脉宽测向技术在激光告警设备中的应用

胡进军+++王江磊

摘 要：通过对多窗口阵列型激光告警系统的研究分析，为激光告警设备水平方向的识别提出了一种新的设计方案。通过对比分析得出结论：该方法在不增加系统探测窗口数量的基础上，通过采用脉宽测向技术，能够大幅度提高系统的激光方位识别能力。

关键词：激光告警；脉宽测向；角度分辨力

引言

现代战争中，来自激光的威胁日趋严重。随着激光武器在实战中的利用，能够对激光测距、激光制导、激光高能辐射武器等激光武器的快速、正确的告警，特别是精确测定来袭激光的方位，是激光告警发展的需要。

目前，典型激光告警设备通常采用多窗口阵列型探测体制对激光威胁源方位进行识别。该类型设备主要由激光告警天线与告警处理机箱组成，运用告警天线上探测窗口的布局及窗口的视场设置识别激光威胁源方位。其优点是探测灵敏度高、结构简单、视场大、可靠性高、成本较低。但是，为了提高方位的分辨精度，必须使用足够多的光学窗口和探测单元，这就导致系统较复杂。

在对多窗口探测型体制研究基础上，利用相邻窗口入射激光的脉冲宽度信息进行识别，在不增加接收窗口的情况下能够提高系统的方位识别能力。

1 多窗口探测阵列型方位识别原理

多窗口探测阵列型告警器天线的设计，主要是沿水平圆周均匀排列n个探测窗口，依靠视场光阑限制每个探测窗口的视场。目前常用的激光威胁源水平方位角识别方式，是通过视场光阑将底层探测窗口的视场设为540°/n，每个探测窗口分别与两边探测窗口有180°/n 的视场重合， 同时又有180°/n 的独立探测视场，处理器根据探测窗口的告警状况计算出激光威胁信号的水平方位。

图1为探测窗口个数为9的水平视场区域分布。利用视场光阑将每个探测窗口的视场设为60°，每个探测窗口分别与两边探测窗口有20°的视场重合，又有20°的独立探测视场。该告警系统的水平角度分辨力为20°。

图1 探测窗口个数为9的水平视场区域分布

2 脉宽识别测向技术

脉宽识别测向技术主要利用的原理是，激光探测接收电路输出的TTL脉冲信号宽度与激光入射角度成一定比例关系。

当光功率密度一定时，光电探测单元输出的光电流与激光的入射角度成一定的比例关系。光电探测器对某一波长激光的响应度是一定的。如式（1）所示，其中探测器响应度为Ri，接收光敏面积为S，光功率为E，光电流为I。

（1）

由上式可以看出，光电探测器输出的光电流信号幅值I与接收光敏面积S有一定的对应关系。

当激光垂直入射时，实际光敏面接收面积为S，激光以入射角α进行照射时，实际接收光敏面积为S1，由图2可知：

？琢=？茁 （2）

S1=S×cos？琢 （3）

则激光入射角度为α时，输出光电流可以由公式（3）得出：

I？琢=Ri×S×E×cos？琢 （4）

光电流经过电路滤波、放大和比较后输出为相应的TTL脉冲信号。集成天线阵列上相邻两个光学窗口，同一束激光照射时入射角度会有所不同，如图3所示：

图3 视场角度图

得到相邻两个窗口探测输出脉冲信号宽度比值为：

（5）

多窗口探测阵列型告警器，在视场重合区会同时接收到两个窗口的激光脉冲信息。通过识别最宽脉冲和次宽脉冲，并测量出脉冲宽度数据，通过比较相邻两个接收窗口输出的激光脉冲信号的脉宽信息计算得出相应的激光入射角度。

3 脉宽识别测向技术的应用

为了利用脉宽识别测向技术提高告警系统的角度分辨力，对探测窗口个数为9的告警器进行改进，利用视场光阑将每个探测窗口的视场设为80°，相邻两个探测窗口的重合区视场均为40°，不再有独立视场，其水平视场区域分布如图4所示。

采用脉宽识别测向技术对重合视场区进行再次分割，首先通过识别最宽脉冲和次宽脉冲计算出重合视场区方位，然后再次计算最宽脉冲和次宽脉冲的比值，查找脉宽比值与方位角度对应关系，可以把重合视场区分割为（5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°）8个方位角度区，从而使该告警系统的角度分辨力提高到5°。

图4 改进后探测窗口个数为9的水平视场区域分布

4 测试试验及数据分析

4.1 脉宽识别侧向理论计算

试验选用告警设备的相邻探测窗口视场分割如图5所示：

图5 视场分割原理图

探测设备每个探测窗口的接收视场为80°，相邻两个窗口合成视场为40°。当激光入射角处于重合视场区，顺时针5°转动时，窗口1和窗口2相对入射角度对应关系如表1所示：

表1 入射角度对应关系表

理论分析计算得出窗口1和窗口2在不同入射角下，激光脉冲宽度比值对应表如表2所示：

表2 理论计算脉宽对比表

4.2 脉宽识别侧向试验数据记录

在脉宽识别侧向测试试验中，同时对窗口1和窗口2接收到的激光脉冲信息进行测量。记录下每个入射角度时对应的脉冲宽度数据，每个入射角度提取12组试验数据，求其平均值。窗口1和窗口2对应的脉冲宽度的平均值随入射角度的变化见图6、图7所示：

整理窗口1和窗口2接收的脉冲宽度数据，并计算得出其脉冲宽度比值对应表如表3所示：

4.3 试验数据对比分析

对脉宽测向技术理论计算与实际应用测试结果数据整理如图8所示：

数据分析：由试验数据对比可知，实际测试结果与理论计算结果基本一致；通过该计算方法可以通过计算脉宽比值查找得出对应方位角度范围；但也存在由接收电路不一致性带来的误差，这个误差可以在处理电路中通过采样处理等方式得到修正。

5 结束语

采用脉宽测向技术可以在不增加窗口阵列型激光告警器探测窗口数量和硬件成本基础上，通过改进探测窗口视场布局和采用新的信号处理方法，能够大幅度提高系统的角度分辨力。为了使脉宽测向技术计算得出的角度方位信息更加精确、可靠，考虑进一步分析验证造成实际设计与理论计算之间误差的因素，找到进一步提高角度分辨力的方法。

参考文献

[1]王永仲.现代军用光学技术[M].北京：科学出版社，2003.

[2]王建军，张沛露，李岩，等.激光告警内场仿真试验系统的设计[J]. 光学精密工程，2010，18（9）.

[3]孙春生，李树山，雷选华.一种确定激光辐射方位的新技术[J].激光与红外，2003，33（2）：101-103.

[4]孙建国，丛俊奎.激光告警视场中误差分析[J].激光与红外，2001.

作者简介：胡进军，工程师。

王江磊，工程师。

摘 要：通过对多窗口阵列型激光告警系统的研究分析，为激光告警设备水平方向的识别提出了一种新的设计方案。通过对比分析得出结论：该方法在不增加系统探测窗口数量的基础上，通过采用脉宽测向技术，能够大幅度提高系统的激光方位识别能力。

关键词：激光告警；脉宽测向；角度分辨力

引言

现代战争中，来自激光的威胁日趋严重。随着激光武器在实战中的利用，能够对激光测距、激光制导、激光高能辐射武器等激光武器的快速、正确的告警，特别是精确测定来袭激光的方位，是激光告警发展的需要。

目前，典型激光告警设备通常采用多窗口阵列型探测体制对激光威胁源方位进行识别。该类型设备主要由激光告警天线与告警处理机箱组成，运用告警天线上探测窗口的布局及窗口的视场设置识别激光威胁源方位。其优点是探测灵敏度高、结构简单、视场大、可靠性高、成本较低。但是，为了提高方位的分辨精度，必须使用足够多的光学窗口和探测单元，这就导致系统较复杂。

在对多窗口探测型体制研究基础上，利用相邻窗口入射激光的脉冲宽度信息进行识别，在不增加接收窗口的情况下能够提高系统的方位识别能力。

1 多窗口探测阵列型方位识别原理

多窗口探测阵列型告警器天线的设计，主要是沿水平圆周均匀排列n个探测窗口，依靠视场光阑限制每个探测窗口的视场。目前常用的激光威胁源水平方位角识别方式，是通过视场光阑将底层探测窗口的视场设为540°/n，每个探测窗口分别与两边探测窗口有180°/n 的视场重合， 同时又有180°/n 的独立探测视场，处理器根据探测窗口的告警状况计算出激光威胁信号的水平方位。

图1为探测窗口个数为9的水平视场区域分布。利用视场光阑将每个探测窗口的视场设为60°，每个探测窗口分别与两边探测窗口有20°的视场重合，又有20°的独立探测视场。该告警系统的水平角度分辨力为20°。

图1 探测窗口个数为9的水平视场区域分布

2 脉宽识别测向技术

脉宽识别测向技术主要利用的原理是，激光探测接收电路输出的TTL脉冲信号宽度与激光入射角度成一定比例关系。

当光功率密度一定时，光电探测单元输出的光电流与激光的入射角度成一定的比例关系。光电探测器对某一波长激光的响应度是一定的。如式（1）所示，其中探测器响应度为Ri，接收光敏面积为S，光功率为E，光电流为I。

（1）

由上式可以看出，光电探测器输出的光电流信号幅值I与接收光敏面积S有一定的对应关系。

当激光垂直入射时，实际光敏面接收面积为S，激光以入射角α进行照射时，实际接收光敏面积为S1，由图2可知：

？琢=？茁 （2）

S1=S×cos？琢 （3）

则激光入射角度为α时，输出光电流可以由公式（3）得出：

I？琢=Ri×S×E×cos？琢 （4）

光电流经过电路滤波、放大和比较后输出为相应的TTL脉冲信号。集成天线阵列上相邻两个光学窗口，同一束激光照射时入射角度会有所不同，如图3所示：

图3 视场角度图

得到相邻两个窗口探测输出脉冲信号宽度比值为：

（5）

多窗口探测阵列型告警器，在视场重合区会同时接收到两个窗口的激光脉冲信息。通过识别最宽脉冲和次宽脉冲，并测量出脉冲宽度数据，通过比较相邻两个接收窗口输出的激光脉冲信号的脉宽信息计算得出相应的激光入射角度。

3 脉宽识别测向技术的应用

为了利用脉宽识别测向技术提高告警系统的角度分辨力，对探测窗口个数为9的告警器进行改进，利用视场光阑将每个探测窗口的视场设为80°，相邻两个探测窗口的重合区视场均为40°，不再有独立视场，其水平视场区域分布如图4所示。

采用脉宽识别测向技术对重合视场区进行再次分割，首先通过识别最宽脉冲和次宽脉冲计算出重合视场区方位，然后再次计算最宽脉冲和次宽脉冲的比值，查找脉宽比值与方位角度对应关系，可以把重合视场区分割为（5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°）8个方位角度区，从而使该告警系统的角度分辨力提高到5°。

图4 改进后探测窗口个数为9的水平视场区域分布

4 测试试验及数据分析

4.1 脉宽识别侧向理论计算

试验选用告警设备的相邻探测窗口视场分割如图5所示：

图5 视场分割原理图

探测设备每个探测窗口的接收视场为80°，相邻两个窗口合成视场为40°。当激光入射角处于重合视场区，顺时针5°转动时，窗口1和窗口2相对入射角度对应关系如表1所示：

表1 入射角度对应关系表

理论分析计算得出窗口1和窗口2在不同入射角下，激光脉冲宽度比值对应表如表2所示：

表2 理论计算脉宽对比表

4.2 脉宽识别侧向试验数据记录

在脉宽识别侧向测试试验中，同时对窗口1和窗口2接收到的激光脉冲信息进行测量。记录下每个入射角度时对应的脉冲宽度数据，每个入射角度提取12组试验数据，求其平均值。窗口1和窗口2对应的脉冲宽度的平均值随入射角度的变化见图6、图7所示：

整理窗口1和窗口2接收的脉冲宽度数据，并计算得出其脉冲宽度比值对应表如表3所示：

4.3 试验数据对比分析

对脉宽测向技术理论计算与实际应用测试结果数据整理如图8所示：

数据分析：由试验数据对比可知，实际测试结果与理论计算结果基本一致；通过该计算方法可以通过计算脉宽比值查找得出对应方位角度范围；但也存在由接收电路不一致性带来的误差，这个误差可以在处理电路中通过采样处理等方式得到修正。

5 结束语

采用脉宽测向技术可以在不增加窗口阵列型激光告警器探测窗口数量和硬件成本基础上，通过改进探测窗口视场布局和采用新的信号处理方法，能够大幅度提高系统的角度分辨力。为了使脉宽测向技术计算得出的角度方位信息更加精确、可靠，考虑进一步分析验证造成实际设计与理论计算之间误差的因素，找到进一步提高角度分辨力的方法。

参考文献

[1]王永仲.现代军用光学技术[M].北京：科学出版社，2003.

[2]王建军，张沛露，李岩，等.激光告警内场仿真试验系统的设计[J]. 光学精密工程，2010，18（9）.

[3]孙春生，李树山，雷选华.一种确定激光辐射方位的新技术[J].激光与红外，2003，33（2）：101-103.

[4]孙建国，丛俊奎.激光告警视场中误差分析[J].激光与红外，2001.

作者简介：胡进军，工程师。

王江磊，工程师。

摘 要：通过对多窗口阵列型激光告警系统的研究分析，为激光告警设备水平方向的识别提出了一种新的设计方案。通过对比分析得出结论：该方法在不增加系统探测窗口数量的基础上，通过采用脉宽测向技术，能够大幅度提高系统的激光方位识别能力。

关键词：激光告警；脉宽测向；角度分辨力

引言

现代战争中，来自激光的威胁日趋严重。随着激光武器在实战中的利用，能够对激光测距、激光制导、激光高能辐射武器等激光武器的快速、正确的告警，特别是精确测定来袭激光的方位，是激光告警发展的需要。

目前，典型激光告警设备通常采用多窗口阵列型探测体制对激光威胁源方位进行识别。该类型设备主要由激光告警天线与告警处理机箱组成，运用告警天线上探测窗口的布局及窗口的视场设置识别激光威胁源方位。其优点是探测灵敏度高、结构简单、视场大、可靠性高、成本较低。但是，为了提高方位的分辨精度，必须使用足够多的光学窗口和探测单元，这就导致系统较复杂。

在对多窗口探测型体制研究基础上，利用相邻窗口入射激光的脉冲宽度信息进行识别，在不增加接收窗口的情况下能够提高系统的方位识别能力。

1 多窗口探测阵列型方位识别原理

多窗口探测阵列型告警器天线的设计，主要是沿水平圆周均匀排列n个探测窗口，依靠视场光阑限制每个探测窗口的视场。目前常用的激光威胁源水平方位角识别方式，是通过视场光阑将底层探测窗口的视场设为540°/n，每个探测窗口分别与两边探测窗口有180°/n 的视场重合， 同时又有180°/n 的独立探测视场，处理器根据探测窗口的告警状况计算出激光威胁信号的水平方位。

图1为探测窗口个数为9的水平视场区域分布。利用视场光阑将每个探测窗口的视场设为60°，每个探测窗口分别与两边探测窗口有20°的视场重合，又有20°的独立探测视场。该告警系统的水平角度分辨力为20°。

图1 探测窗口个数为9的水平视场区域分布

2 脉宽识别测向技术

脉宽识别测向技术主要利用的原理是，激光探测接收电路输出的TTL脉冲信号宽度与激光入射角度成一定比例关系。

当光功率密度一定时，光电探测单元输出的光电流与激光的入射角度成一定的比例关系。光电探测器对某一波长激光的响应度是一定的。如式（1）所示，其中探测器响应度为Ri，接收光敏面积为S，光功率为E，光电流为I。

（1）

由上式可以看出，光电探测器输出的光电流信号幅值I与接收光敏面积S有一定的对应关系。

当激光垂直入射时，实际光敏面接收面积为S，激光以入射角α进行照射时，实际接收光敏面积为S1，由图2可知：

？琢=？茁 （2）

S1=S×cos？琢 （3）

则激光入射角度为α时，输出光电流可以由公式（3）得出：

I？琢=Ri×S×E×cos？琢 （4）

光电流经过电路滤波、放大和比较后输出为相应的TTL脉冲信号。集成天线阵列上相邻两个光学窗口，同一束激光照射时入射角度会有所不同，如图3所示：

图3 视场角度图

得到相邻两个窗口探测输出脉冲信号宽度比值为：

（5）

多窗口探测阵列型告警器，在视场重合区会同时接收到两个窗口的激光脉冲信息。通过识别最宽脉冲和次宽脉冲，并测量出脉冲宽度数据，通过比较相邻两个接收窗口输出的激光脉冲信号的脉宽信息计算得出相应的激光入射角度。

3 脉宽识别测向技术的应用

为了利用脉宽识别测向技术提高告警系统的角度分辨力，对探测窗口个数为9的告警器进行改进，利用视场光阑将每个探测窗口的视场设为80°，相邻两个探测窗口的重合区视场均为40°，不再有独立视场，其水平视场区域分布如图4所示。

采用脉宽识别测向技术对重合视场区进行再次分割，首先通过识别最宽脉冲和次宽脉冲计算出重合视场区方位，然后再次计算最宽脉冲和次宽脉冲的比值，查找脉宽比值与方位角度对应关系，可以把重合视场区分割为（5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°）8个方位角度区，从而使该告警系统的角度分辨力提高到5°。

图4 改进后探测窗口个数为9的水平视场区域分布

4 测试试验及数据分析

4.1 脉宽识别侧向理论计算

试验选用告警设备的相邻探测窗口视场分割如图5所示：

图5 视场分割原理图

探测设备每个探测窗口的接收视场为80°，相邻两个窗口合成视场为40°。当激光入射角处于重合视场区，顺时针5°转动时，窗口1和窗口2相对入射角度对应关系如表1所示：

表1 入射角度对应关系表

理论分析计算得出窗口1和窗口2在不同入射角下，激光脉冲宽度比值对应表如表2所示：

表2 理论计算脉宽对比表

4.2 脉宽识别侧向试验数据记录

在脉宽识别侧向测试试验中，同时对窗口1和窗口2接收到的激光脉冲信息进行测量。记录下每个入射角度时对应的脉冲宽度数据，每个入射角度提取12组试验数据，求其平均值。窗口1和窗口2对应的脉冲宽度的平均值随入射角度的变化见图6、图7所示：

整理窗口1和窗口2接收的脉冲宽度数据，并计算得出其脉冲宽度比值对应表如表3所示：

4.3 试验数据对比分析

对脉宽测向技术理论计算与实际应用测试结果数据整理如图8所示：

数据分析：由试验数据对比可知，实际测试结果与理论计算结果基本一致；通过该计算方法可以通过计算脉宽比值查找得出对应方位角度范围；但也存在由接收电路不一致性带来的误差，这个误差可以在处理电路中通过采样处理等方式得到修正。

5 结束语

采用脉宽测向技术可以在不增加窗口阵列型激光告警器探测窗口数量和硬件成本基础上，通过改进探测窗口视场布局和采用新的信号处理方法，能够大幅度提高系统的角度分辨力。为了使脉宽测向技术计算得出的角度方位信息更加精确、可靠，考虑进一步分析验证造成实际设计与理论计算之间误差的因素，找到进一步提高角度分辨力的方法。

参考文献

[1]王永仲.现代军用光学技术[M].北京：科学出版社，2003.

[2]王建军，张沛露，李岩，等.激光告警内场仿真试验系统的设计[J]. 光学精密工程，2010，18（9）.

[3]孙春生，李树山，雷选华.一种确定激光辐射方位的新技术[J].激光与红外，2003，33（2）：101-103.

[4]孙建国，丛俊奎.激光告警视场中误差分析[J].激光与红外，2001.

作者简介：胡进军，工程师。

王江磊，工程师。