基于双纵模多普勒测速的激光引信技术

张建华，程妹华，袁 伟，郭 孟，陆长平

(上海无线电设备研究所，上海201109)

0 引言

激光引信利用激光特有的方向性强、高亮度及高相干性等特点，具有高的角度和距离分辨率和强的抗电磁干扰能力，在武器系统中得到快速发展[1-2]。目前，激光引信普遍采用脉冲直接探测体制，面临作用距离受限，容易在云、烟、雾、霾、雨、地海杂波等自然环境下产生虚警等问题，因此，提高激光引信的探测灵敏度和抗云雾及地海杂波等自然环境干扰能力成为当前研究的重要问题[3]。由于目标速度快，导弹与目标相对速度与导弹相对自然环境的速度差别巨大。利用这一差别，可以将云、烟、雾、霾、雨、地海杂波等自然环境回波与目标回波区分，从而提高激光引信抗云雾及地海杂波等自然环境干扰能力。

激光多普勒测速利用多普勒效应来获得运动物体的速度信息，具有测速精度高、探测灵敏度高、动态响应快等优点[4-5]。因此，通过检测激光多普勒频移实时获得目标速度的信息，可以提高激光引信抗自然环境干扰能力。但是，当运动物体速度为100 m/s或1 000 m/s以上时，激光多普勒频移高达数百兆赫兹或吉赫兹量级，多普勒信号检测及信号处理变得非常困难，从而限制了激光多普勒测速技术在航天航空等超高速领域中的应用。

针对音速及超音速运动物体激光多普勒信号探测的问题，文献[6]提出了一种基于双纵模激光器的多普勒测速方法，基于双纵模He-Ne激光器搭建激光多普勒测速系统，并通过实验验证了双纵模激光多普勒测速方案的可行性，为激光多普勒测速技术在航空航天等超高速领域中的应用奠定了坚实的基础。本文从激光多普勒效应出发，阐述了双纵模激光多普勒测速原理，并针对双纵模激光多普勒测速系统关键的性能参数——系统信噪比、作用距离、测速误差，进行了详细的分析，进而提出双纵模多普勒测速激光引信技术，给出了双纵模多普勒测速激光引信详细的设计方案，为双纵模多普勒测速激光引信系统工程化设计提供参考依据。

1 基本原理

图1为激光多普勒效应示意图[7]。O点为激光光源，其频率为f，波长为λ;T点为运动物体，其速度矢量为v;E点为接收器。

光源O发出的光束照射到速度为v的运动物体T上，o和e分别代表入射方向和接收方向的单位矢量。由于接收器是静止的，接收器接收到的光波频率可以表示为

则多普勒频移为

若入射方向和接收方向相同，则上式可化简为

式中：v为运动物体的速度大小;λ为激光的波长;θ为光束入射方向与物体运动方向的夹角。多普勒频移与运动物体速度成正比，通过检测多普勒频移，就可以计算得到运动物体的速度。由式(3)可知，当物体速度达到1 000 m/s时，波长为1 064 nm的激光多普勒频率高达吉赫兹量级，信号检测及处理变得非常困难。

针对高速及超高速多普勒信号难检测及处理的问题，采用双纵模激光多普勒测速，其工作原理如图2所示[8]。

激光器发射具有一定频率差的双纵模激光，经分束棱镜后，一束光由光电探测器1接收作为本振信号;另一束光照射到高速运动物体表面，经反射后被光电探测器2接收，得到回波信号;最后利用本振信号及回波信号进行解算，解算出运动物体的速度信息。

在双纵模激光多普勒探测过程中，利用波的相干叠加原理和光电探测器平方律检测关系，本振信号和回波信号的频率为[9]

式中：f1、f2为双纵模激光的频率;fD1、fD2为双纵模激光分别对应的多普勒频移。利用回波信号与本振信号进行解算，得到双纵模激光多普勒频移为

式中：c为电磁波的传播速度;ν为目标的相对速度;f1-f2为双纵模激光的频率差值。由式(5)可知，当双纵模激光的频差为600 MHz，运动物体速度为1 000 m/s时，双纵模激光多普勒频移仅为4 k Hz。因此，通过双纵模激光多普勒测速方法，可以有效提高速度测量范围，进而解决高速及超高速多普勒信号检测及处理问题，同时还可以结合实际的测速需求，选择具有不同频差的双纵模激光进行探测。

2 性能参数分析

2.1 系统信噪比

信噪比是表征光学外差探测系统性能的重要指标。提高系统信噪比可以获得高的探测概率，从而获得更高的测量精度[10]。在激光外差探测系统中，系统信噪比可以表示为

其中χ为外差效率，对系统信噪比起决定性作用，其具体表达式为

式中：Us(r)、Ul(r)为两干涉光束的归一化电场分布。由式(7)可知，外差效率与两个光束的电场分布密切相关。两个光束在波形形状、振幅分布、位相差、偏振态等具有高的匹配度，才可能获得高的外差效率。在双纵模激光多普勒测速系统中，采用双光电探测器分别对本振光束和信号光束进行相干接收，探测器上的两个光束光路一致，其在波形形状、振幅分布、位相差、偏振态等具有高的匹配度，可实现高的外差效率，输出较高的系统信噪比。

2.2 作用距离

利用经典的激光雷达方程关系式，可以得到作用距离表达式为[11]

式中;PR为接收光功率;PT为发射光功率;GT为发射天线增益与发射激光发散角的平方成反比;σ为目标有效散射截面;D为光学天线接收口径;ηatm为大气传输系数;ηsys为系统的传输系数。由式(8)可知，可以通过增加光学接收口径D、发射天线增益GT以及发射功率PT，降低接收功率PR等提高作用距离。而在双纵模激光多普勒测速系统中，具有高的外差效率，可实现高的信噪比，降低了接收光功率的要求。其次，可以通过压缩发射激光的发散角增大光学天线增益，或增加光学接收口径，收集更多的能量，进而提高系统的作用距离。

2.3 测速误差

由双纵模激光多普勒频移公式可知，运动物体的速度与双纵模激光多普勒频移差值一一对应，激光多普勒频谱的增宽会造成测速误差，直接影响系统测量的精度。为了得到更高精度的测量结果，对激光多普勒频谱增宽的来源及机理进行分析。在实际的测量过程中，激光多普勒频谱增宽的来源主要包括有限渡越时间增宽、速度梯度增宽及探测器孔径增宽等[12]。

(1)有限渡越时间增宽

发射激光照射到运动物体表面时，由于激光光斑具有一定大小，导致每个运动粒子产生的信号只能持续一定时间，且相位随机变化。大量随机分布的粒子产生的信号叠加在一起，于是产生了大小和相位的随机变化，导致多普勒频谱增宽。文献[13]给出了有限渡越时间增宽量的表达式为

式中：ω为光斑大小;ν为运动物体平均速度;θ为光束方向与物体表面的夹角。

由式(9)可知，通过减小被测物体表面平均速度或增加光斑大小，可以降低有限渡越时间造成的多普勒频谱增宽。

(2)速度梯度增宽

当大量的粒子同时通过激光测量体时并不是拥有完全相同的速度，而是有一个速度分布，就会造成速度梯度增宽。由于各个粒子的速度不相同，各自产生的多普勒信号的频率也就各不相同。探测器接收到的信号是各个粒子产生的信号的平均结果，于是就产生一个相应的多普勒频率范围。如果减小激光测量光斑尺寸的大小，通过测量体的被测粒子就相对的要少。于是速度梯度范围就小得多，产生的多普勒频率增宽也就相应的变小了。因此，可以通过减小激光光斑的大小来加以控制速度梯度引起的多普勒频谱增宽。

(3)探测器孔径增宽

探测器光敏面具有一定的尺寸，存在微小的有限夹角，当激光经运动物体散射后，以原方向返回的光线为中心，在立体角小于有限夹角内的光线，都会在探测器光敏面上发生干涉，由于微小有限夹角的存在，速度存在微小梯度，进而导致多普勒频谱的增宽。探测器孔径造成微小有限夹角的计算式为

式中：d为探测器有效光敏面大小;R为系统探测距离。由式(10)可知，通过减小探测器的孔径或增大作用距离，可以有效降低多普勒频谱的增宽。

3 系统设计

由系统性能参数分析可知，双纵模激光多普勒测速系统具有探测灵敏度高、作用距离大及测量精度好的特点。将双纵模激光多普勒测速应用到激光引信中，可解决导弹与目标交会中多普勒信号的检测及信号处理问题，进而利用速度差异信息，极大提高激光引信抗云雾及地海杂波等自然环境干扰能力，同时提高系统的信噪比和探测距离。

图3给出了典型的双纵模多普勒测速激光引信系统设计原理图。

双纵模多普勒测速激光引信系统由发射系统、接收系统和信号处理系统三部分组成。发射系统包括激光器、分束器以及发射光学天线;接收系统包括接收光学天线、光电探测器、前端放大电路以及混频器;信号处理系统包括信号调理模块、信号采集模块、信息解算模块以及目标识别模块。激光器发射频率差值稳定的双纵模激光，分束器得到本振光束和出射光束;本振光束直接通过光电探测器进行相干接收，输出本振信号;出射光束经发射光学天线整形后照射到目标上，经目标反射后由接收光学天线进行会聚，并由光电探测器进行相干探测输出回波信号;本振信号和回波信号经放大电路后输入混频模块，得到双纵模激光多普勒信号;在经过信号调理、采集、信息解算以及目标识别等模块后，完成对目标的识别，并输出报警信号。

4 结论

双纵模激光多普勒测速解决了高速或超高速运动物体多普勒信号的检测及信号处理问题。将双纵模激光多普勒测速应用于激光引信是一个全新尝试，利用速度信息，可以极大提高激光引信抗云雾及地海杂波等自然环境干扰能力。目前双纵模多普勒测速激光引信技术研究还处于空白阶段，要进一步运用于工程实现，还有许多问题亟待解决，主要包括：

(1)双纵模激光器问题。受到弹体空间体积的限制，要求激光引信的发射光源具有体积小、结构简单可靠等特点，如半导体激光器。而在双纵模激光多普勒测速系统中，多普勒频移与双纵模激光的频率差值密切相关，要求双纵模激光器输出的激光具有窄的线宽，同时双纵模激光频率的差值具有很高的稳定性，如文献[6]中采用的双纵模氦氖激光器，目前受空间体积、发射功率等限制，还无法应用到激光引信系统中。因此，研制出满足激光引信系统要求的小型化稳频差的双纵模激光器是工程化应用中至关重要的环节。

(2)大视场探测问题。基于PN结的探测器带宽与光敏面面积成负增长关系，探测器光敏面越大，其响应带宽越小。通常激光引信都具有周向360°探测的特点，要求光学系统满足大视场探测，所以对于大视场探测的激光引信而言，其探测器的光敏面面积较大，相应的带宽较低。而在双纵模激光多普勒测速系统中，要求探测器具有较高的带宽，以满足对双纵模激光的频差的探测。因此，如何解决大视场探测带来光敏面面积与探测器带宽的相互制约的矛盾也是工程化应用的重要问题。

本文提出的双纵模多普勒测速激光引信与其他激光引信相比，可以获得目标的速度信息，并在此基础上利用速度信息实现复杂干扰环境下对目标的精确识别，为导弹引信的智能化探测提供了新的思路，具有一定的参考价值。