楊國華,張永峰,李 昌

(解放軍91388部隊(duì),廣東湛江 524000)

隨著水下光電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,以“魔燈”系統(tǒng)為代表的水下激光探測(cè)裝備的應(yīng)用,對(duì)水雷、潛艇等水下軍事平臺(tái)安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。20世紀(jì)90年代海灣戰(zhàn)爭期間,美軍使用卡曼公司研制的“魔燈”機(jī)載激光探雷系統(tǒng)執(zhí)行探雷任務(wù),僅投入4天,就發(fā)現(xiàn)了數(shù)量相當(dāng)于其他水聲探雷系統(tǒng)前7個(gè)月所探到的總數(shù)的12%[1]。及時(shí)感知水下激光探測(cè)威脅以便采取相應(yīng)的對(duì)抗措施對(duì)提高水下軍事平臺(tái)生存概率、掌握水下戰(zhàn)場的主動(dòng)權(quán)具有重要意義,水下激光告警器應(yīng)運(yùn)而生。但是,由于水體對(duì)激光的強(qiáng)烈吸收、散射作用,而水下激光告警器隨搭載平臺(tái)在水下的工作深度通常在幾米到幾百米的范圍內(nèi)變化,因此,水下激光告警器接收到的光信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)范圍較大氣中激光告警器大得多。當(dāng)接收到較弱的信號(hào)時(shí),告警器有可能檢測(cè)不到告警信號(hào),出現(xiàn)漏報(bào);當(dāng)接收到強(qiáng)度較強(qiáng)的信號(hào)時(shí),光電探測(cè)器件輸出易飽和,導(dǎo)致后續(xù)處理電路無法工作。

1 探雷激光信號(hào)在水體傳播的機(jī)理分析

機(jī)載激光水下探測(cè)系統(tǒng)從空中發(fā)射探測(cè)光脈沖(納秒級(jí)),穿過空氣與水體,被水下激光告警器“捕獲”。同時(shí),以日光為主的自然光成為告警器的背景噪聲來源,與脈沖光相比,背景光在時(shí)域上變化緩慢,易于與脈沖光分離。光脈沖在傳輸過程中的傳輸介質(zhì)有兩類：一是大氣,二是海水。其中,大氣對(duì)光衰減較小[2],藍(lán)綠波段的光束在大氣小距離內(nèi)傳播衰減基本可忽略,而海水對(duì)光衰減較嚴(yán)重且成因也較復(fù)雜,因此主要考慮光信號(hào)在水下部分的衰減。

光在水中傳播時(shí),由于水體對(duì)光的吸收與散射效應(yīng)造成光在水體迅速衰減[3-5],φ0=φd+φs,并且直射與散射光通量成指數(shù)衰減φd=e-a·l,φs=e-s·l,a為吸收系數(shù),s為散射系數(shù),l為傳播距離,如圖1所示。

可以看出,當(dāng)傳播距離逐漸增大時(shí)入射光強(qiáng)度呈負(fù)指數(shù)急劇衰減,光信號(hào)變?nèi)?而在淺水層內(nèi)告警器接收到光信號(hào)較強(qiáng),導(dǎo)致在整個(gè)告警深度內(nèi)告警器接收到的光信號(hào)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍較大,給告警器正常工作帶來困難。

2 解決方案

針對(duì)告警器接收到光信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較大,最直接的解決方法就是實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光電轉(zhuǎn)換器件的增益,即在弱光條件下調(diào)大增益,反之降低增益。

2.1 傳統(tǒng)解決方案

實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光電器件的增益,傳統(tǒng)方案是實(shí)時(shí)檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度,再根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度反饋調(diào)節(jié)光電器件的增益,如圖2所示,優(yōu)點(diǎn)是精確有效,而本文檢測(cè)的信號(hào)為納秒級(jí)高速脈沖信號(hào),對(duì)此高速信號(hào)采樣、處理、識(shí)別需要的元器件及電路較復(fù)雜,特別是其PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮信號(hào)反射、回流、串?dāng)_等問題,技術(shù)上難度較大且成本較高,缺點(diǎn)顯而易見。

2.2 利用背景光調(diào)節(jié)光電增益

為了實(shí)現(xiàn)增益大范圍可調(diào)并更好地感知弱光信號(hào),光電探測(cè)器件選用較成熟的光電倍增管[6],典型增益特性如圖3所示。

告警器接收到脈沖信號(hào)的同時(shí)也受到太陽光等自然光的干擾,這部分干擾構(gòu)成背景噪聲,暫稱它為背景光,背景光在水中傳播同樣遵守負(fù)指數(shù)衰減規(guī)律[7],并且在時(shí)間上變化緩慢,在光電轉(zhuǎn)換器件的輸出為直流信號(hào)。

為了降低成本與難度,避免直接對(duì)高速脈沖光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),本文提出一種新的解決方案:檢測(cè)背景光強(qiáng)度來反饋調(diào)節(jié)光電轉(zhuǎn)換器件增益,即用背景光替代脈沖信號(hào)作為光電倍增管的增益控制信號(hào)。此方案實(shí)現(xiàn)難度較小且成本低,能滿足增益自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。告警器的控制器件選用技術(shù)成熟的MCU,即告警器的架構(gòu)為光電倍增管+MCU(這里暫不討論告警器的接收光學(xué)系統(tǒng)),如圖4所示。

其中光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),電信號(hào)經(jīng)過外圍處理電路分離為兩路:上路是告警脈沖信號(hào),下路是緩慢變化的背景光噪聲“直流信號(hào)”。脈沖信號(hào)送入MCU用于威脅光信號(hào)的重頻、編碼等特征識(shí)別處理,MCU的工作流程如圖5所示。

背景光噪聲送入MCU,MCU分析采集的背景光強(qiáng)度進(jìn)而反饋控制光電倍增管的增益,調(diào)節(jié)光電倍增管的增益倍數(shù),使光電倍增管工作在增益合適的狀態(tài),把寬輸入動(dòng)態(tài)范圍脈沖信號(hào)壓縮到較窄范圍。其控制流程如圖6所示。

圖6中,ADC0為采集的背景光數(shù)值(500ms采集一次),stand為標(biāo)準(zhǔn)值,DAC0為輸出的光電倍增管增益控制變量,step為DAC0的調(diào)整量,在接收強(qiáng)光時(shí)減小光電倍增管增益控制變量,在接收到弱光時(shí)增大光電倍增管增益控制變量,整個(gè)流程使采集到的光信號(hào)數(shù)值維持在穩(wěn)定水平,最終實(shí)現(xiàn)接收光信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的壓縮。MCU還需完成與上位機(jī)的通信,實(shí)時(shí)接收上位機(jī)的指令并將威脅特征信息上報(bào)給上位機(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

依據(jù)告警原理方案,設(shè)計(jì)告警器原理樣機(jī)并對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)采用Nd:YAG激光器作為激光源。激光器參數(shù):工作波長532 nm,最大單脈沖能量約為180 mJ,半幅值脈寬約7 ns,最大重復(fù)頻率為20 Hz,發(fā)散角為4 mrad。將激光器置于水箱中,激光從水線之下的水箱光學(xué)窗口透射出來;在告警器離激光器垂直距離d處改變離光軸橫向距離s、角度θ等參數(shù),實(shí)驗(yàn)方案如圖7,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8-圖10所示。

可以看出,在20 m～58 m深度內(nèi)輸出光電壓維持在1.47 V～0.81 V,對(duì)接受光信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍壓縮明顯,證明設(shè)計(jì)方案可行。但對(duì)離軸光信號(hào)探測(cè)處理效果不明顯,下一步需進(jìn)加強(qiáng)研究。

4 結(jié)束語

本文初步分析水下激光告警的技術(shù)難點(diǎn),即接收光信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大;提出了一種低成本并易于實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案,能有效壓縮其動(dòng)態(tài)范圍,對(duì)整個(gè)水下激光告警器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。