基于激光告警的脉冲信号接收与处理方法研究

柴　源，阮　鹏，孙翠翠，张玉梅

（1．吉林师范大学　信息技术学院；2.吉林师范大学　物理学院，吉林　四平　136000）

基于激光告警的脉冲信号接收与处理方法研究

柴源1，阮鹏1，孙翠翠2，张玉梅2

（1．吉林师范大学信息技术学院；2.吉林师范大学物理学院，吉林四平136000）

本文以激光告警为基础，对激光脉冲信号的接收与处理方法进行了研究，设计了信号接收与处理系统.该系统通过对信号进行接收、放大与保持、采集与处理、Visual Basic程序设计与显示，得到激光信号的来袭方向.

激光告警；信号处理；DSP；显示

1　引言

上世纪80年代，随着激光技术的发展，激光在军事领域上的应用也越来越广泛.目前，战场上主要的激光威胁有激光测距机、激光制导武器、激光雷达、激光跟踪器等.因此，能够截获并识别敌方激光威胁信号的告警装备，成为了各国普遍关注和研究的重点[1].若采用激光告警装备，就能实时探测出激光源带来的威胁信息：激光束的指向目标，来袭方向、威胁距离等信息，并及时发出告警，并快速启动相应的干扰、对抗和掩护措施，从而尽可能消除激光源的威胁.由此可见，要提高信息的准确度，对激光脉冲信号的探测与处理技术进行深入研究，有着十分重要的意义.

按照激光信号探测原理[2]，激光告警分为光谱识别型、相干探测型、成像型激光告警系统.其中光谱识别型以其结构简单、成本较低，灵敏度较高等优点被广泛采用；相干探测型是利用激光的相干特性，在干涉仪上产生干涉，可同时得到激光的波长和方向信息，但其制备较为复杂；成像型具有视场大，分辨率高等优点，但成本较高，且小型化困难.对于激光告警系统而言，其探测与处理技术决定了激光告警装备性能的优劣.综合对以上几种探测类型优缺点分析，本文采用光谱识别型探测器，对激光脉冲信号的接收、处理及显示方法进行了研究.

2　信号接收与处理系统的设计

本文告警系统采用被动式激光告警，即告警系统不发射激光束，仅对威胁方发出的激光信号进行探测与告警.系统主要由接收模块和信号处理模块、显示模块三部分组成.如图1所示，接收模块的作用是接收外界发来的激光脉冲信号，将光信号转换成电信号；信号处理模块将接收到的微弱激光脉冲信号进行处理，并通过DSP对信号进行采集与控制；显示模块主要用来显示激光信号的来袭方向.

2.1激光信号的接收

激光信号的接收端负责将接收的激光脉冲信号转换为电信号，通常采用多通道方式，如图2所示.该方式是采用一组探测器，每个探测器带有窄带滤光片，分别对应不同方向放置.目前，世界上军用激光波长主要是1.06微米、1.57微米等几个已知的波长.这些波长处在各自的波段内，滤光片可以滤除背景光的干扰，可采用滤光片对指定波长范围内的激光信号进行接收.

图1　信号接收与处理系统基本组成框图

图2　多通道接收方式图

接收部分的探测器，选择了具有较高灵敏度，能快速将光信号转换成电信号，且转换过程中无信号畸变的InGaAs型光电二极管探测器，其光谱范围和暗电流大小符合系统要求，保证在探测范围内，能快速探测到激光脉冲信号.根据多通道接收方式，探测器设置了5个探测通道，其整体直径约20厘米.通常情况下，在激光的发散角为0.5毫弧度时，激光器所发射的激光在距离为五千米远处，形成的光斑直径大约为1米，能够被传感器全部截获.水平方向放置5个接收窗口，接收口径为2厘米，水平方向360°范围内可全部探测到.如图3所示，水平方向设置5个传感器，将整个水平视场平均分成五个象限.当有激光束发出时，由于接收角度的不同，每个探测器接收到激光功率的强度也不相同.根据某三个或某两个探测器接收到的幅值强度的比值关系，就可以确定激光源所在的象限及区域的角度范围，垂直方向采用一个探测器，只要指示出激光来袭方向为上方即可.

图3　探测器通道示意图

2.2信号的处理

信号处理部分主要由滤波电路、放大电路、峰值保持电路三部分组成.

滤波部分采用高通滤波电路[3]，其主要作用是滤除由接收端射入的干扰光信号，如红外线部分.一般激光脉冲信号的脉冲宽度为10～20ns，上升宽度为5～6ns，而非激光信号其前沿变化缓慢，上升时间明显较长，利用这种信号特性上的差异，采用一阶高通滤波电路，可以对非激光信号给系统带来的干扰进行有效的抑制和衰减.

目前，对小信号的放大处理，一般都采用集成运算放大器[4].对于本文的激光脉冲信号，其前沿上升时间为5～6ns，放大器的带宽满足60～70MHz，就可以满足系统的信号放大作用.在选择放大器时，还应考虑到放大电路的噪声，因为放大电路的噪声决定了整个信号接收与处理系统的噪声.放大电路采用AD8331运算放大器，其放大带宽为120MHz，满足带宽要求.第一级为低噪声放大电路，后一级为增益可选择的放大器，通过对放大器相应引脚的设定，可得到所需要的电压增益.同时，为了防止电源的纹波干扰，需要连接退耦电容.

经过放大电路，信号进入峰值保持部分.为后续信号采集与处理提供足够的峰值保持时间.峰值保持电路由模拟和数字两部分组成，模拟部分负责对信号的积分保持；数字部分实现逻辑控制功能，负责对信号的泄放.根据要求，本文设计了模拟部分峰值保持电路.其电路原理框图如图4所示.

图4　峰值保持电路基本结构框图

在本电路中，A2、D1、D2、R2、C1实现系统的峰值保持功能.A1、A3为放大器隔离级[5]；为了提高峰值保持电路的灵敏度，加入了负反馈电路，由A2和二极管组成，避免二极管出现死区电压，使输出波形完整连续.实验中通过对电阻电容的选取，使峰值保持的时间范围可调节，调节时间为10～ 20μs.逻辑控制电路控制着整个峰值保持电路的启动与停止，当信号幅值在阈值范围内时，可以启动峰值保持电路对信号进行峰值保持，在保持结束后完成信号泄放及逻辑电路的清零工作.

为了提高信号的准确度，进一步防止噪声所带来的误触发，可在峰值保持电路后续一个高速比较电路，设定电压输入范围，来滤除干扰信号.同时高速比较电路的输出满足DSP外部中断要求，信号可以通过DSP采集.

2.3信号的采集与显示

信号的采集与显示主要通过DSP和VisualBasic进行数据处理，由电脑主机控制，显示屏进行显示.采用DSP外部中断方式来作为触发方式[6]，当电脑主机发出探测指令时，DSP响应外部中断请求，迅速启动DSP中的ADC模块进行数据采集与转换，将转换后的数据通过串行通信[7]，发送给主机.通过调用VisualBasic程序，将主机接收的数据进行运算处理，由显示界面得到显示结果.

激光信号来袭方向的显示界面，主要设置的了传感器的接收显示窗口、激光信号的方位显示窗口等，操作简单明了.

3　结果分析

在理想条件下，发射光学系统的透过率为τt，激光器发出激光束，其峰值功率为Pt，发散角为θt，衰减系数为α，激光器与接收传感器的距离为Z，接收口径面积和透过率分别为As、ηr，且被照射部分的表面法线与入射光束(近似看为平行光)的夹角为θ,探测器接收到的信号功率可表示为[8]：

由此公式可以看出，在一定距离条件下，发射激光的束散角、激光器的峰值功率、空气能见度、接收端的口径等因素，都对接收到的激光功率没有影响.只有cosθ（激光束与传感器法线方向夹角）发生变化，即入射角θ变化时，接收的激光功率才会发生变化.在实际试验时，某一角度方向上发射来的激光，其峰值功率和束散角变化时，测得相邻传感器的电压强度比值也无明显变化，所以并不影响接收端角度的判别.当激光束从某一方向发出时，各传感器的接收情况可以简化为图5所示.

图5　不同角度入射时传感器接收情况

由此，接收到的信号强度关系式可以简化为以下两种情况：

3.1两个传感器同时接收到信号

设Pn、Pn+1为两个不同的传感器接收到的激光信号强度，其中n=1,2,3,4.不同传感器接收的信号，其强度比值的关系式可表示为：

3.2三个传感器同时接收到信号

设Pn-1、Pn、Pn+1为不同传感器接收到的激光信号强度，其中n=2,3,4；不同传感器接收的信号，其强度比值的关系式可表示为：

实验中，以12区间传感器接收到的激光信号为例，并考虑信号由此区间射入时，传感器1、2、5号或1、2、3号有可能同时接收到信号，对从12区间几个不同角度入射的信号进行接收处理，调用Visual Basic程序，对强度比值进行了运算，可得到激光信号的出射角度θ.如下表所示.

表1　不同角度发出的激光脉冲信号强度比值

通过对信号采集的理论分析和仿真实验结果表明，系统可以显示出激光信号的大致来袭方向，图6.1、6.2所示.角分辨率可以初步达到9°，显示结果较为准确.

图6.1　未加信号的起始界面

图6.2　三个传感器同时接收到信号的界面显示

4　结论

本文对激光告警系统的信号接收与处理方法进行了研究，对信号进行接收、放大，通过DSP对数据进行采集和处理，利用Visual Basic编程给出信号强度的算法，由显示界面显示出激光信号的来袭方向，对于激光信号的接收处理、角度分辨是一次有益的尝试，很多细节还需要继续深入分析.同时，在战场上还需要考虑很多的实际问题，需要更进一步的深入研究.今后，随着光学技术的不断发展，光学材料的更新、加工工艺的进步、高速集成的电子技术，以及更为先进的图像处理显示技术的应用，脉冲信号的接收与处理技术将会得到进一步的完善与发展.

〔1〕张洁.激光告警设备的组成和工作原理.航天电子对抗，2002(2):42~45.

〔2〕杨在富，钱焕文.激光告警技术发展现状.激光技术，2004 (1)：16～18.

〔3〕康华光.电子技术基础（模拟部分）.北京：高等教育出版社，1999.145～151.

〔4〕赵保经.集成运算放大器.北京：国防工业出报社，2003.134~140.

〔5〕刘常澍，彭艮鹏，李志华.模拟信号隔离的实验与研究.试验技术与管理，2003(6)：88～90.

〔6〕顾群楠,殷德奎.基于TMS320LF2407A的高速高精度数据采集系统.科学技术与工程，2005(6)：105～108.

〔7〕郭京蕾，吴勇.DSP和PC机的串行通信.计算机工程与设计，2004(3)：475～477.

〔8〕阿雷克，舒尔茨—杜波依斯.激光技术的应用.北京：科学出版社，1983.372~376.

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