基于能量积分叠加图的激光告警角度识别技术研究

王宝玉　王开元　师廷伟　刘苗培

摘要：為了识别高重频激光的来袭方向，本文提出了将信号能量积分叠加图作为激光告警设备（以下简称“告警设备”）多窗口探测高重频激光信号特征，再经过自适应阈值进行抗干扰处理，最后利用分类器识别高重频激光来袭方向。经过试验证明该方法能正确识别高重频激光来袭方向，克服了各种背景光（太阳光、杂散光等）的干扰，解决了告警设备在动态范围内识别高重频激光来袭方向跳区问题。

关键词：高重频激光；激光告警；信号能量积分叠加图；激光特征；分类器

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0118-03

随着激光制导技术飞速发展，以激光雷达为标志的激光主动制导技术逐步成为制导技术的重要方向。各种激光主动制导武器的应用，对我军事目标构成严重威胁。激光告警设备作为探测对抗激光制导武器的重要前提和基本手段[1，4]，发挥越来越重要的作用。与低频脉冲激光信号[2]、连续波激光信号[3]相比，高重频激光信号由于频率高，信号类型复杂。具有高重频信号探测能力的激光告警设备，对信号的识别处理要求更高。

激光来袭方向是告警设备的重要指标之一，准确识别激光来袭方位，对探测对抗激光制导武器具有重要意义。常规的角度识别方法普遍存在识别高重频激光来袭方向精度不高、抗干扰能力弱，固定阈值比较丢失原有激光能量强度等缺点。本文基于激光信号能量叠加图特征，提出一种识别激光来袭方位的方法。通过理论计算及试验验证该方法能够快速准确识别激光来袭方向。

1 基于能量叠加图激光来袭角度识别原理

1.1 告警设备探测工作原理

光电二极管探测器探测的激光信号为微弱的窄脉冲信号，因此要求该探测与处理电路具有高速、高精度、较大动态范围及高灵敏度的特点。依据该思路，通过传输光缆将告警设备多窗口天线接收到的激光信息传输至信息处理单元，在信息处理单元中通过光电二极管探测高重频激光信号进行放大滤波，经过峰值检测电路后，再利用AD采集将模拟信号变换为数字信号，然后计算信号能量积分叠加图，并将信号能量积分叠加图作为多通道探测器接收到高重频激光的特征，经过自适应阈值进行抗干扰处理，最后通过分类器来识别高重频激光来袭方向，其流程图如图1所示。

1.2 特征提取

信号能量积分叠加图作为告警设备多窗口探测高重频激光信号特征，其是将多个周期激光信号、噪声信号与时间轴所形成面积进行叠加所形成的信号能量。其优点：信号能量积分叠加图是在多个周期时间段内激光信号、噪声信号能量的积累，充分反映该探测器接收激光能量、其他因素的影响。当多窗口告警设备中某一窗口接收到100K的高重频激光信号时，经过探测电路滤波放大与峰值保持输出，其信号形式如图2所示。

图2中，波形表示探测器接收到一个周期高重频激光信号经过模拟电路滤波放大后的电信号，其阴影部分表示其接收的一个激光信号的能量；该阴影部分随着接收到激光信号强度变化而变化，其能量用公式表示为：

1.3 自适应阈值处理

在激光脉冲信号探测及进行光电转换过程中，存在各种外部扰动和内部电路噪声。外部扰动包括光路传输介质的湍流以及背景的起伏，杂散光的入射及探测电路收到周围电磁干扰等，内部电路噪声包含光电探测器、输入电路和前置放大器的固有噪声等。这些内外因素影响了在激光信号情况下，AD采集输出电压不为零，为了能够从背景噪声分出能够分离出收到主要接收高重频激光信号的窗口，本文采用自适应阈值的方法，其方法为：

（1）计算告警设备中所有窗口的探测器T时间周期内接收到激光信号能量，公式如下：

1.4 角度分辨力区域决策

若经过上述处理后，存在经过阈值后个窗口可探测到高重频激光信号进行角度分辨力识别，可以认为存在个信号能量进行角度分辨力的个区，通过个判别函数： 分类器如图3所示。若激光信号属于第i区[7]，则有

2 实验结果分析

（1）为了验证自适应阈值算法的有效性，本文利用Matlab7.0软件仿真接收通道实际输出的激光信号与白噪声，如图4所示。图4的1中24路其中1路探测到激光信号，其峰值输出图，其余通道峰值保持输出为白噪声信号；图4的2中24路其中2路探测到激光信号，其峰值输出图，其余通道峰值保持输出为白噪声信号；图4的3中24路其中3路探测到激光信号，其峰值输出图，其余通道峰值保持输出为白噪声信号；图4的4中24路其中5路探测到激光信号，其峰值输出图，但是比较弱的信号是探测器接收到多径散射激光信号的峰值输出，其余通道峰值保持输出为白噪声信号；在0～100时间内接收到能量与通道数如表1所示。在表1中，1～3分别代表接收通道数量为1，2，3；其能量如表1所示，其阈值随着接收通道接收能量强弱与探测器探测激光通道数量多少的变化而变化，经过阈值后将无接收激光信号的通道输出白噪声的能量标记0，接收到激光信号的探测通道保留阈值前的能量。但在表1的4中，实际接收激光信号通道数量为5.其中1路是多径散射使接收通道收到微弱激光信号，其能量较低，通过自适应阈值后，将该路接收通道能量标记为0，为无效探测激光通道，其余4路为有效的探测激光信号通道，其能量保留阈值前能量。

（2）依据本文方法，研制了水平0°～360°，垂直0°～90°，水平角度分辨力15°，垂直角度分辨力30°的告警设备样机，共24个探测器，分为上下两层，每层12个窗口同处于一个平面上。其测试使用1064nm高重频激光源，该激光源的脉冲宽度为10ns，峰值功率为50KW。在室内，通过激光扩束系统将高重频激光光斑扩束为60cm，然后以水平方向5°，垂直方向也是5°上下左右旋转告警设备，在动态范围0～40dB范围内其角度分辨力测试如表2所示。

在室外标准大气压下，使用上述高重频激光器在太阳光照射下传播1KM后光斑直径扩大到约60cm对样机的动态范围内进行测试，其告警角度均正确，无跳区现象发生。通过镜面反射对高重频告警设备进行多路径测试，其告警角度正确。

3 结语

本文以使用多窗口直接探测高重频激光告警设备为研究对象，利用提出的高重频激光信号能量积分叠加图作为每个窗口探测的高重频激光信号特征，通过自适应阈值处理进行抗干扰处理，最后利用分类器实现了来袭高重频激光方向的告警，具有较好的战术实用价值。

参考文献

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