双色激光共轴近场探测系统设计
梅浩 于海山 李正 李京 王帅涛
摘要：双色技术是激光目标探测系统常用的提高目标探测和抗干扰能力的手段之一。针对空空导弹激光引信的使用要求和面临的主要问题，提出了双色激光共轴近场探测系统的设计方法，解决了共轴光学系统和双色发射、接收电路等关键技术，加工装配完成了探测系统样机，并进行了探测性能试验和抗干扰试验。试验表明，双色激光能有效识别云雾、烟雾等气溶胶类干扰。
关键词：近炸引信；双色激光；探测系统；抗干扰
中图分类号：TJ43+9.2 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）02-0032-03
0、引言
激光引信是导弹武器系统常用的末端探测方式之一。相比其他探测机制，激光引信具有精度高、体积小、成本低等优势，但在战场环境中易受到空中云雾和近地战场烟雾的影响，情况严重时会导致虚警，使装备激光引信的导弹武器系统丧失作战能力。
双色技术是激光目标探测系统常用的提高目标探测和抗干扰能力的手段之一。理论研究和原理l生试验结果表明：利用不同波长激光对干扰物后向散射能力的差异进行抗干扰是可行的。
为解决激光引信抗云雾、烟雾干扰能力不足的缺陷，本文从空空导弹实际应用的角度，研究了一种具有很强抗干扰能力的双色激光共轴近场探测系统的设计方法，对样机研制过程中遇到的一些关键技术问题进行了详细分析，并给出了解决方案，最终利用装调完成的样机进行了试验验证。
1、总体设计
根据理论计算结果，考虑国内已有的科研成果，选用能同时发射紫外和红外激光的双色半导体激光器作为探测系统光源。
1.1 共轴探测视场
双色激光共轴探测视场如图1所示。图中6为发射光学系统与接收光学系统间距，即基线距离；Rs为作用近距；RL为作用远距；θT为光学发射倾角；θR为光学接收视场角。
双色激光经共轴发射光学系统整形后，由发射端准直发出。发射光束适当向下倾斜，与接收视场的上、下边缘分别形成探测系统的作用近距与作用远距。作用近距与远距之间的区域即为探测系统的有效探测区域。
1.2 回波功率计算
为确定系统灵敏度，保证激光探测系统有足够探测能力，首先应根据发射、接收视场形式和要求探测距离进行典型目标激光反射回波功率估算。近距激光探测系统回波功率计算公式如下：式中：r为典型目标反射系数；P0为激光发射功率；P1为发射光学系统效率；P2为接收光学系统效率；L为目标线度；Ad为有效通光口径；尺为探测距离。
从公式（1）可以看出，目标反射回波功率与探测距离的三次方成反比，反射回波为弱光信号。要进行回波信号的收集和处理，必须保证探测器具有足够高的灵敏度，接收电路有足够大的放大增益，并且系统应具有足够高的信噪比。
1.3 工作原理
双色激光探测系统主要由双色激光发射系统、回波接收及预处理系统和电源电路组成，其工作原理和组成如图2所示。
外部供给激光驱动电路满足一定时序关系的时钟信号，双色激光器根据时钟信号分时发光。双色回波信号依据发射的先后顺序回到接收系统，先发射的先被接收。
2、共轴光学系统设计
要保证双色激光的共视场探测，发射和接收共轴光学系统的设计是关键。设计时既要充分考虑到引信应用的实际条件，即要求体积小，便于装调，又要考虑到光学系统对双色激光存在的色差。此外，激光器的发光结有一定的宽度，非点光源发射，这在设计时也需要考虑在内。
2.1 发射光学系统
发射光学系统设计时首先应考虑光源的特性。双波长激光器管壳内有2个紫外激光管芯，1个红外激光管芯，且相对位置排布为紫外一红外一紫外。双色激光器实物照片如图3所示。
发射光学系统要求紫外和红外两种波长光斑在子午方向准直，在视野方向两种波长光斑空间分布均匀。由于任何一种光学材料对于紫外和红外激光的折射率都存在差异，因此采用双胶合透镜组对双色激光发射光束进行准直和消色差设计。双胶合透镜组对视场方向的准直效果如图4所示。可以看到，在作用距离以内，发射光束在视场方向的发散角极小，准直效果很好。
双波长激光发射光束在视场和视野方向的整形效果如图5所示。从图中可以看出，三个管芯并排分布，两侧为紫光、中间为红外，因此在设计光学系统时，既要考虑两种波长激光的色差，又要考虑管芯空间分布所引入的轴外像差。
2.2 接收光学系统
根据总体设计要求，探测系统接收视场为一圆锥形视场。设计时考虑到探测器光敏面和透镜之间距离较小，因此只要求最大视场角入射条件下，全部激光回波都能被透镜汇聚到探测器光敏面上即可。选用的双波长探测器光敏面为φ3 mm的圆形，经仿真，单个非球面透镜能够实现接收光学系统要求。非球面接收光学系统对最大视场角光线的汇聚效果如图6所示。紫外和红外激光都以最大视场角入射，经非球面透镜汇聚后，紫外和红外激光先后聚焦在焦点上。探测器光敏面位置设置在两个焦点之间，同时要保证两种波长光斑都要落在探测器的有效探测面积之内。加工完成的小型化接收光机系统能够同时将探测器和接收透镜固定，并能实现微调，便于样机的装配和试验。
3、电气系统
电气系统包括双色激光分时发射驱动电路和接收放大预处理电路。
3.1 分时发射驱动电路
为了满足激光引信使用要求，减小发射电路体积，在电路原理设计和器件选型上实现发射电路的小型化，其工作原理图如图7所示。
经过初步验证，该发射驱动电路能够满足系统使用要求。但是需要注意的是，在电路中要防止窄脉冲的传输干扰，应采用屏蔽线和阻抗匹配的方法改善信号质量，并且由于驱动脉冲瞬间电流很大，需注意大电流回路产生的串扰。
3.2 接收电路
由于采用同一套接收系统接收双色激光回波，因此要选用对两种波长激光都有较好响应的双波长探测器。本文选用紫外增强型硅光电探测器，它具有噪声低、稳定性好等优点。
接收电路的主要功能是为探测器提供偏压，对探测器接收的双波长激光回波信号进行多级放大，然后转为差分信号传输到信号处理板上，尽可能提高系统信噪比。具工作原理框图如图8所示。
接收电路对回波信号进行两级放大后，再将单端信号转换为差分信号进行输出。采用差分信号进行传输的优点是可以有效抑制外部电磁干扰，并且有利于识别微小信号，减小信号的摆动范围。差分信号还能有效避免地的干扰，增加双极型信号的保真度和稳定性。
经接收电路放大和转换后的差分、差模信号如图9所示。输出信号没有出现严重失真，可以真实反映出回波信号的能量和脉冲宽度。
4、试验验证
为验证双色激光探测系统的主要性能，加工和装调了探测系统样机，并进行了系统探测性能试验和抗云雾、烟雾干扰试验。
4.1 探测性能试验
选择标准伞靶进行了双色激光探测系统探测性能试验。试验结果表明，通过调整发射驱动与接收电路增益，紫外与红外激光的探测能力基本一致，并与传统单色激光引信相当，满足空空导弹典型脱靶量对引信探测距离的要求。
4.2 抗干扰试验
在保证无云烟条件下紫外和红外激光探测通道有相同探测能力的前提下，在试验室开展了双色激光探测系统对云雾、烟雾的后向散射回波对比试验。试验过程为：试验室开始释放烟雾，能见度仪时刻监控试验室内的能见度：紫外和红外激光散射回波幅值随能见度的变化也在不停变化，试验人员记录每个能见度下，紫外和红外激光的回波电压，然后计算双色激光散射比值（紫外/红外）。待烟雾试验结束烟雾散尽后，开始进行云雾试验。试验结果如图10所示。
从试验结果可以看出，无论对于固态颗粒的烟雾，还是对于液态颗粒的云雾，紫外激光的后向散射光能量明显高于红外激光，且散射比值基本维持在2.3～3.5之间。试验结果在能见度从低到高的变化过程中保持了较好的一致性。
云烟雾散射试验结果表明：双色激光对气溶胶类干扰物的后向散射能力差异明显，可以以此作为激光引信单象限识别目标和抗干扰的依据。
5、结论
本文从扩展空空导弹激光引信环境适应能力的角度探索了双色技术在激光探测系统抗干扰方面的应用，研究了双色激光探测系统的总体设计技术，并进行了光学系统和电气系统的部件级设计和加工，最终装调完成了探测系统样机。利用装调完成的样机进行了探测性能和抗干扰性能试验，试验结果证明，在保证相当探测能力的前提下，采用双色技术能有效区分云雾、烟雾等气溶胶类干扰物，使系统目标识别和抗干扰能力得到有效提高。
