件實現(xiàn)。圖4為梯度時間增益檢測門限動態(tài)調(diào)節(jié)處理算法效果圖。

圖4 梯度時間增益檢測門限動態(tài)調(diào)節(jié)

動態(tài)檢測門限電平調(diào)節(jié)是在對一段距離(時間)內(nèi)的后向散射脈沖個數(shù)進行統(tǒng)計后,根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果在盡可能不降低檢測信噪比的條件下進行實時調(diào)節(jié)檢測電平,以使后向散射脈沖個數(shù)不足以填滿距離計數(shù)器且能滿足一定虛警率(1 %)的要求。

進行強背景噪聲抑制和動態(tài)檢測門限調(diào)節(jié),不但提高了回波信號探測的信噪比,也解決了在復雜海面背景情況下強背景噪聲的強后向散射帶來的噪聲強度飽和而導致的無法進行高靈敏度回波信號探測和提取問題,實現(xiàn)了大動態(tài)范圍回波信號全測程范圍內(nèi)的恒虛警控制。

3.2 激光測距全天時、全天候高靈敏度探測技術(shù)

實現(xiàn)激光測距機在海面應用條件下全天時、全天候工作,是該項目高靈敏度探測的重點,因此需要從以下兩個方面解決。

(1)大動態(tài)范圍回波信號全測程范圍內(nèi)的恒虛警控制

常規(guī)的回波閾值檢測門限是單靠一個電位器分壓電平來調(diào)節(jié),這樣不論在白天還是夜晚的等各種不同的背景噪聲情況下是一個固定閾值門限檢測電平。在這種情況下如果亮背景情況調(diào)節(jié)的閾值門限在暗背景情況下探測靈敏度度閉環(huán)調(diào)節(jié)到較高水平時就會出現(xiàn)虛警,同理在暗背景情況調(diào)節(jié)的閾值門限在亮背景情況下探測靈敏度度閉環(huán)調(diào)節(jié)到較低時就會出現(xiàn)探測能力損失。通過雙路閉環(huán)檢測數(shù)字自適應調(diào)節(jié)技術(shù),可實現(xiàn)在各種背景條件下,探測器高壓自適應調(diào)節(jié)達到合適的探測靈敏度,同時回波閾值檢測門限根據(jù)該探測靈敏度條件下自適應調(diào)節(jié)到最佳的閾值檢測門限電平,即在不出現(xiàn)虛警情況下又能達到最高的檢測閾值門限電平,實現(xiàn)大動態(tài)范圍回波信號全測程范圍內(nèi)的恒虛警控制。如圖5所示為雙路閉環(huán)自適應調(diào)節(jié)技術(shù)實現(xiàn)方案。

圖5 雙路閉環(huán)自適應調(diào)節(jié)示意圖

(2)大動態(tài)范圍回波信號全測程范圍內(nèi)的恒虛警控制

常規(guī)測距機在測距時一般發(fā)射半寬約6～8 ns左右的單脈沖激光,激光回波經(jīng)放大后采取定閾值比較的方法提取出距離信息。在此方法下降低閾值門限,將使檢測靈敏度提高,但降低閾值門限將會導致大量虛警產(chǎn)生。通過多幀相關(guān)算法可以剔除虛警,獲取真實的目標距離信息,所以采取多幀相關(guān)算法時,能降低閾值門限,即能提高測距靈敏度。如圖6所示為MRMF相關(guān)原理圖。其算法實現(xiàn)思想如下:在測距過程中,取出N幀連續(xù)的測距數(shù)據(jù)進行相關(guān)比較,當有不小于m(1

圖6 MRMF相關(guān)原理圖

3.3 動態(tài)飛行目標激光測距回波距離數(shù)據(jù)波動性研究

艦面設備對空目標進行激光測距時,由于海面高空大氣湍流和擾動效應,加之動態(tài)目標飛行情況下的對激光回波信號的目標特性變化,在高靈敏度探測條件下激光測距回波距離數(shù)據(jù)會出波動較大的情況,從而導致激光測距距離的誤差波動較大[5]。如圖7為在海洋大氣條件下,飛行高程6 km的典型飛機的激光測距距離數(shù)據(jù)。選取目標在40 km附近100個實測測距數(shù)據(jù)作為樣本,在算法處理前后的測距典型數(shù)據(jù)波形如圖7(a)和圖7(b)所示。

圖7 高空動態(tài)目標激光測距典型數(shù)據(jù)波形圖

通過選取的40 km距離段的100個距離值可以看出,在某一隨機時刻回波距離抖動較大,最大達250 m,遠超出了激光測距距離精度要求。

針對該問題提出了頻步加權(quán)門限距離外推處理算法,即根據(jù)上述多幀相關(guān)算法的基礎上,進一步細分匹配距離波門,根據(jù)激光工作頻率和目標速度匹配關(guān)系,將距離檢測波門收窄在極小并且分檔的范圍內(nèi),例如:將多幀相關(guān)算法改為新進入測距距離值與第5幀匹配距離為50 m、第4幀匹配距離為100 m,和第3幀匹配距離為150 m,和第2幀匹配距離為200 m,和第1幀匹配距離為250 m。

算法處理前后的測距數(shù)據(jù)波動情況如圖8(a)和圖8(b)所示。

圖8 算法處理后測距數(shù)據(jù)波動圖

改進的算法可抑制大范圍的距離誤差波動,提升測距距離精度,大幅降低數(shù)據(jù)誤差,提高數(shù)據(jù)可靠性,由圖7、圖8對比可知,測距數(shù)據(jù)誤差由原來的不大于250 m改進至不大于50 m,滿足系統(tǒng)測距精度要求。

通過程序更改前后的對比試驗可知,程序更改后數(shù)據(jù)誤差明顯變小,數(shù)據(jù)精度得到顯著改善,考慮到激光測距使用的場景多為目標進入模式,即目標離觀測點越來越近,此種算法有利于總體判斷距離是否為虛警,提高上報距離數(shù)據(jù)的可靠性。

4 結(jié) 語

本文基于艦載光電應用系統(tǒng)中的遠程激光測距系統(tǒng)在工程應用中出現(xiàn)的典型問題進行分析,提出相應的多幀多回波(MFMR)相關(guān)處理、數(shù)字閉環(huán)自適應等軟硬件解決方案,能夠有效的提升激光在海洋大氣條件下對小目標探測的靈敏度,降低了檢測虛警率,解決了海雜波背景下回波信號提取等難題,較好的實現(xiàn)了艦面光電遠程激光測距技術(shù)的工程應用。