張建華，程妹華，袁 偉，郭 孟，陸長(zhǎng)平

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海201109)

0 引言

激光引信利用激光特有的方向性強(qiáng)、高亮度及高相干性等特點(diǎn)，具有高的角度和距離分辨率和強(qiáng)的抗電磁干擾能力，在武器系統(tǒng)中得到快速發(fā)展[1-2]。目前，激光引信普遍采用脈沖直接探測(cè)體制，面臨作用距離受限，容易在云、煙、霧、霾、雨、地海雜波等自然環(huán)境下產(chǎn)生虛警等問(wèn)題，因此，提高激光引信的探測(cè)靈敏度和抗云霧及地海雜波等自然環(huán)境干擾能力成為當(dāng)前研究的重要問(wèn)題[3]。由于目標(biāo)速度快，導(dǎo)彈與目標(biāo)相對(duì)速度與導(dǎo)彈相對(duì)自然環(huán)境的速度差別巨大。利用這一差別，可以將云、煙、霧、霾、雨、地海雜波等自然環(huán)境回波與目標(biāo)回波區(qū)分，從而提高激光引信抗云霧及地海雜波等自然環(huán)境干擾能力。

激光多普勒測(cè)速利用多普勒效應(yīng)來(lái)獲得運(yùn)動(dòng)物體的速度信息，具有測(cè)速精度高、探測(cè)靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。因此，通過(guò)檢測(cè)激光多普勒頻移實(shí)時(shí)獲得目標(biāo)速度的信息，可以提高激光引信抗自然環(huán)境干擾能力。但是，當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體速度為100 m/s或1 000 m/s以上時(shí)，激光多普勒頻移高達(dá)數(shù)百兆赫茲或吉赫茲量級(jí)，多普勒信號(hào)檢測(cè)及信號(hào)處理變得非常困難，從而限制了激光多普勒測(cè)速技術(shù)在航天航空等超高速領(lǐng)域中的應(yīng)用。

針對(duì)音速及超音速運(yùn)動(dòng)物體激光多普勒信號(hào)探測(cè)的問(wèn)題，文獻(xiàn)[6]提出了一種基于雙縱模激光器的多普勒測(cè)速方法，基于雙縱模He-Ne激光器搭建激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙縱模激光多普勒測(cè)速方案的可行性，為激光多普勒測(cè)速技術(shù)在航空航天等超高速領(lǐng)域中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文從激光多普勒效應(yīng)出發(fā)，闡述了雙縱模激光多普勒測(cè)速原理，并針對(duì)雙縱模激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)關(guān)鍵的性能參數(shù)——系統(tǒng)信噪比、作用距離、測(cè)速誤差，進(jìn)行了詳細(xì)的分析，進(jìn)而提出雙縱模多普勒測(cè)速激光引信技術(shù)，給出了雙縱模多普勒測(cè)速激光引信詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，為雙縱模多普勒測(cè)速激光引信系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 基本原理

圖1為激光多普勒效應(yīng)示意圖[7]。O點(diǎn)為激光光源，其頻率為f，波長(zhǎng)為λ;T點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)物體，其速度矢量為v;E點(diǎn)為接收器。

光源O發(fā)出的光束照射到速度為v的運(yùn)動(dòng)物體T上，o和e分別代表入射方向和接收方向的單位矢量。由于接收器是靜止的，接收器接收到的光波頻率可以表示為

則多普勒頻移為

若入射方向和接收方向相同，則上式可化簡(jiǎn)為

式中：v為運(yùn)動(dòng)物體的速度大小;λ為激光的波長(zhǎng);θ為光束入射方向與物體運(yùn)動(dòng)方向的夾角。多普勒頻移與運(yùn)動(dòng)物體速度成正比，通過(guò)檢測(cè)多普勒頻移，就可以計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)物體的速度。由式(3)可知，當(dāng)物體速度達(dá)到1 000 m/s時(shí)，波長(zhǎng)為1 064 nm的激光多普勒頻率高達(dá)吉赫茲量級(jí)，信號(hào)檢測(cè)及處理變得非常困難。

針對(duì)高速及超高速多普勒信號(hào)難檢測(cè)及處理的問(wèn)題，采用雙縱模激光多普勒測(cè)速，其工作原理如圖2所示[8]。

激光器發(fā)射具有一定頻率差的雙縱模激光，經(jīng)分束棱鏡后，一束光由光電探測(cè)器1接收作為本振信號(hào);另一束光照射到高速運(yùn)動(dòng)物體表面，經(jīng)反射后被光電探測(cè)器2接收，得到回波信號(hào);最后利用本振信號(hào)及回波信號(hào)進(jìn)行解算，解算出運(yùn)動(dòng)物體的速度信息。

在雙縱模激光多普勒探測(cè)過(guò)程中，利用波的相干疊加原理和光電探測(cè)器平方律檢測(cè)關(guān)系，本振信號(hào)和回波信號(hào)的頻率為[9]

式中：f1、f2為雙縱模激光的頻率;fD1、fD2為雙縱模激光分別對(duì)應(yīng)的多普勒頻移。利用回波信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行解算，得到雙縱模激光多普勒頻移為

式中：c為電磁波的傳播速度;ν為目標(biāo)的相對(duì)速度;f1-f2為雙縱模激光的頻率差值。由式(5)可知，當(dāng)雙縱模激光的頻差為600 MHz，運(yùn)動(dòng)物體速度為1 000 m/s時(shí)，雙縱模激光多普勒頻移僅為4 k Hz。因此，通過(guò)雙縱模激光多普勒測(cè)速方法，可以有效提高速度測(cè)量范圍，進(jìn)而解決高速及超高速多普勒信號(hào)檢測(cè)及處理問(wèn)題，同時(shí)還可以結(jié)合實(shí)際的測(cè)速需求，選擇具有不同頻差的雙縱模激光進(jìn)行探測(cè)。

2 性能參數(shù)分析

2.1 系統(tǒng)信噪比

信噪比是表征光學(xué)外差探測(cè)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。提高系統(tǒng)信噪比可以獲得高的探測(cè)概率，從而獲得更高的測(cè)量精度[10]。在激光外差探測(cè)系統(tǒng)中，系統(tǒng)信噪比可以表示為

其中χ為外差效率，對(duì)系統(tǒng)信噪比起決定性作用，其具體表達(dá)式為

式中：Us(r)、Ul(r)為兩干涉光束的歸一化電場(chǎng)分布。由式(7)可知，外差效率與兩個(gè)光束的電場(chǎng)分布密切相關(guān)。兩個(gè)光束在波形形狀、振幅分布、位相差、偏振態(tài)等具有高的匹配度，才可能獲得高的外差效率。在雙縱模激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)中，采用雙光電探測(cè)器分別對(duì)本振光束和信號(hào)光束進(jìn)行相干接收，探測(cè)器上的兩個(gè)光束光路一致，其在波形形狀、振幅分布、位相差、偏振態(tài)等具有高的匹配度，可實(shí)現(xiàn)高的外差效率，輸出較高的系統(tǒng)信噪比。

2.2 作用距離

利用經(jīng)典的激光雷達(dá)方程關(guān)系式，可以得到作用距離表達(dá)式為[11]

式中;PR為接收光功率;PT為發(fā)射光功率;GT為發(fā)射天線增益與發(fā)射激光發(fā)散角的平方成反比;σ為目標(biāo)有效散射截面;D為光學(xué)天線接收口徑;ηatm為大氣傳輸系數(shù);ηsys為系統(tǒng)的傳輸系數(shù)。由式(8)可知，可以通過(guò)增加光學(xué)接收口徑D、發(fā)射天線增益GT以及發(fā)射功率PT，降低接收功率PR等提高作用距離。而在雙縱模激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)中，具有高的外差效率，可實(shí)現(xiàn)高的信噪比，降低了接收光功率的要求。其次，可以通過(guò)壓縮發(fā)射激光的發(fā)散角增大光學(xué)天線增益，或增加光學(xué)接收口徑，收集更多的能量，進(jìn)而提高系統(tǒng)的作用距離。

2.3 測(cè)速誤差

由雙縱模激光多普勒頻移公式可知，運(yùn)動(dòng)物體的速度與雙縱模激光多普勒頻移差值一一對(duì)應(yīng)，激光多普勒頻譜的增寬會(huì)造成測(cè)速誤差，直接影響系統(tǒng)測(cè)量的精度。為了得到更高精度的測(cè)量結(jié)果，對(duì)激光多普勒頻譜增寬的來(lái)源及機(jī)理進(jìn)行分析。在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，激光多普勒頻譜增寬的來(lái)源主要包括有限渡越時(shí)間增寬、速度梯度增寬及探測(cè)器孔徑增寬等[12]。

(1)有限渡越時(shí)間增寬

發(fā)射激光照射到運(yùn)動(dòng)物體表面時(shí)，由于激光光斑具有一定大小，導(dǎo)致每個(gè)運(yùn)動(dòng)粒子產(chǎn)生的信號(hào)只能持續(xù)一定時(shí)間，且相位隨機(jī)變化。大量隨機(jī)分布的粒子產(chǎn)生的信號(hào)疊加在一起，于是產(chǎn)生了大小和相位的隨機(jī)變化，導(dǎo)致多普勒頻譜增寬。文獻(xiàn)[13]給出了有限渡越時(shí)間增寬量的表達(dá)式為

式中：ω為光斑大小;ν為運(yùn)動(dòng)物體平均速度;θ為光束方向與物體表面的夾角。

由式(9)可知，通過(guò)減小被測(cè)物體表面平均速度或增加光斑大小，可以降低有限渡越時(shí)間造成的多普勒頻譜增寬。

(2)速度梯度增寬

當(dāng)大量的粒子同時(shí)通過(guò)激光測(cè)量體時(shí)并不是擁有完全相同的速度，而是有一個(gè)速度分布，就會(huì)造成速度梯度增寬。由于各個(gè)粒子的速度不相同，各自產(chǎn)生的多普勒信號(hào)的頻率也就各不相同。探測(cè)器接收到的信號(hào)是各個(gè)粒子產(chǎn)生的信號(hào)的平均結(jié)果，于是就產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的多普勒頻率范圍。如果減小激光測(cè)量光斑尺寸的大小，通過(guò)測(cè)量體的被測(cè)粒子就相對(duì)的要少。于是速度梯度范圍就小得多，產(chǎn)生的多普勒頻率增寬也就相應(yīng)的變小了。因此，可以通過(guò)減小激光光斑的大小來(lái)加以控制速度梯度引起的多普勒頻譜增寬。

(3)探測(cè)器孔徑增寬

探測(cè)器光敏面具有一定的尺寸，存在微小的有限夾角，當(dāng)激光經(jīng)運(yùn)動(dòng)物體散射后，以原方向返回的光線為中心，在立體角小于有限夾角內(nèi)的光線，都會(huì)在探測(cè)器光敏面上發(fā)生干涉，由于微小有限夾角的存在，速度存在微小梯度，進(jìn)而導(dǎo)致多普勒頻譜的增寬。探測(cè)器孔徑造成微小有限夾角的計(jì)算式為

式中：d為探測(cè)器有效光敏面大小;R為系統(tǒng)探測(cè)距離。由式(10)可知，通過(guò)減小探測(cè)器的孔徑或增大作用距離，可以有效降低多普勒頻譜的增寬。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由系統(tǒng)性能參數(shù)分析可知，雙縱模激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)具有探測(cè)靈敏度高、作用距離大及測(cè)量精度好的特點(diǎn)。將雙縱模激光多普勒測(cè)速應(yīng)用到激光引信中，可解決導(dǎo)彈與目標(biāo)交會(huì)中多普勒信號(hào)的檢測(cè)及信號(hào)處理問(wèn)題，進(jìn)而利用速度差異信息，極大提高激光引信抗云霧及地海雜波等自然環(huán)境干擾能力，同時(shí)提高系統(tǒng)的信噪比和探測(cè)距離。

圖3給出了典型的雙縱模多普勒測(cè)速激光引信系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖。

雙縱模多普勒測(cè)速激光引信系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)三部分組成。發(fā)射系統(tǒng)包括激光器、分束器以及發(fā)射光學(xué)天線;接收系統(tǒng)包括接收光學(xué)天線、光電探測(cè)器、前端放大電路以及混頻器;信號(hào)處理系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)采集模塊、信息解算模塊以及目標(biāo)識(shí)別模塊。激光器發(fā)射頻率差值穩(wěn)定的雙縱模激光，分束器得到本振光束和出射光束;本振光束直接通過(guò)光電探測(cè)器進(jìn)行相干接收，輸出本振信號(hào);出射光束經(jīng)發(fā)射光學(xué)天線整形后照射到目標(biāo)上，經(jīng)目標(biāo)反射后由接收光學(xué)天線進(jìn)行會(huì)聚，并由光電探測(cè)器進(jìn)行相干探測(cè)輸出回波信號(hào);本振信號(hào)和回波信號(hào)經(jīng)放大電路后輸入混頻模塊，得到雙縱模激光多普勒信號(hào);在經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、采集、信息解算以及目標(biāo)識(shí)別等模塊后，完成對(duì)目標(biāo)的識(shí)別，并輸出報(bào)警信號(hào)。

4 結(jié)論

雙縱模激光多普勒測(cè)速解決了高速或超高速運(yùn)動(dòng)物體多普勒信號(hào)的檢測(cè)及信號(hào)處理問(wèn)題。將雙縱模激光多普勒測(cè)速應(yīng)用于激光引信是一個(gè)全新嘗試，利用速度信息，可以極大提高激光引信抗云霧及地海雜波等自然環(huán)境干擾能力。目前雙縱模多普勒測(cè)速激光引信技術(shù)研究還處于空白階段，要進(jìn)一步運(yùn)用于工程實(shí)現(xiàn)，還有許多問(wèn)題亟待解決，主要包括：

(1)雙縱模激光器問(wèn)題。受到彈體空間體積的限制，要求激光引信的發(fā)射光源具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠等特點(diǎn)，如半導(dǎo)體激光器。而在雙縱模激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)中，多普勒頻移與雙縱模激光的頻率差值密切相關(guān)，要求雙縱模激光器輸出的激光具有窄的線寬，同時(shí)雙縱模激光頻率的差值具有很高的穩(wěn)定性，如文獻(xiàn)[6]中采用的雙縱模氦氖激光器，目前受空間體積、發(fā)射功率等限制，還無(wú)法應(yīng)用到激光引信系統(tǒng)中。因此，研制出滿足激光引信系統(tǒng)要求的小型化穩(wěn)頻差的雙縱模激光器是工程化應(yīng)用中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

(2)大視場(chǎng)探測(cè)問(wèn)題?；赑N結(jié)的探測(cè)器帶寬與光敏面面積成負(fù)增長(zhǎng)關(guān)系，探測(cè)器光敏面越大，其響應(yīng)帶寬越小。通常激光引信都具有周向360°探測(cè)的特點(diǎn)，要求光學(xué)系統(tǒng)滿足大視場(chǎng)探測(cè)，所以對(duì)于大視場(chǎng)探測(cè)的激光引信而言，其探測(cè)器的光敏面面積較大，相應(yīng)的帶寬較低。而在雙縱模激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)中，要求探測(cè)器具有較高的帶寬，以滿足對(duì)雙縱模激光的頻差的探測(cè)。因此，如何解決大視場(chǎng)探測(cè)帶來(lái)光敏面面積與探測(cè)器帶寬的相互制約的矛盾也是工程化應(yīng)用的重要問(wèn)題。

本文提出的雙縱模多普勒測(cè)速激光引信與其他激光引信相比，可以獲得目標(biāo)的速度信息，并在此基礎(chǔ)上利用速度信息實(shí)現(xiàn)復(fù)雜干擾環(huán)境下對(duì)目標(biāo)的精確識(shí)別，為導(dǎo)彈引信的智能化探測(cè)提供了新的思路，具有一定的參考價(jià)值。