基于激光动态探测机理的目标回波特性

游安华,甘 霖

(1.南京理工大学工程训练中心,江苏 南京 210094;2.南京理工大学机械工程学院,江苏 南京 210094)

1 引 言

脉冲激光定向性好、测量精度优异,在民用设备和武器装备等领域应用广泛[1-4]。现代战争环境日新月异,例如基于“硬杀伤”机制的各类主动防御系统[5]、基于定向聚能起爆概念的各类高效毁伤战斗部[6-10],均要求激光探测系统在原有直瞄式点对点探测基础上,具备空间全方位覆盖的探测能力。

针对脉冲激光空间全向探测问题,文献[11]利用激光条纹管对目标进行成像实现全向探测,文献[12]采用二维交叠掩膜编码技术实现近程目标高精度角度探测,上述方法探测精度高,但由于使用了面阵探测器,传感单元多、探测周期较长;文献[13]区别于上述静态全向探测,采用双向电机带动激光360°扫描实现空间全向探测,将传统的激光静态探测方式改进为动态扫描方式,扩大了探测范围;文献[14]基于激光同步扫描机制,重点研究了脉冲激光频率和电机扫描速率等对目标捕获率的影响,没有涉及激光回波特性方面的探讨。

本文针对脉冲激光空间全向探测问题,研究了激光同步动态扫描探测机理下的目标回波特性。基于激光近场探测理论,在激光回波方程一般形式上,推导出基于激光动态探测机理的目标回波轮廓波形方程,结合实际探测实验,从理论和实验两方面,分别探讨了脉冲激光发射功率、激光脉宽、光束发散角和目标距离对目标回波特性的影响机制。

2 激光动态扫描探测机理

激光动态扫描探测方法的系统组成如图1所示。系统由脉冲激光收发组件(SPLPL90-3型脉冲激光发射器、LSSAPD8-500型光敏传感器)、光学整形组件(发射准直透镜、接收聚焦透镜、中空全反镜、全反平面镜)以及动态扫描组件扫描电机组成。

图1 激光动态扫描探测方法系统组成

其探测机理如图2所示,脉冲触发信号经驱动电路点亮SPLPL90-3激光器,另一路触发信号作为距离解算的起点信号,脉冲激光器发出的光束经过发射准直透镜整形后,经过中空全反镜的中空部位后照射至全反平面镜,由全反平面镜改变光束传播路径,扫描电机带动全反平面镜旋转,从而将单光束扩展形成为空间全向探测场,当探测到目标后,回波信号经过全反平面镜和中空全反镜两次反射后,由聚焦透镜整形汇聚至光敏传感器,经过接收电路光电转化处理后,最后经过阈值解算电路测量目标距离。

图2 激光动态扫描探测机理

3 激光动态扫描探测目标回波特性

在近程探测过程中,脉冲激光回波方程一般形式为:

(1)

其中,Pt为发射功率;Gt为增益倍数;Rt为发射系统和目标距离;Rr为接收系统与目标距离;σ为探测目标散射面积;D为光学接收系统通光口径;ηa是大气介质光学透过率;ηs为脉冲激光光学系统透过率。

目标散射截面方程可以积分形式表示为:

σ=∬4πfr(β)cos2βdA

(2)

其中,fr(·)表示双向反射分布函数;β是激光入射角;dA是单位面元。

结合公式(2)、公式(1)的积分形式可推导为:

(3)

其中,E(x,y,z)表示高斯光照度,x为脉冲激光散射截面单位面元横坐标,y为脉冲激光散射截面单位面元纵坐标。

高斯光照度为:

(4)

其中,ω0是激光束腰半径,ω0=2λ/πφ;φ是激光束散角;λ是脉冲激光波长;d0为高斯光束中心与目标之间的距离。

由于重尾函数能更好拟合激光器输出脉冲,本文选用重尾函数来模拟激光器输出脉冲,其形式为:

f(t)=P0(t/τ)2exp(-t/τ)

(5)

其中,P0为脉冲激光峰值功率;τ为脉宽。

结合上述推导,脉冲激光回波功率方程可表示为:

(6)

由于脉冲激光回波波形与回波功率的关系为:

(7)

从而基于激光动态探测机理的目标回波轮廓波形方程可表示为:

(8)

经上述回波方程的推导,结合公式(8)可看出,基于激光动态探测机理的目标回波和激光发射功率P0成正比,此外,与激光脉宽τ、光束发散角φ、目标距离d0等因素也密切相关,本文分别研究上述影响因子对基于激光动态探测机理的目标激光回波特性的影响规律,相关参数设置如表1所示。

表1 仿真计算参数

首先研究目标激光回波特性和脉冲激光发射功率的内在关系。设置激光发射脉宽为10 ns,光束发散角为20 mrad,目标距离为9 m,发射功率从10 W增加至30 W,步长为5,在不同脉冲激光发射功率下的目标激光回波波形如图3所示。可见,随着脉冲激光发射功率的增加,回波信号幅值从0.6 V提升至4.2 V,当发射功率大于15 W时,回波信号峰值已超过1.4 V,并且回波信号脉宽随着发射功率的增加而有所压缩。

图3 不同脉冲激光发射功率的目标回波特性

接下来研究激光脉宽对目标激光回波特性的影响。设置激光发射功率为20 W,光束发散角为20 mrad,目标距离为9 m,激光发射脉宽从5 ns增加至25 ns,步长为5,在不同激光发射脉宽下的目标激光回波波形如图4所示。可见,随着激光发射脉宽的增加,回波信号幅值从2.8 V降低至1.4 V,回波信号脉宽随之有所展宽。

图4 不同激光脉宽的目标回波特性

光束发散角会影响脉冲激光空间分布,为了研究目标激光回波特性和激光光束发散角的内在关系,设置激光发射功率为20 W,激光发射脉宽为10 ns,光束发散角为20 mrad,目标距离为9 m,光束发散角从10 mrad增加至30 mrad,步长为5,在不同光束发散角下的目标激光回波波形如图5所示。可见,随着光束发散角的增加,回波信号幅值从2.5 V降低至1.9 V,回波信号脉宽随之展宽。

图5 不同光束发散角的目标回波特性

最后研究目标激光回波特性和目标距离的内在关系。设置激光发射功率为20 W,激光发射脉宽为10 ns,光束发散角为20 mrad,光束发散角20 mrad,目标距离从5 m增加至13 m,步长为2,在不同目标距离下的目标激光回波波形如图6所示。可见,随着目标距离的增加,回波信号幅值从5.95 V降低至0.45 V,当目标距离小于11 m时,回波信号峰值大于1.4V,回波信号脉宽随着目标距离的增加而有所展宽。

图6 不同目标距离的目标回波特性

4 实验与分析

在理论推导与分析的基础上,搭建激光动态扫描探测实验,进一步探索激光回波特性影响因素,实验平台如图7所示。平台由探测系统、电源及控制系统、数据采集系统和模拟目标构成。

图7 探测实验平台

首先验证脉冲激光发射功率对目标回波特性的影响。调整控制系统,设置激光发射脉宽为10 ns,光束发散角为20 mrad,目标放置于距离9 m处,发射功率从10 W调整至30 W,步长为5,读取数据采集系统数据,在不同激光发射功率下的实测回波波形如图8所示。可见,随着激光发射功率的增加,回波信号幅值从0.6 V提升至4 V,当发射功率大于15 W时,信号峰值超过1.3 V,信号脉宽随着发射功率的增加而有所压缩。

图8 不同脉冲激光发射功率的目标回波特性

其次研究激光脉宽对目标激光回波特性的影响。调整控制系统,设置激光发射功率为20 W,光束发散角为20 mrad,目标距离为9 m,激光发射脉宽从5 ns调整至25 ns,步长为5,读取数据采集系统数据,在不同激光发射脉宽下的实测回波波形如图9所示。可见,随着激光发射脉宽的增加,回波信号幅值从2.7 V降低至1.3 V,信号脉宽随之有所展宽。

图9 不同激光脉宽的目标回波特性

接下来研究激光光束发散角和激光回波特性的内在关系。调整控制系统,设置激光发射功率为20 W,激光发射脉宽为10 ns,光束发散角为20 mrad,目标距离为9 m,光束发散角从10 mrad调整至30 mrad,步长为5,在不同光束发散角下的实测回波波形如图10所示。可见,随着光束发散角的增加,回波信号幅值从2.6 V降低至1.8 V,信号脉宽随之展宽。

图10 不同光束发散角的目标回波特性

最后研究目标距离和目标激光回波特性的内在关系。调整控制系统,设置激光发射功率为20 W,激光发射脉宽为10 ns,光束发散角为20 mrad,光束发散角20 mrad,目标距离从5 m调整至13 m,步长为2,在不同目标距离下的实测回波波形如图11所示。可见,随着目标距离的增加,回波信号幅值从5.7 V降低至0.4 V,当目标距离小于11 m时,回波信号峰值大于1.3 V,信号脉宽随着目标距离的增加而有所展宽。

图11 不同目标距离的目标回波特性

5 结 论

本文针对激光近程全向动态探测问题,基于激光动态扫描探测机理,在激光近场探测理论基础上,推导出基于激光动态探测机理的目标回波轮廓波形方程,分别从理论推导和实验分析两方面入手,研究了目标回波特性影响机理,结果表明:1)随着发射功率的增加,回波信号幅值提升幅度较大,脉宽压缩;2)随着激光发射脉宽的增加,回波信号幅值呈现快速下降,且脉宽展宽;3)随着光束发散角的提高,回波幅值缓慢降低且脉宽展宽;4)随着目标距离的增加,回波信号幅值迅速降低且脉宽展宽。本研究结果为探索激光近程探测精度提供了理论支撑。