于麗霞，金 源，劉 吉，b，武錦輝，鄭姍姍

(中北大學 a.信息與通信工程學院; b.電子測試技術(shù)重點實驗室， 太原 030051)

武器速度參數(shù)測試技術(shù)是武器研發(fā)、制作中必不可少的環(huán)節(jié)，是對武器整體性能的檢驗關(guān)鍵技術(shù)[1]。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，對彈丸速度的檢測變得越來越重要。由于在特殊的時間或空間中，在某一頻段范圍內(nèi)，多種電磁信號密集的交織、疊加從而形成了復(fù)雜的電磁環(huán)境，對信息系統(tǒng)、電子設(shè)備以及武器裝備的使用造成非常嚴重的影響[2-3]。在普通的測試環(huán)境下，一般檢測彈丸速度的設(shè)備如高速攝影、光幕靶、天幕靶[4]等是通過普通線纜將信號傳輸給上位機終端，經(jīng)過有效地處理后，獲取到數(shù)據(jù)。但是在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，強電磁能夠通過電纜將干擾信號耦合至正在運行的信號設(shè)備中，導致測試設(shè)備信噪比差甚至無法正常工作，因而無法有效地測量到彈丸的準確速度。因此，如何確保測試設(shè)備在電磁環(huán)境下，準確有效地測量出彈丸的速度，成為測試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

光波是電磁波中的某一頻率范圍段，由于光波的頻段與所處強電磁環(huán)境下的電磁波頻段相差很大，因此在這一環(huán)境下的電磁波與光波兩種互不影響，進而起到了抗電磁干擾的作用。因此本文提出了在強電磁環(huán)境中，基于光纖傳輸?shù)臏y速系統(tǒng)，當彈丸穿過激光光幕，通過光纖收集到原向反射屏反射回的光信號，并傳輸?shù)诫姶鸥綦x區(qū)的光電探測器，經(jīng)過信號處理后，最終得到測試結(jié)果。該系統(tǒng)利用光纖采集信號并進行數(shù)據(jù)傳輸[6]，有效解決了激光光幕測速在強電磁環(huán)境下受到干擾造成測試數(shù)據(jù)異常的問題，提升了測速系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，使整個測試過程安全、便捷。

1 光纖測速系統(tǒng)基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖測速系統(tǒng)測速時采用雙區(qū)截裝置定距測時原理[7]，依據(jù)光幕靶輸出的彈丸信號，彈丸飛過起止光幕區(qū)域的時間t，且啟始靶與截止光幕間固定的距離為S，可得到彈丸的速度v為：

(1)

光纖測速系統(tǒng)組成如圖1所示，光纖測速系統(tǒng)由起始靶、截止靶、光纖線纜、控制箱、計算機、處理軟件等組成。在強電磁環(huán)境下，測試彈丸飛行穿過光幕區(qū)，將原向反射屏反射的光信號通過光纖傳輸給電磁隔離區(qū)的光電探測器，通過信號處理后得到彈丸的過靶信號，使用數(shù)據(jù)采集卡將過靶信號傳輸?shù)缴衔粰C，數(shù)據(jù)處理軟件使用相應(yīng)的算法來判別過靶信號的波形特點，選擇合適的計時時刻[8]，從而得到彈丸飛行穿過啟止靶的時間間隔t，利用精確測得的啟止靶間的靶距S，可以得到瞬時速度值v。

2 光纖化光路結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 光纖化光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過對激光光幕測速系統(tǒng)的研究，提出并設(shè)計了一種基于復(fù)雜電磁環(huán)境下的光纖測速系統(tǒng)，它采用兩個平行的扇型光幕。由激光發(fā)射器發(fā)射的光通過鮑威爾棱鏡擴展成“一字型”激光光幕，激光照射到原向反射屏后，經(jīng)由原向反射屏反射到鮑威爾棱鏡周圍設(shè)置的光纖陣列上，通過環(huán)形光纖陣列[9-10]將回光傳輸給光電探測器。其結(jié)構(gòu)的構(gòu)造是能否有效地接收到回光的重要因素,其中光纖連接器起到的作用是將光纖與光電探測器耦合在一起，目的是通過光纖將反射回的光信號更加高效率地聚集到光電探測器上，可以使光電探測器的利用率得到很大提升，圖2為光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 光纖傳輸測速系統(tǒng)示意圖

圖2 光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 激光光束擴束整形設(shè)計及仿真驗證

測速過程中需要選擇具有一定有效區(qū)域的靶面，但是僅僅憑借半導體激光器的出射光，很難滿足測速系統(tǒng)的要求。所以需要選擇一種可以將激光束擴展成“一字型”激光光幕的光學棱鏡，同時擴展后的激光光幕不能太厚，否則會影響測速的準確性。在光學棱鏡中，柱面鏡和鮑威爾均具有激光擴束的能力。柱面透鏡的特點是結(jié)構(gòu)均勻，為透明圓柱體，但是光通過透鏡時，光能分散；而鮑威爾棱的特點是結(jié)構(gòu)具有一定的梯度，光束通過時，產(chǎn)生的光斑能量均勻。由于系統(tǒng)要求，本文選用的光學棱鏡為鮑威爾棱鏡。圖3為柱面透鏡與鮑威爾棱鏡。

鮑威爾棱鏡[11-12]的入射光束尺寸對出射光是否均勻有重要的影響。此外入射光束需要滿足其尺寸大小均勻的條件，

正好適用于激光光束的特性。其鮑威爾棱鏡光束擴展如圖4所示。針對普通的表面形狀的描述，有：

(2)

式(2)中：c是曲率；r為將透鏡長度作為單位的徑向坐標；k為圓錐系數(shù)，雙曲線的圓錐系數(shù)小于-1，拋物線的圓錐系數(shù)等于-1，橢圓的圓錐系數(shù)在-1到0之間，球面圓錐系數(shù)為0。

圖3 柱面透鏡與鮑威爾棱鏡

圖4 鮑威爾棱鏡光束擴展示意圖

根據(jù)鮑威爾棱鏡的特性參數(shù)并結(jié)合測速系統(tǒng)需求，設(shè)計了一個鮑威爾棱鏡模型，它的發(fā)散角為60°；入射光為功率為150 mW、輸出波長為658 nm的高斯光源，將鮑威爾棱鏡導入ZEMAX中，選取材料K9。為了盡可能地符合設(shè)計的真實性，根據(jù)實驗需求選取的接收面材質(zhì)具有吸收特性，放置在點光源0.6 m處，并分析仿真結(jié)果。鮑威爾棱鏡光路結(jié)構(gòu)如圖5所示。接收裝置的輻照度分布如圖6所示。

圖5 鮑威爾棱鏡光路結(jié)構(gòu)示意圖

如圖6所示，在距離點光源0.6 m處，出射光有效長度達0.8 m，光斑能量集中的區(qū)域均勻性良好且呈線性分布,由此說明選擇的鮑威爾棱鏡以及光源基本可達到該測速系統(tǒng)的要求。

圖6 接收裝置的輻照度分布

3 光纖束接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 光纖束接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

激光器出射的光通過鮑威爾棱鏡形成扇形光幕，選擇特定的原向反射屏，將反射回的光信號傳遞到光電探測器上，將光信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，因此，如何將反射回的光更高效地收集并傳遞給光電探測器就成為一個需要迫切解決的問題。在進行接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，需要對下面的這幾個方面進行評估。

為了使產(chǎn)生的靶面有足夠的有效面積，需要尋找有足夠大發(fā)散角的激光器,而扇形激光光幕是通過點激光的出射光經(jīng)過鮑威爾棱鏡一維擴束形成的，當點激光出射光的能量一定時，能量隨著發(fā)散角的擴大會越分散，導致探測器接收到的光功率會越小。因此，在確保靶面有效區(qū)域足夠大的條件下，還需要保證發(fā)散角處于一個合理的范圍內(nèi)。光束的發(fā)散角在光纖的接收角范圍內(nèi)時，光纖才可以將原向反射屏的光更好的接收。

由于線激光的均勻性對接收系統(tǒng)能否高效接收到原向反射屏反射的回光至關(guān)重要。為了保證整個有效探測區(qū)域的光束質(zhì)量，對線激光的均勻性要求較高。線激光是由點激光經(jīng)過一維擴束得到的，采用合理的擴束方法，可以使點激光最優(yōu)化地擴束成光密度均勻、穩(wěn)定性好、直線性好的“一字型”光幕。由上述可知，這里選擇使用鮑威爾棱鏡進行擴束。

隨著光纖數(shù)值孔徑逐漸增大，會提高對原向反射屏反射回的光信號的收集效率。但是如果無限制的增大光纖的數(shù)值孔徑，對光纖帶寬的影響也就非常大。因此，為符合光纖通信系統(tǒng)的需求，要求選取的光纖數(shù)值孔徑要適中。通常，多模光纖的數(shù)值孔徑[13]在0.18～0.23。根據(jù)本文接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要，選用的是多模石英光纖，它的數(shù)值孔徑是0.21。

通過以上的分析，接收系統(tǒng)選取得耦合方式是激光器通過微透鏡與光纖直接進行耦合[14-15]。在這里接收系統(tǒng)所采用的方法是：圍繞鮑威爾棱鏡設(shè)置了環(huán)形光纖陣列，即在鮑威爾棱鏡設(shè)置5圈光纖陣列，每圈光纖的數(shù)目為40根，共計200根光纖，用以收集反射的回光。當激光經(jīng)過鮑威爾棱鏡形成“一字型”光幕，激光照射到原向發(fā)射屏上，經(jīng)反射后接收到的光會在激光光源處形成亮光斑。接收光路如圖7所示。

圖7 接收光路示意圖

此外，由于測試裝置是針對空氣中高速物體速度測試，因此必須對此測速系統(tǒng)的探頭部分做防塵、防水設(shè)計，此處所使用的方法是：在準直器(即鮑威爾棱鏡的周圍)做一層封裝，將鮑威爾棱鏡周圍的光纖陣列再做一層封裝，圖8為光纖陣列封裝示意圖。

圖8 光纖陣列封裝示意圖

3.2 光纖束接收系統(tǒng)接收效率仿真驗證

選用的兩個圓柱分別表示光纖的纖芯和包層，實驗的纖芯材料采用N-LLF5，它的折射率為1.55；包層材料使用N-BK4，它的折射率為1.53。同時將纖芯和包層的直徑比例設(shè)置為1∶1.1，采用0.21的光纖數(shù)值孔徑。由于需要得到的耦合效率比較高，這里采用兩個透鏡，通過壓縮點光源的快軸和慢軸，滿足了入射光斑的大小以及入射角度的要求。最后選用探測器，并分析了耦合后的光強分布，其耦合光路示意圖見圖9，效率仿真結(jié)果界面見圖10。

將激光器的功率設(shè)置為150 mW，從圖10可以得出，探測器上所得到的總功率為149.8 mW，耦合效率為99.9%，因此選取的耦合方式滿足本文測速系統(tǒng)的需求。

圖9 接收系統(tǒng)耦合光路示意圖

圖10 接收系統(tǒng)的耦合效率仿真結(jié)果界面

4 實驗

為了驗證采用功率為150 mW的半導體激光器與光纖孔徑為0.21的石英光纖所構(gòu)成的光纖測速系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，本文進行了如下實驗：在普通環(huán)境下，通過光纖測速系統(tǒng)與網(wǎng)靶比對檢測了其光纖測速系統(tǒng)的可行性；在強電磁環(huán)境下，對測速系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行檢測。圖11為某實驗靶道場使用光纖測速系統(tǒng)與網(wǎng)靶比對實驗，表1為實驗靶道場用網(wǎng)靶和光纖測速系統(tǒng)對某型號武器進行速度測試實驗數(shù)據(jù)。

圖11 實驗現(xiàn)場測速系統(tǒng)與網(wǎng)靶比對實驗

表1 某型號武器測試比對實驗結(jié)果

測試結(jié)果表明，在普通環(huán)境下，針對某型號的武器，通過不同測速方法的比較，光纖測速系統(tǒng)操作簡單、穩(wěn)定可靠，其與傳統(tǒng)接觸式網(wǎng)靶測速系統(tǒng)相比較誤差優(yōu)于0.2%。

5 結(jié)論

設(shè)計了一種基于光纖傳輸?shù)臏y速系統(tǒng)，根據(jù)定距測時原理，結(jié)合有效區(qū)域與產(chǎn)品性價比等因素，采用半導體激光光源、鮑威爾棱鏡及多模光纖耦合形成激光光幕的構(gòu)建方法并通過仿真優(yōu)化其關(guān)鍵參數(shù)，進行了強電磁環(huán)境下某型號武器的現(xiàn)場試驗。該方法在強電磁環(huán)境中能夠獲得測試目標的速度參數(shù)，且靈敏度高、采集速度快，達到抗電磁干擾需求。在普通環(huán)境下，光纖測速系統(tǒng)與網(wǎng)靶測試數(shù)據(jù)進行比對表明，光纖測速系統(tǒng)操作簡單、穩(wěn)定可靠，其與傳統(tǒng)接網(wǎng)靶測速系統(tǒng)相比較誤差優(yōu)于0.2%。實驗結(jié)果表明該測速系統(tǒng)可以有效地解決因強電磁的干擾引起的誤觸發(fā)和異常數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)分析更可靠，為以后的強電磁環(huán)境下的彈丸測速提供一種操作簡單、性價比高、精度高的新思路和新方法。