梅浩　于海山　李正　李京　王帥濤

摘要：雙色技術(shù)是激光目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)常用的提高目標(biāo)探測(cè)和抗干擾能力的手段之一。針對(duì)空空導(dǎo)彈激光引信的使用要求和面臨的主要問(wèn)題，提出了雙色激光共軸近場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，解決了共軸光學(xué)系統(tǒng)和雙色發(fā)射、接收電路等關(guān)鍵技術(shù)，加工裝配完成了探測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)，并進(jìn)行了探測(cè)性能試驗(yàn)和抗干擾試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，雙色激光能有效識(shí)別云霧、煙霧等氣溶膠類干擾。

關(guān)鍵詞：近炸引信；雙色激光；探測(cè)系統(tǒng)；抗干擾

中圖分類號(hào)：TJ43+9.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2014）02-0032-03

0、引言

激光引信是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)常用的末端探測(cè)方式之一。相比其他探測(cè)機(jī)制，激光引信具有精度高、體積小、成本低等優(yōu)勢(shì)，但在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中易受到空中云霧和近地戰(zhàn)場(chǎng)煙霧的影響，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致虛警，使裝備激光引信的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)喪失作戰(zhàn)能力。

雙色技術(shù)是激光目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)常用的提高目標(biāo)探測(cè)和抗干擾能力的手段之一。理論研究和原理l生試驗(yàn)結(jié)果表明：利用不同波長(zhǎng)激光對(duì)干擾物后向散射能力的差異進(jìn)行抗干擾是可行的。

為解決激光引信抗云霧、煙霧干擾能力不足的缺陷，本文從空空導(dǎo)彈實(shí)際應(yīng)用的角度，研究了一種具有很強(qiáng)抗干擾能力的雙色激光共軸近場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)樣機(jī)研制過(guò)程中遇到的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出了解決方案，最終利用裝調(diào)完成的樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1、總體設(shè)計(jì)

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，考慮國(guó)內(nèi)已有的科研成果，選用能同時(shí)發(fā)射紫外和紅外激光的雙色半導(dǎo)體激光器作為探測(cè)系統(tǒng)光源。

1.1 共軸探測(cè)視場(chǎng)

雙色激光共軸探測(cè)視場(chǎng)如圖1所示。圖中6為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)與接收光學(xué)系統(tǒng)間距，即基線距離；R_s為作用近距；R_L為作用遠(yuǎn)距；θ_T為光學(xué)發(fā)射傾角；θ_R為光學(xué)接收視場(chǎng)角。

雙色激光經(jīng)共軸發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)整形后，由發(fā)射端準(zhǔn)直發(fā)出。發(fā)射光束適當(dāng)向下傾斜，與接收視場(chǎng)的上、下邊緣分別形成探測(cè)系統(tǒng)的作用近距與作用遠(yuǎn)距。作用近距與遠(yuǎn)距之間的區(qū)域即為探測(cè)系統(tǒng)的有效探測(cè)區(qū)域。

1.2 回波功率計(jì)算

為確定系統(tǒng)靈敏度，保證激光探測(cè)系統(tǒng)有足夠探測(cè)能力，首先應(yīng)根據(jù)發(fā)射、接收視場(chǎng)形式和要求探測(cè)距離進(jìn)行典型目標(biāo)激光反射回波功率估算。近距激光探測(cè)系統(tǒng)回波功率計(jì)算公式如下：式中：r為典型目標(biāo)反射系數(shù)；P₀為激光發(fā)射功率；P₁為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)效率；P₂為接收光學(xué)系統(tǒng)效率；L為目標(biāo)線度；A_d為有效通光口徑；尺為探測(cè)距離。

從公式（1）可以看出，目標(biāo)反射回波功率與探測(cè)距離的三次方成反比，反射回波為弱光信號(hào)。要進(jìn)行回波信號(hào)的收集和處理，必須保證探測(cè)器具有足夠高的靈敏度，接收電路有足夠大的放大增益，并且系統(tǒng)應(yīng)具有足夠高的信噪比。

1.3 工作原理

雙色激光探測(cè)系統(tǒng)主要由雙色激光發(fā)射系統(tǒng)、回波接收及預(yù)處理系統(tǒng)和電源電路組成，其工作原理和組成如圖2所示。

外部供給激光驅(qū)動(dòng)電路滿足一定時(shí)序關(guān)系的時(shí)鐘信號(hào)，雙色激光器根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)分時(shí)發(fā)光。雙色回波信號(hào)依據(jù)發(fā)射的先后順序回到接收系統(tǒng)，先發(fā)射的先被接收。

2、共軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要保證雙色激光的共視場(chǎng)探測(cè)，發(fā)射和接收共軸光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。設(shè)計(jì)時(shí)既要充分考慮到引信應(yīng)用的實(shí)際條件，即要求體積小，便于裝調(diào)，又要考慮到光學(xué)系統(tǒng)對(duì)雙色激光存在的色差。此外，激光器的發(fā)光結(jié)有一定的寬度，非點(diǎn)光源發(fā)射，這在設(shè)計(jì)時(shí)也需要考慮在內(nèi)。

2.1 發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)

發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)考慮光源的特性。雙波長(zhǎng)激光器管殼內(nèi)有2個(gè)紫外激光管芯，1個(gè)紅外激光管芯，且相對(duì)位置排布為紫外一紅外一紫外。雙色激光器實(shí)物照片如圖3所示。

發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)要求紫外和紅外兩種波長(zhǎng)光斑在子午方向準(zhǔn)直，在視野方向兩種波長(zhǎng)光斑空間分布均勻。由于任何一種光學(xué)材料對(duì)于紫外和紅外激光的折射率都存在差異，因此采用雙膠合透鏡組對(duì)雙色激光發(fā)射光束進(jìn)行準(zhǔn)直和消色差設(shè)計(jì)。雙膠合透鏡組對(duì)視場(chǎng)方向的準(zhǔn)直效果如圖4所示?？梢钥吹剑谧饔镁嚯x以內(nèi)，發(fā)射光束在視場(chǎng)方向的發(fā)散角極小，準(zhǔn)直效果很好。

雙波長(zhǎng)激光發(fā)射光束在視場(chǎng)和視野方向的整形效果如圖5所示。從圖中可以看出，三個(gè)管芯并排分布，兩側(cè)為紫光、中間為紅外，因此在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，既要考慮兩種波長(zhǎng)激光的色差，又要考慮管芯空間分布所引入的軸外像差。

2.2 接收光學(xué)系統(tǒng)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，探測(cè)系統(tǒng)接收視場(chǎng)為一圓錐形視場(chǎng)。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到探測(cè)器光敏面和透鏡之間距離較小，因此只要求最大視場(chǎng)角入射條件下，全部激光回波都能被透鏡匯聚到探測(cè)器光敏面上即可。選用的雙波長(zhǎng)探測(cè)器光敏面為φ3 mm的圓形，經(jīng)仿真，單個(gè)非球面透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)接收光學(xué)系統(tǒng)要求。非球面接收光學(xué)系統(tǒng)對(duì)最大視場(chǎng)角光線的匯聚效果如圖6所示。紫外和紅外激光都以最大視場(chǎng)角入射，經(jīng)非球面透鏡匯聚后，紫外和紅外激光先后聚焦在焦點(diǎn)上。探測(cè)器光敏面位置設(shè)置在兩個(gè)焦點(diǎn)之間，同時(shí)要保證兩種波長(zhǎng)光斑都要落在探測(cè)器的有效探測(cè)面積之內(nèi)。加工完成的小型化接收光機(jī)系統(tǒng)能夠同時(shí)將探測(cè)器和接收透鏡固定，并能實(shí)現(xiàn)微調(diào)，便于樣機(jī)的裝配和試驗(yàn)。

3、電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)包括雙色激光分時(shí)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路和接收放大預(yù)處理電路。

3.1 分時(shí)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路

為了滿足激光引信使用要求，減小發(fā)射電路體積，在電路原理設(shè)計(jì)和器件選型上實(shí)現(xiàn)發(fā)射電路的小型化，其工作原理圖如圖7所示。

經(jīng)過(guò)初步驗(yàn)證，該發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路能夠滿足系統(tǒng)使用要求。但是需要注意的是，在電路中要防止窄脈沖的傳輸干擾，應(yīng)采用屏蔽線和阻抗匹配的方法改善信號(hào)質(zhì)量，并且由于驅(qū)動(dòng)脈沖瞬間電流很大，需注意大電流回路產(chǎn)生的串?dāng)_。

3.2 接收電路

由于采用同一套接收系統(tǒng)接收雙色激光回波，因此要選用對(duì)兩種波長(zhǎng)激光都有較好響應(yīng)的雙波長(zhǎng)探測(cè)器。本文選用紫外增強(qiáng)型硅光電探測(cè)器，它具有噪聲低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

接收電路的主要功能是為探測(cè)器提供偏壓，對(duì)探測(cè)器接收的雙波長(zhǎng)激光回波信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大，然后轉(zhuǎn)為差分信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)處理板上，盡可能提高系統(tǒng)信噪比。具工作原理框圖如圖8所示。

接收電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大后，再將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)進(jìn)行輸出。采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是可以有效抑制外部電磁干擾，并且有利于識(shí)別微小信號(hào)，減小信號(hào)的擺動(dòng)范圍。差分信號(hào)還能有效避免地的干擾，增加雙極型信號(hào)的保真度和穩(wěn)定性。

經(jīng)接收電路放大和轉(zhuǎn)換后的差分、差模信號(hào)如圖9所示。輸出信號(hào)沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重失真，可以真實(shí)反映出回波信號(hào)的能量和脈沖寬度。

4、試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證雙色激光探測(cè)系統(tǒng)的主要性能，加工和裝調(diào)了探測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)，并進(jìn)行了系統(tǒng)探測(cè)性能試驗(yàn)和抗云霧、煙霧干擾試驗(yàn)。

4.1 探測(cè)性能試驗(yàn)

選擇標(biāo)準(zhǔn)傘靶進(jìn)行了雙色激光探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)整發(fā)射驅(qū)動(dòng)與接收電路增益，紫外與紅外激光的探測(cè)能力基本一致，并與傳統(tǒng)單色激光引信相當(dāng)，滿足空空導(dǎo)彈典型脫靶量對(duì)引信探測(cè)距離的要求。

4.2 抗干擾試驗(yàn)

在保證無(wú)云煙條件下紫外和紅外激光探測(cè)通道有相同探測(cè)能力的前提下，在試驗(yàn)室開(kāi)展了雙色激光探測(cè)系統(tǒng)對(duì)云霧、煙霧的后向散射回波對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程為：試驗(yàn)室開(kāi)始釋放煙霧，能見(jiàn)度儀時(shí)刻監(jiān)控試驗(yàn)室內(nèi)的能見(jiàn)度：紫外和紅外激光散射回波幅值隨能見(jiàn)度的變化也在不停變化，試驗(yàn)人員記錄每個(gè)能見(jiàn)度下，紫外和紅外激光的回波電壓，然后計(jì)算雙色激光散射比值（紫外/紅外）。待煙霧試驗(yàn)結(jié)束煙霧散盡后，開(kāi)始進(jìn)行云霧試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，無(wú)論對(duì)于固態(tài)顆粒的煙霧，還是對(duì)于液態(tài)顆粒的云霧，紫外激光的后向散射光能量明顯高于紅外激光，且散射比值基本維持在2.3～3.5之間。試驗(yàn)結(jié)果在能見(jiàn)度從低到高的變化過(guò)程中保持了較好的一致性。

云煙霧散射試驗(yàn)結(jié)果表明：雙色激光對(duì)氣溶膠類干擾物的后向散射能力差異明顯，可以以此作為激光引信單象限識(shí)別目標(biāo)和抗干擾的依據(jù)。

5、結(jié)論

本文從擴(kuò)展空空導(dǎo)彈激光引信環(huán)境適應(yīng)能力的角度探索了雙色技術(shù)在激光探測(cè)系統(tǒng)抗干擾方面的應(yīng)用，研究了雙色激光探測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)技術(shù)，并進(jìn)行了光學(xué)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的部件級(jí)設(shè)計(jì)和加工，最終裝調(diào)完成了探測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)。利用裝調(diào)完成的樣機(jī)進(jìn)行了探測(cè)性能和抗干擾性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明，在保證相當(dāng)探測(cè)能力的前提下，采用雙色技術(shù)能有效區(qū)分云霧、煙霧等氣溶膠類干擾物，使系統(tǒng)目標(biāo)識(shí)別和抗干擾能力得到有效提高。