基于激光動態探測機理的目標回波特性

游安華,甘 霖

(1.南京理工大學工程訓練中心,江蘇 南京 210094;2.南京理工大學機械工程學院,江蘇 南京 210094)

1 引 言

脈沖激光定向性好、測量精度優異,在民用設備和武器裝備等領域應用廣泛[1-4]。現代戰爭環境日新月異,例如基于“硬殺傷”機制的各類主動防御系統[5]、基于定向聚能起爆概念的各類高效毀傷戰斗部[6-10],均要求激光探測系統在原有直瞄式點對點探測基礎上,具備空間全方位覆蓋的探測能力。

針對脈沖激光空間全向探測問題,文獻[11]利用激光條紋管對目標進行成像實現全向探測,文獻[12]采用二維交疊掩膜編碼技術實現近程目標高精度角度探測,上述方法探測精度高,但由于使用了面陣探測器,傳感單元多、探測周期較長;文獻[13]區別于上述靜態全向探測,采用雙向電機帶動激光360°掃描實現空間全向探測,將傳統的激光靜態探測方式改進為動態掃描方式,擴大了探測范圍;文獻[14]基于激光同步掃描機制,重點研究了脈沖激光頻率和電機掃描速率等對目標捕獲率的影響,沒有涉及激光回波特性方面的探討。

本文針對脈沖激光空間全向探測問題,研究了激光同步動態掃描探測機理下的目標回波特性。基于激光近場探測理論,在激光回波方程一般形式上,推導出基于激光動態探測機理的目標回波輪廓波形方程,結合實際探測實驗,從理論和實驗兩方面,分別探討了脈沖激光發射功率、激光脈寬、光束發散角和目標距離對目標回波特性的影響機制。

2 激光動態掃描探測機理

激光動態掃描探測方法的系統組成如圖1所示。系統由脈沖激光收發組件(SPLPL90-3型脈沖激光發射器、LSSAPD8-500型光敏傳感器)、光學整形組件(發射準直透鏡、接收聚焦透鏡、中空全反鏡、全反平面鏡)以及動態掃描組件掃描電機組成。

圖1 激光動態掃描探測方法系統組成

其探測機理如圖2所示,脈沖觸發信號經驅動電路點亮SPLPL90-3激光器,另一路觸發信號作為距離解算的起點信號,脈沖激光器發出的光束經過發射準直透鏡整形后,經過中空全反鏡的中空部位后照射至全反平面鏡,由全反平面鏡改變光束傳播路徑,掃描電機帶動全反平面鏡旋轉,從而將單光束擴展形成為空間全向探測場,當探測到目標后,回波信號經過全反平面鏡和中空全反鏡兩次反射后,由聚焦透鏡整形匯聚至光敏傳感器,經過接收電路光電轉化處理后,最后經過閾值解算電路測量目標距離。

圖2 激光動態掃描探測機理

3 激光動態掃描探測目標回波特性

在近程探測過程中,脈沖激光回波方程一般形式為:

(1)

其中,Pt為發射功率;Gt為增益倍數;Rt為發射系統和目標距離;Rr為接收系統與目標距離;σ為探測目標散射面積;D為光學接收系統通光口徑;ηa是大氣介質光學透過率;ηs為脈沖激光光學系統透過率。

目標散射截面方程可以積分形式表示為:

σ=?4πfr(β)cos2βdA

(2)

其中,fr(·)表示雙向反射分布函數;β是激光入射角;dA是單位面元。

結合公式(2)、公式(1)的積分形式可推導為:

(3)

其中,E(x,y,z)表示高斯光照度,x為脈沖激光散射截面單位面元橫坐標,y為脈沖激光散射截面單位面元縱坐標。

高斯光照度為:

(4)

其中,ω0是激光束腰半徑,ω0=2λ/πφ;φ是激光束散角;λ是脈沖激光波長;d0為高斯光束中心與目標之間的距離。

由于重尾函數能更好擬合激光器輸出脈沖,本文選用重尾函數來模擬激光器輸出脈沖,其形式為:

f(t)=P0(t/τ)2exp(-t/τ)

(5)

其中,P0為脈沖激光峰值功率;τ為脈寬。

結合上述推導,脈沖激光回波功率方程可表示為:

(6)

由于脈沖激光回波波形與回波功率的關系為:

(7)

從而基于激光動態探測機理的目標回波輪廓波形方程可表示為:

(8)

經上述回波方程的推導,結合公式(8)可看出,基于激光動態探測機理的目標回波和激光發射功率P0成正比,此外,與激光脈寬τ、光束發散角φ、目標距離d0等因素也密切相關,本文分別研究上述影響因子對基于激光動態探測機理的目標激光回波特性的影響規律,相關參數設置如表1所示。

表1 仿真計算參數

首先研究目標激光回波特性和脈沖激光發射功率的內在關系。設置激光發射脈寬為10 ns,光束發散角為20 mrad,目標距離為9 m,發射功率從10 W增加至30 W,步長為5,在不同脈沖激光發射功率下的目標激光回波波形如圖3所示。可見,隨著脈沖激光發射功率的增加,回波信號幅值從0.6 V提升至4.2 V,當發射功率大于15 W時,回波信號峰值已超過1.4 V,并且回波信號脈寬隨著發射功率的增加而有所壓縮。

圖3 不同脈沖激光發射功率的目標回波特性

接下來研究激光脈寬對目標激光回波特性的影響。設置激光發射功率為20 W,光束發散角為20 mrad,目標距離為9 m,激光發射脈寬從5 ns增加至25 ns,步長為5,在不同激光發射脈寬下的目標激光回波波形如圖4所示。可見,隨著激光發射脈寬的增加,回波信號幅值從2.8 V降低至1.4 V,回波信號脈寬隨之有所展寬。

圖4 不同激光脈寬的目標回波特性

光束發散角會影響脈沖激光空間分布,為了研究目標激光回波特性和激光光束發散角的內在關系,設置激光發射功率為20 W,激光發射脈寬為10 ns,光束發散角為20 mrad,目標距離為9 m,光束發散角從10 mrad增加至30 mrad,步長為5,在不同光束發散角下的目標激光回波波形如圖5所示。可見,隨著光束發散角的增加,回波信號幅值從2.5 V降低至1.9 V,回波信號脈寬隨之展寬。

圖5 不同光束發散角的目標回波特性

最后研究目標激光回波特性和目標距離的內在關系。設置激光發射功率為20 W,激光發射脈寬為10 ns,光束發散角為20 mrad,光束發散角20 mrad,目標距離從5 m增加至13 m,步長為2,在不同目標距離下的目標激光回波波形如圖6所示。可見,隨著目標距離的增加,回波信號幅值從5.95 V降低至0.45 V,當目標距離小于11 m時,回波信號峰值大于1.4V,回波信號脈寬隨著目標距離的增加而有所展寬。

圖6 不同目標距離的目標回波特性

4 實驗與分析

在理論推導與分析的基礎上,搭建激光動態掃描探測實驗,進一步探索激光回波特性影響因素,實驗平臺如圖7所示。平臺由探測系統、電源及控制系統、數據采集系統和模擬目標構成。

圖7 探測實驗平臺

首先驗證脈沖激光發射功率對目標回波特性的影響。調整控制系統,設置激光發射脈寬為10 ns,光束發散角為20 mrad,目標放置于距離9 m處,發射功率從10 W調整至30 W,步長為5,讀取數據采集系統數據,在不同激光發射功率下的實測回波波形如圖8所示。可見,隨著激光發射功率的增加,回波信號幅值從0.6 V提升至4 V,當發射功率大于15 W時,信號峰值超過1.3 V,信號脈寬隨著發射功率的增加而有所壓縮。

圖8 不同脈沖激光發射功率的目標回波特性

其次研究激光脈寬對目標激光回波特性的影響。調整控制系統,設置激光發射功率為20 W,光束發散角為20 mrad,目標距離為9 m,激光發射脈寬從5 ns調整至25 ns,步長為5,讀取數據采集系統數據,在不同激光發射脈寬下的實測回波波形如圖9所示。可見,隨著激光發射脈寬的增加,回波信號幅值從2.7 V降低至1.3 V,信號脈寬隨之有所展寬。

圖9 不同激光脈寬的目標回波特性

接下來研究激光光束發散角和激光回波特性的內在關系。調整控制系統,設置激光發射功率為20 W,激光發射脈寬為10 ns,光束發散角為20 mrad,目標距離為9 m,光束發散角從10 mrad調整至30 mrad,步長為5,在不同光束發散角下的實測回波波形如圖10所示。可見,隨著光束發散角的增加,回波信號幅值從2.6 V降低至1.8 V,信號脈寬隨之展寬。

圖10 不同光束發散角的目標回波特性

最后研究目標距離和目標激光回波特性的內在關系。調整控制系統,設置激光發射功率為20 W,激光發射脈寬為10 ns,光束發散角為20 mrad,光束發散角20 mrad,目標距離從5 m調整至13 m,步長為2,在不同目標距離下的實測回波波形如圖11所示。可見,隨著目標距離的增加,回波信號幅值從5.7 V降低至0.4 V,當目標距離小于11 m時,回波信號峰值大于1.3 V,信號脈寬隨著目標距離的增加而有所展寬。

圖11 不同目標距離的目標回波特性

5 結 論

本文針對激光近程全向動態探測問題,基于激光動態掃描探測機理,在激光近場探測理論基礎上,推導出基于激光動態探測機理的目標回波輪廓波形方程,分別從理論推導和實驗分析兩方面入手,研究了目標回波特性影響機理,結果表明:1)隨著發射功率的增加,回波信號幅值提升幅度較大,脈寬壓縮;2)隨著激光發射脈寬的增加,回波信號幅值呈現快速下降,且脈寬展寬;3)隨著光束發散角的提高,回波幅值緩慢降低且脈寬展寬;4)隨著目標距離的增加,回波信號幅值迅速降低且脈寬展寬。本研究結果為探索激光近程探測精度提供了理論支撐。