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(上海師范大學 教育學院，上海 200234)

0 引言

近年來，激光引信技術得到了廣泛的應用[1]，激光引信測試設備可用于激光引信的內(nèi)場與外場各項測試。要測試導彈激光引信的各種測量參數(shù)，可利用各種手段模擬目標，檢測引信執(zhí)行級的輸出，由此判斷引信工作是否為正常[2]。現(xiàn)在，激光引信收發(fā)視場的測試技術也有長足的發(fā)展[3-6]。但是大多數(shù)的測試研究往往注重于收發(fā)視場的分別測試和兩者數(shù)據(jù)的簡單比對。所以，會造成測試每套激光引信的所用時間較長。

引信作用距離是激光引信系統(tǒng)的重要參數(shù)之一。利用對目標表面散射的激光功率的探測，激光引信可感知目標，并對作用距離進行估算。

寬光束的激光引信發(fā)射的能量呈空間分布，同一徑面上不同點的能量強度會不相同，這會影響引信作用距離的精度，嚴重的可能會影響引信工作的穩(wěn)定性。

實際上，引信視場的最大作用距離分布曲線也與收發(fā)視場兩者的匹配度相關。本文討論了使用自制成套設備分別測量引信收發(fā)視場數(shù)據(jù)，計算出該組件最大作用距離隨視野的分布曲線。由此計算收發(fā)視場“匹配系數(shù)”的原理和方法，并且可以對引信組件的品質(zhì)做出準確評估，減少測試所用的時間。

1 引信收發(fā)視場測量

激光引信首先發(fā)射激光束，到達目標后，會發(fā)生反射，反射的激光如果被接收窗口接收，就會轉(zhuǎn)換成電信號，最后經(jīng)過系統(tǒng)計算處理后，就實現(xiàn)了對目標的探測[6]。因此，激光引信的測量包含了激光發(fā)射視場的測量和激光接收視場的測量。為了測量設計的方便，自制成套設備采用的測試方案為：通過程序來控制激光引信發(fā)射激光束，通過光衰減器，模擬經(jīng)目標反射引起的光衰減，送入到引信的接收窗口。

1.1 發(fā)射視場測量

引信收發(fā)視場測試系統(tǒng)測量發(fā)射視場，如圖1所示。垂直放置的CCD線陣放置在激光引信的激光發(fā)射器為中心、半徑為R的圓弧上。此圓弧是由步進電機的旋轉(zhuǎn)帶動機械設備運動而成，視野角α的最大角度范圍可以是-90°～90°。測量發(fā)射視場時，通過調(diào)節(jié)裝載引信的機械裝置使其發(fā)射光束呈水平線狀出射，按照設置的測試角度范圍和步長驅(qū)動相關電機作視野掃描，用垂直放置的CCD線陣探測，自動完成整個發(fā)射視場的測量過程[7-9]。

圖1 引信發(fā)射視場測試系統(tǒng)示意圖

由于激光引信發(fā)射的光功率很大，所以需要加一光衰減器，以便CCD線陣能正確的讀出接收到的光功率相對值。

如圖2所示，激光引信發(fā)射寬光束，CCD線陣中的每個CCD均可接收，輸出信號幅度變化的一維矩陣。由圖2可見，CCD線陣中某個CCD與CCD線陣中心的高度H與半徑R、視場角β存在一定的數(shù)學關系：

(1)

即根據(jù)預先測量的高度H與半徑R，就能計算出視場角β。

圖2 引信發(fā)射視場視場角β

對每個視野角α，CCD線陣接收激光光束，輸出一列信號數(shù)據(jù)。通過控制步進電機的旋轉(zhuǎn)，改變視野角α的角度。最后形成輸出信號幅度的變化二維矩陣，此二維矩陣按視野角α和視場角β分布。

通過測量，得到該引信發(fā)射激光功率的相對分布函數(shù)矩陣。為了得到準確的激光功率值，事先可以用寬幅光功率計探頭測量出激光總發(fā)射功率，再進行數(shù)學計算。

1.2 接收視場測量

接收視場的測量較為復雜。通常有兩種方法：方法一是用功率不變的目標模擬光脈沖照射引信接收窗口，測量不同入射角引信接收模塊輸出信號的幅度變化矩陣。方法二是測量中調(diào)節(jié)目標模擬光脈沖功率，使引信接收模塊輸出的信號幅度剛好在探測閾值上，由此得到閾值功率隨入射角度變化的矩陣[10-11]。使用方法一時，由于引信接收模塊光信號放大能力的非線性，因此很難用大信號時的模塊接收信號幅度去推算接收閾值功率時的光脈沖功率。因此我們采用第二種方法。如圖3所示。在水平方向上，引信接收窗口放置在激光引信的激光器為中心、半徑為R的圓弧上。此圓弧是由水平步進電機的旋轉(zhuǎn)帶動機械設備運動而成，視野角α的最大角度范圍可以是-90～90°。

圖3 采用的引信接收視場測試系統(tǒng)示意圖

在垂直方向上，整個引信接收窗口平臺由垂直步進電機的旋轉(zhuǎn)帶動機械設備上下運動而成。由圖4可見，引信接收窗口平臺與水平中心的高度H與半徑R、視場角β也存在一定的數(shù)學關系：

(2)

即根據(jù)預先測量的高度H與半徑R，就能計算出視場角β。

圖4 引信接收視場視場角β

由圖3可見，接收視場的測量使用了可變光衰減器。可變光衰減器是通過控制衰減傳輸光功率，來達到實現(xiàn)對信號的實時控制的目的，它是一種光無源器件，尤其在光纖通信中的應用更多。所以本設計使用程序來控制可變光衰減器，來達到調(diào)節(jié)光脈沖功率的目的。

在使用第二種方法時，每個測試點測試系統(tǒng)需要經(jīng)多次調(diào)節(jié)光脈沖功率才能得到結(jié)果。每次只能得到矩陣中的一個數(shù)據(jù)，而不是象發(fā)射測量中可以一次讀取CCD線陣同一視野角的整個視場的一列數(shù)據(jù)。

根據(jù)測量的范圍，在測量前，將引信接收窗口放置在垂直方向的最大值、視野角α=-90°處，開始測量。每次獲得數(shù)據(jù)后，視野角α增加一個水平步長值，再次測量，直到視野角α≥90°為止。這樣，記錄了一行數(shù)據(jù)。然后，將引信接收窗口在垂直方向降低一個垂直步長值，視野角α=-90°處，開始測量，直到視野角α≥90°為止。此時，記錄了下一行數(shù)據(jù)。如此循環(huán)，直到將引信接收窗口放置在垂直方向的最小值，并記錄了此行的數(shù)據(jù)。最后形成輸出信號幅度的變化二維矩陣，此二維矩陣按視野角α和視場角β分布。

這種方法測量速度較慢。要能提高測量速度，測試系統(tǒng)必須能迅速地控制照射在引信接收窗口的光脈沖功率，且能高速檢測接收模塊輸出的信號幅度。雖然測量過程有點復雜但效果較好。使用這種檢測方法甚至可以靈敏地分辨出光脈沖照射到接收模塊光敏芯片的引線引起的閾值功率差異。

為了獲得光功率接收閾值，用于目標模擬的光脈沖信號源需經(jīng)過輸出功率定標。接收測量中該信號源輸出平行光從不同角度照射接收模塊窗口，最終可以得到光功率接收閾值隨視野與視場角變化的分布矩陣。

根據(jù)實測設備的技術需求，采用數(shù)字化處理的要求，一般使用設備能實測的位置是離散的，實測光功率數(shù)據(jù)也是離散的。所以，要想實測光功率接收閾值所在位置，這幾乎是不可能的。為了求出實測光功率接收閾值與所在位置，只能使用插值法。利用測量范圍內(nèi)已知的測量點的實測值，作出或猜測合適的函數(shù)，并在其他點上用這特定函數(shù)計算值，并作為光功率接收閾值的近似值。[12]因此，用插值法只能近似地求出實測光功率接收閾值與所在位置。如果實測的位置間距較小，并且數(shù)字化處理的位數(shù)較大，則誤差就不會太大。

2 引信作用距離計算

如果同時測量了一對收發(fā)組件處于實際彈體安裝位置的完整性能參數(shù)，就可以將兩幅視場的三分貝曲線重疊畫在一起比較它們是否重合。還可以得到收發(fā)視場視野角范圍、它們的幾何中心偏差角度、視野的傾斜偏差角，等等參數(shù)。通過這些參數(shù)，可以粗略地判斷引信收發(fā)組件的基本性能。然而要確定一套激光引信收發(fā)組件是否合格，還是應該知道收發(fā)組件作為一個整體它的實際作用距離。事實上我們可以根據(jù)已經(jīng)測試的收發(fā)視場數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算來推算作用距離曲線是否滿足設計要求。下面給出對于給定的目標參數(shù)，最大作用距離隨視野角分布的計算公式。

用CCD測出激光發(fā)射功率相對值按視野角(和視場角(分布的二維矩陣，以P表示，即:

P=[Pβj,αi]

(3)

其中:βj=[β0…βn]，αi=[α0…αm]。

矩陣元Pβ,α表示視場角為β，視野角為α處的相對激光功率。[β0…βn]為垂直方向視場掃描范圍，[β0…βm]為水平方向視野掃描范圍。令Psum為分布矩陣P各元素之和，即:

(4)

用光功率計測量出激光總發(fā)射功率為I0,則可得與分布矩陣P中每個測量數(shù)據(jù)對應的光功率分布矩陣I為：

(5)

即每個矩陣元素為：

(6)

由于被激光照射的目標散射回接收窗口時的光功率密度(即單位面積上的功率)與接收窗口至目標的距離平方成反比，且考慮到視場方向光斑較窄，可以近似地認為目標上每點與接收窗口的距離L(僅與視野角有關，定義一維矩陣:

(7)

其中：

(8)

為與接收窗口至目標間距離有關的散射衰減因子。由式(6)、(8)可以得到從視場角為( 視野角為(處，反射率為1的目標散射回接收窗口處的激光功率密度為：

(9)

接收測量中測得閾值光功率密度分布矩陣:

g=[gβ,α]

(10)

找出矩陣g所有元素中的最小值用gmin表示，計算出歸一化接收增益系Gβ,α=gmin/gβ,α，即:

G=[Gβ,α]

(11)

由式(9)、(11)每項分別相乘得到等效接收功率密度矩陣為AαIβ,αGβ,α。

考慮到收發(fā)視場都是線狀的，一旦照射到目標上可以認為目標充滿整個有效視場角范圍, 即β=β0…βn，計算反射光功率密度時可以將AαIβ,αGβ,α在視場方向βj=[β0…βn]范圍內(nèi)累加。

設目標水平寬度為W,反射率為R,目標位于距離探測窗口為L的弧面上?？紤]到目標尺寸不是很大，在目標寬度W上的不同視野角照射的光功率近似相等，在視野角(處目標被照射的視野寬度為360 W/(2πLα)，當視野測試步長為Δα時接收窗口處等效散射光功率密度為：

(12)

式中,Aα，Gβ,α以及R分別為導彈與目標距離引起的光衰減因子、入射方向接收靈敏度不同引起的等效衰減因子、以及反射率的等效衰減因子。這些因子與Iβ,α相乘得到的是每個發(fā)射功率矩陣單元值在接收窗口處貢獻的等效光功率密度。上式中后兩個括號的內(nèi)容是目標的視野寬度除以視野測試步長，也就是照亮目標的發(fā)射功率矩陣單元數(shù)。因此該式即為累加了全部目標散射光的接收窗口處等效散射光功率密度。顯然，當:

(13)

時引信剛好處于能夠接收到信號的最遠距離，用式(8)代入上述方程可得到收發(fā)組件最大作用距離Lmax隨視野角的分布為：

(14)

引信在整個視場中的可探測最小接收功率為：

Imin=gmin×S

(15)

式中，S為接收窗口面積，則最大作用距離可表示為：

(16)

由式(6)，可將上式改寫為：

(17)

式(17)即為收發(fā)組件的最大作用距離隨視野角變化的計算公式。如圖5所示，如果目標寬度W取50 cm，R取0.3，當激光器的發(fā)射總功率與接收器的最小探測功率之比I0/Imin有三種不同值時，某一收發(fā)組件的最大作用距離曲線。

圖5 收發(fā)組件的最大作用距離曲線

從式(17)和圖5中可以看出，激光發(fā)射功率和接收窗口的最小可探測接受功率閾值之比I0/Imin是影響作用距離大小的決定因素，它主要和組件的光電性能有關。而式(17)的收、發(fā)視場分布矩陣決定了最大探測距離隨視野角的分布形狀, 它主要反映了組件的光學性能。為此定義“收發(fā)視場匹配系數(shù)K”：

(18)

注意到式(18)中的每一項是某個角度的歸一化接收增益系數(shù)乘以該角度的歸一化激光功率分量。因而，如果在每個角度上接收增益系數(shù)均為最大值1，那么K有最大值1，說明散射回接收窗口的激光全部落在接收最靈敏的方向上。實際情況下如果散射回窗口的激光功率大部分落在接收增益比較大的方向上，可以期望K會有較大的值。圖(5)的測試樣品匹配系數(shù)計算結(jié)果：K=0.64, 表明回到接收窗口的散射光因部分落在接收增益小于1的區(qū)域而有0.36的分量被損耗，這0.36部分是改善光路和接收器件性能的可能空間。由于視野角增大時，接收窗口面積S在視野角方向的投影也會減小，理論上不可能達到增益處處為1。

一般來說，可以使用發(fā)射視場的三分貝區(qū)域是否全部落在收視場的三分貝區(qū)域內(nèi)來檢驗兩個視場的重合度，但匹配系數(shù)K值的大小除精確量化了重合程度外，對于收、發(fā)視場不均勻，激光發(fā)射分布范圍過大，或落在接收增益相對較小方向也是敏感的。根據(jù)所測各激光引信視場分布參數(shù)，利用式(15)可計算出引信對應不同反射率和面積的目標的實際作用距離分布。

3 實驗驗證

為了用實驗手段進行驗證，采用分點實際測試的方法，然后再匯總處理，與計算結(jié)果進行比較。如此則需耗大量的人力、物力與時間。為了節(jié)約時間，必須加大測量位置的間隔。

實驗環(huán)境選取室內(nèi)，為22 m×12 m的區(qū)域范圍。如圖6所示，在區(qū)域的原點O處放置某一型號的激光引信收發(fā)組件，模擬目標的模型放置在-40～40°范圍內(nèi)，每隔2°，進行測量距離原點O的作用距離。為了保證測量精度，每個位置測量10次，排除最大的2個數(shù)以及最小的2個數(shù)后，用剩余的6個數(shù)取平均值，采用這樣的處理方法來改善系統(tǒng)誤差。在每一次測量時，記錄實測儀器的位置角度及測量距離原點O的作用距離。

圖6 實驗環(huán)境示意圖

實驗使用的模擬目標的模型目標寬度W約為50 cm，反射率的等效衰減因子R約為0.3，某一型號的激光引信收發(fā)組件的收發(fā)視場匹配系數(shù)K為0.64。為了減少實際測試所用的力、物力與時間，采用計算收發(fā)組件的最大作用距離曲線時，激光器的發(fā)射總功率與接收器的最小探測功率之比I0/Imin的最大值與最小值。

測量激光器的發(fā)射總功率與接收器的最小探測功率之比I0/Imin=1×105與I0/Imin= 5×105值時的實際最大作用距離曲線(如圖7所示)。通過與圖5所示比較，可以看出圖形基本相同，數(shù)據(jù)相近。

圖7 收發(fā)組件的實測最大作用距離曲線

若誤差△=實際測量值-理論計算值，則最大作用距離曲線的誤差如圖8所示。如激光器的發(fā)射總功率與接收器的最小探測功率之比I0/Imin值大，其誤差也大。最大的誤差范圍在(-2.87，4.19)cm之間?？梢哉J為理論計算值基本與實際測量值相同。

圖8 最大作用距離的誤差

通過以上的實驗，可以發(fā)現(xiàn)：

1)利用自制成套設備分別測量引信收發(fā)視場數(shù)據(jù)，形成二維數(shù)據(jù)，通過計算能夠?qū)σ沤M件的品質(zhì)做出準確評估。

2)針對不同的目標，可以計算或測出目標寬度W、反射率的等效衰減因子等參數(shù)，這樣可以避免和減少實物測試的麻煩。

3)針對不同的激光引信收發(fā)組件，可以計算或測出收發(fā)視場匹配系數(shù)K。利用式(17)，可以增加測試距離的間距，減少測試次數(shù)，節(jié)約時間。

因此，利用本文計算的方法，激光引信收發(fā)視場只需進行一次測量，根據(jù)所得測試數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理，就能對引信組件的品質(zhì)做出準確的評估。

4 結(jié)論

利用本文計算方法可以在實驗室測試引信收發(fā)組件后，

快速計算出每套引信窗口的作用距離曲線，可以避免和減少實物測試的麻煩。文中給出的最大作用距離公式普遍適用于該類型的激光引信，公式計算結(jié)果和匹配系數(shù)K值可以作為引信的性能檢驗指標使用。