激光辐射及应用课件：机载激光装置原理

机载激光装置原理9.1激光测距9.2脉冲式激光测距系统9.3激光制导武器9.4激光雷达9.5微波光子技术与RoF技术习题

9.1激光测距

9.1.1激光测距的分类

随着激光测距的广泛应用和不断发展,测距系统的种类也愈来愈多。按测距原理区分,大体有如下三类。(1)脉冲测距法:测距精度大都为米量级,适于一般精度要求不高的场合使用。

(2)相位测距法:通过测量单色连续激光的调制波在待测距离上往返传播所发生的相位变化间接测量时间,达到距离测量的目的。这种方法测量精度高,通常在毫米量级,因而在大地、工程和体育测量中得到了广泛应用。

(3)干涉测距法:也是一种相位法测距,它与上述相位测距法的区别在于,它不是通过测量激光调制信号的相位来测定距离,而是通过测量激光光波本身的干涉条纹变化来测定距离。由于光波波长很短,再加上激光的单色性使其波长值很准确,所以距离分辨率可达半个激光波长,通常在微米量级。

9.1.2激光测距的基本原理

1.激光脉冲测距原理

脉冲激光雷达的测距与微波雷达测距在原理上是完全相同的:在测距点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲,激光脉冲发射到目标上后其中一小部分激光反射到测距点被接收器所接收。假定光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间间隔为t

,那么被测目标的距离R为

式中c为光速。

当不考虑大气中光速的微小变化时,测距精度主要是由测时精度决定的:

对脉冲测距系统,时间间隔的起始时刻是由取出一小部分发射激光脉冲经光电探测器转换成电信号形成的,时间间隔的终止时刻则是由目标激光回波到达测距机经光电探测器转换成电信号形成的。这两个信号既可由同一探测器提供,也可由两个探测器提供。

2.激光相位测距原理

激光相位测距时,连续激光光束被调幅成正弦波。假定调制频率为f,相应的角频率ω=2πf(rad/s)。若调制光束在发射点和目标间往返一次所产生的总相位变化为φ,则光的往返时间为

被测距离为

若以π弧度(rad)作φ的度量单位,φ总可表示为n个π和不到π小数部分Δφ之和:

φ=nπ+Δφ(9－5)

于是

由于现代光电子系统很容易做到0.3°的测相精度,故当调制频率为30MHz时,测距精度为

9.2脉冲式激光测距系统

9.2.1脉冲式激光测距系统的基本组成脉冲式激光测距系统的基本组成方框图如图9-1所示。脉冲式激光测距系统仅由三个基本部分组成,即激光发射装置、接收装置和信息处理装置。激光发射装置的任务是发射峰值功率高、光束发散角小的激光脉冲,使其经发射光学系统进一步准直后,射向目标。

接收装置是接收从被测目标反射回来的微弱脉冲信号,经接收光学系统聚焦或缩小光束截面后,照在光电探测器的光敏面上,使光信号变为电信号并经放大器放大,推动信息处理装置里的计数显示部分工作。至于信息处理装置,其主要作用是测量激光脉冲从测距仅到被测目标往返一次的时间t,并显示出准确的距离。

图9-1脉冲式激光测距系统的基本组成方框图

整个测距系统的工作原理描述如下(如图9-2所示):首先由激光器发射一个激光脉冲,经发射光学分系统准直后射向自标。同时,用主波取样头取出主波的一小部分作为参考脉冲送入接收光学系统,经光电探测器转换为电脉冲后再经放大器放大后开启门电路。经过t时间后,被目标反射回来的回波脉冲被接收光学系统接收,经光电探测器光电转换,放大器放大后成电信号进入门电路,使门电路关闭。参考脉冲和回波脉冲之间的时间间隔的计算及换算后的距离显示,由时标振荡器、门电路和计数显示器(脉冲计数器和距离显示器)来完成。

时标振荡器不断地产生具有一定时间间隔T0的电脉冲(称为时标脉冲)。当测距开始时,参考脉冲打开门电路,相当于对计数器“开了门”,此时时标脉冲就进入计数器开始进行计数。当回波脉冲到来时刻进入门电路后,就把门“关闭”,使时标脉冲停止进入计数器,这样从开门到关门,计数器中进入了N个脉冲。设参考脉冲和回波脉冲间的时间间隔(即激光往返时间)为t,则

代入式(9-1),就可算出被测距离为

实际上,设计脉冲式激光测距系统信息处理装置是这样选择时标振荡器周期T0的,就是使cT0/2恰好等于一个整数,例如为1m、5m或10m,这样,显示器上的数字就可直接用距离单位(m)来表示。激光测距计数原理示意图如图9-2所示。图9-2激光测距计数原理示意图

9.2.2激光发射部分

激光发射装置包括激光器、激光电源和发射光学系统三个部分。

1.激光器

激光器是脉冲测距系统的光源,从脉冲测距原理可知,我们所测的是单个脉冲往返测距系统与被测目标之间的时间间隔t,从而算出R。因此,必须使用单脉冲调Q激光器。从测量距离和测距精度考虑,各种类型激光测距系统对激光器的要求也不同,但对发射机基本特性的要求有共同之处。

1)激光振荡频率(或发射激光波长)

激光振荡频率是激光系统的基本参数。发射的激光在实战应用下,要求大气传输性能良好,传输损耗小。目前已被采用的激光发射波长主要是0.904μm、1.06μm、3.8μm、10.6μm等。

2)激光频率稳定度

激光频率稳定度是激光相干测距要求的重要参数。一般要求频率稳定度为10-9-~10-11,对脉冲测距此项可不提要求。

3)发射功率及稳定度

激光发射功率及稳定度是决定激光测距仪作用距离的重要参数。根据激光测距的不同用途,一般要求激光输出峰值功率为10~100mW,其相对稳定度为1%~5%。

4)激光振荡模式及脉宽

激光振荡模式有横模与纵模之分,其中又可分为单模与多模,常用的激光测距系统一般要求激光器为单横模振荡,在相干测距中要求更严格。激光脉冲的脉宽是脉冲式激光测距系统的一个重要参数,一般为十几毫弧度(mrad)。

5)激光发散角激光发散角一般为1~5mrad。激光器用于激光测距时必须与发射光学系统相匹配,其发散角应由测距系统的具体指标提出,可以是固定值,也可以是连续变化的。

Nd:YAG激光器的工作物质属于四能级系统,阈值低,效率较高。所以采用Nd:YAG激光器的测距系统,可降低对电源的要求。它有利于减小体积,减轻重量,并且因为它的波长是1.2068μm的近红外光,有较小的大气吸收与散射,所以应用较多。

2．激光电源

脉冲式激光测距仪电路一般可分为强电和弱电两部分,强电用于提供激光器泵浦灯(如氙灯)所需的功率,弱电一般又可分为高压与低压电光Q开关驱动等。对电源的要求是:保持输出一定的能量,在高重复率工作状态下能够稳定工作,如图9-3所示。目前,大、中功率的脉冲工作的激光电源大都采用开关式电源,它具有稳定性好、可靠性高、体积小、重量轻等特点。图9-3脉冲激光电源电路组成图

脉冲激光电源工作过程如下:220V、50Hz交流电输入整流,经软启动后在滤波电容上形成一个直流电压,同时输出交流电至水泵,水压保护触点闭合t时间以允许主电路工作。氙灯预点燃后,允许控制电路产生一个20~40kHz的振荡信号送至驱动电路,驱动功率开关元件VMOS管交替导通将直流电压变换成20~40kHz的中频交变电压,经中频变压器升压并整流后,给储能电容充电,当储能电容上的电压达到设定电压时,控制电路给出停振信号,并经延时后给出放电信号,储能电容上的能量通过氙灯转换成光能,泵浦到工作物质产生激光。

同时控制电路还相对泵浦灯放电信号延时100μs~200μs后产生高压窄脉冲送给激光器中的晶体KDP,使电光晶体迅速退掉高压,这时谐振腔阈值很低,激光迅速起振,输出激光巨脉冲。脉冲激光电源工作时序关系如图9-4所示。

图9-4脉冲激光电源工作时序图

3.发射光学系统

激光器发出的激光并不是绝对平行的,通常有几个毫弧度,如不加任何光学系统直接向空间发射,到达远处目标时光斑直径就很大。例如,发散角为3mrad,到达2km处的光斑直径为2×103×tan(3×10-3)≈2×103×3×10-3=6m。

如果加上一个光学系统,压缩发散角,就可以缩小目标处的光斑直径。而且,光学系统的放大倍率越大,光束的发散角越小,从而光斑直径越小,在反射面积一定的情况下,由于能量集中,单位面积上的能量密度就大,反射到接收光学系统的能量就强,测距系统的作用距离就远。

发散光学系统常用的是望远镜系统,主要是双反射型发射望远镜系统以及开普勒和伽利略望远镜系统,后面两种望远镜系统分别如图9-5(a)、(b)所示,图9-5(c)是折反式反射望远镜系统示意图。其中脉冲式激光测距仪最常用的发射系统是倒装伽利略望远镜系统。伽利略望远镜系统角放大率P>1,由于是倒装,其角放大率变为P<1,因而可压缩从激光器输出的光束发散角。由于是倒置使用,其出射光瞳大于其入射光瞳,可把激光器输出的光束截面扩大,即有扩束作用。同时,由于伽利略望远统系统里没有实焦点,不存在激光束使空气电离以至能量损耗的问题。图9-5激光发射光学系统

发散光学系统倍率的选取,要根据不同的使用情况而定。该倍率也就是光束发散角被压缩的倍率。如果仅从测距能力上考虑,倍率越大越好。但倍率大,外形尺寸也大,同时像差、衍射、加工精度和造价等都有一定限制;而且发射角太小,激光光束很难瞄准。所以,对一般的测距,发散角不小于1mrad,而高精度、超远程测距,光束发散角可为1mrad~0.1mrad。光学系统的目镜和物镜的选取,以让激光束全部通过为原则,即目镜通光口径略大于激光光束直径。

9.2.3激光接收部分

激光接收装置通常有接收光学系统、光电探测器、特殊光学元件、主波取样器和前置放大器等几个部分,如图9-6所示。图9-6激光测距接收系统组成图

1.接收光学系统

为了尽可能地将目标反射回来的激光能量会聚到探测器上,而且适当限制接收视场减小杂散光的干涉,提高接收机的灵敏度和信噪比,以提高测距系统的测距精度和作用距离,在接收装置前也要加上一个光学系统。

接收光学系统常用的是牛顿型望远镜系统、卡塞格伦望远镜系统、格里高里望远镜系统、折反射型望远镜系统以及开普勒和伽利略望远镜系统。

接收光学系统的选型主要取决于光电探测器的类型和整机对接收光学系统体积的限制。在以光电倍增管为光电探测元件的情形下,要求光照面积较大,照度均匀,并能有效地限制接收视场角,遮拦杂散光。出瞳直径应选择和光敏面积大致相同。放大倍率对接收光学系统没有实际意义,由于开普勒望远镜系统出射光为平行光,可均匀地照射整个光敏面,同时又可在物镜与目镜的共焦平面上放置视场光栏,用于限制接收视场和遮拦杂散光,因此中小型激光测距仪都普遍采用这种形式。对远程和超远程激光测距仪来说,由于接收光学系统物镜的口径和焦距都相当大,为了使系统结构紧凑,常采用牛顿式光学系统。

2.光电探测器

对激光测距仪而言,目标的激光回波都是十分微弱的,现在已经有了对0.5~30光谱区域的弱相干信号和非相干信号进行探测的敏感元件。因此,只受光子噪声限制的μ理m论探测极限已成为现实。目前,限制信号探测下限的不再是敏感元件,而是其工作的周围介质和使用条件。

从提高激光测距仪的性能方面看,提高对目标回波的接收灵敏度比提高射向目标的激光功率更有效,因为提高接收灵敏度不会增加测距机的体积、质量和功耗,而提高激光发射功率将使它们大大增加。激光测距机的小型化、微型化固然与激光技术的发展有关(比如低阈值技术、无功耗染料调Q技术),但起决定性作用的还是接收技术的迅速发展,它使系统的接收灵敏度提高了两个数量级。在测距系统中主要使用硅光电二极管、雪崩硅光电二极管等几种探测器。

3.特殊光学元件

在激光接收装置中还加有一些特殊的光学元件。加入这些光学元件,可以提高激光测距系统、激光雷达的性能,提高接收机的灵敏度,增大作用距离,提高瞄准跟踪精度,扩大增益范围,改善体积和设计的灵活性。

1)滤光片

在激光测距系统、激光跟踪测距雷达中,降低背景光噪声,提高接收机的信噪比是一个重要问题。

背景噪声主要是太阳光的散射和背景辐射。在激光测距中,利用激光信号单色性好的特点,可以在接收机的光学系统中加入滤光片以滤除激光工作波长以外的背景光。

滤光片的种类很多,有选择性吸收滤光片、选择性散射滤光片、选择性折射滤光片、偏振滤光片和窄带干涉滤光片等。实用的滤光片多采用基于多层膜反射干涉原理而工作的干涉滤光片。

2)衰减片

脉冲式激光测距系统在测不同远近的目标时,激光的回波能量也不同,激光能量若太强会烧毁探测器,所以需要在接收光学系统中利用衰减片来改变输入到探测器上的激光能量的大小。衰减片是在接收光学系统中实现光学自动增益的光学元件。它一般是用对某波长激光能量具有吸收性质的光学材料制成的,利用激光通过的光学介质材料的损耗来改变光学透过率;也有的衰减片是用在透明光学玻璃上镀不同厚度的膜层来实现的。

常用的衰减片有如下形式;

(1)叠层衰减片。衰减片由具有吸收特性的光学材料制成。叠层衰减片由具有相同厚度的多个平板衰减片组成。需要改变衰减量时,改变光路中衰减片的片数即可实现,如图9-7(a)所示。此种方法衰减量的选择是阶梯式的。图9-7衰减片

(2)双光楔式衰减片。图9-7(b)所示为双光楔式衰减片。利用具有对光吸收性质的材料做成光楔,两个光楔如图9-7(b)所示放置。当两个光楔移动时,则在光路中光楔的厚度发生变化,从而使光学透过率也发生变化,达到改变光学增益的目的。双光楔式衰减可以实现透过率连续变化。

(3)变密度盘。利用镀膜的方法,把所需要的吸收膜层镀在适用于激光工作波段的光学圆形平板玻璃上,靠镀膜控制使圆形平板玻璃不同的角度上具有不同的透过率,这种具有不同透过率的光学镀膜元件叫做变密度盘。实际工作中是利用一对性质完全相同、透过特性变化也相同的变密度盘,相对应地放在平行光路上。控制两密度盘的相对位置,可以实现连续改变光的透过率,从而达到双光楔衰减片实现光学增益变化的目的。图9-8所示为一对变密度盘衰减片示意图,箭头表示变密度盘的运转方向。图9-8中所示位置是透过率最大的位置。沿箭头方向转动,将使激光透过率越来越低。这种方法也是电影经纬仪中常用的改变光学增益的方法。图9-8变密度盘

4.主波取样器

主波取样器的作用是对发射出去的激光主波进行取样,并转变为电脉冲,用于驱动距离计数器开门。主波取样的方法有多种,常用的一种方法是用硅光电二极管探测从全反镜透射出来的一部分激光。全反射镜的透过率只有0.05%左右,但激光发射功率很大,如10mW,这时射到硅光电二极管光敏面上的激光功率仍达几十瓦以上,硅光二极管光敏面不能承受这样大的功率,因此,必须在其前面进行衰减,使主波取样器能够正常地输出信号,如图9-9所示。图9-9-主波取样器

5.前置放大器

前置放大器的作用是把光电探测器输出的回波信号幅度放大到足以驱动距离计数器,而信号前沿又基本不变。

对前置放大器的主要技术指标有如下要求:

(1)增益。从提高测距能力上看,增益越高越好。但由于接收系统对放大器带宽有较高的要求,同时对放大器本身的噪声也有一定限制,因此放大器增益也不同。在用光电倍增管作接收元件时,由于光电倍增管本身增益高,一般只要求具有几十至几百的增益就足够了。在使用硅光电二极管时,要求增益尽可能高,一般几千至几万倍。使用雪崩光电二极管时,要求增益为几百至几千倍。

(2)带宽。一般来说,前沿很陡的脉冲信号经前置放大之后,其前沿将变坏,变坏程度取决于放大器带宽。对激光接收系统来说,前置放大器的带宽应与光电探测器输出的脉冲信号前沿相匹配。例如,光电探测器输出的脉冲信号前沿τ1=10ns,整机要求前置放大输出信号前沿τ2≤15ns,那么从下式可算出整机对前置放大器响应时间τ的要求为

放大器响应时间τ与其带宽Δf有如下关系:

(3)输入阻抗和输出阻抗。输入阻抗应大于或等于光电探测器的负载电阻,输出阻抗应和计数器的输入阻抗相匹配。一般放大器输出阻抗与距离计数器输入阻抗都取50Ω,并用50Ω特定阻抗的电缆线连接。

(4)噪声电平。前置放大器输出端的噪声电平应小于距离计数器的触发门限电子(阈值电平),以免放大器本身噪声引起距离计数器误触发。在所有光电系统中,高性能的低噪声前置放大器不仅是决定系统性能的一个重要因素,更是系统稳定工作的前提保证。

9．3激光制导武器

9.3.1激光制导武器的导引方式导引方式亦称导引规律。在寻的器测得目标的失调角之后,以什么样的数学模型去减小这种误差,使之逐渐趋近于零;或者说,以何种数学规律调整弹丸的速度方向,使之与目标视线趋于一致。这里所说的数学规律就叫导引规律。已经实现的导引方式有比例式和继电式两种,目前绝大多数属于前者。

1.比例式导引

在激光制导武器被导向目标的过程中,由于运动,目标视线(位标器入瞳中心与目标的连线)会不断改变方向。同时,导弹也在不断调整自己的速度向量方向,力图使目标对应的失调角逐渐减小。若导弹速度向量转动的角速度ωM与目标视线转动的角速度ωT成比例,即ωM=kωT

(其中k为比例系数,叫导引常数),则这种导引方式就叫比例式导引。一般来说,导弹刚进入目标区接受制导控制时,其速度向量vM

的方向与目标视线方向夹角较大,导弹在接受导引的过程中,这个夹角被不断减小,最终使vM

与目标视线方向重合。

比例式导引能使导弹连续稳定地转向目标,弹道较平直,导弹承受的过载较小,因而能达到较高的制导精度,使圆概率误差小于1m。又因为它是以目标视线为基准,而目标视线的建立涵盖了目标和导弹相对于惯性坐标系的运动,故这种导引能对坦克类机动小目标做精确打击。因为这种导引系统需要设置感知ωM、ωT的传感器,所以就在一定程度上使结构变得较为复杂。图9-10所示为比例式导引原理。

图9-10比例式导引原理

设目标起初位于T1,并沿直线T1T7匀速运动;导弹寻的器在M1点开始锁定目标,此时目标视线为M1T1。由于弹和目标都在运动,在不同时刻有视线M2T2、M3T3、…,弹上传感器测量视线转动的速率并把结果送往弹上控制系统,使导弹速度向量转动速率与之成比例。这样,导弹会很快被调整到一个确定方向(如M5T5方向),此后目标视线不再转动(转动速率为零),直至击中目标。

2.继电式导引

继电式导引系实施恒力矩控制,即不论目标误差角是多大,都以同样的力矩进行控制。控制信号只呈现“有”或“无”两种状态,舵面要么偏到正向最大,要么偏至反向最大,导弹会在目标视线附近以来回摆动的形式接近目标,直至命中目标。这种制导不宜用于攻击机动的或小型目标,常只在摧毁桥梁、交通枢纽、工厂、仓库等静止的大面积目标时被采用。图9-11示出了以上两种导引方式对应航线的不同(这里假定目标静止)。图9-11激光比例式和继电式制导

9.3.2半主动式激光制导

以弹外专用编码激光束照射目标,而弹上激光寻的器利用从目标漫反射的激光,实现对弹的自动控制和对目标的跟踪,使弹飞向目标实施打击,这就是半主动式激光制导,如图9-12所示。这里的“弹”可能是导弹、炮弹或炸弹。由于携带目标信息的激光束是己方特意向目标发射的,故有“主动”的意义。同时,这种“主动”不是弹自身的行为,而是由另外的专用装置实施的,故冠以“半”字,以区别于“主动式”寻的方式。若照射目标的激光束系由弹上发射,使目标指示器与寻的器集成于弹内,就构成“主动式”寻的。

尽管报道过用弹上YAG激光器、CO2激光器、半导体激光器等照射目标的方案,但却未见形成实际装备的主动式激光制导武器。这一方面是因为这种方式本身的技术难度较高,也可能被红外被动成像制导所表现的明显优势所影响。

图9-12激光半主动制导

半主动式激光制导系统主要包括目标指示器、弹上寻的器、弹上控制单元、战斗部等几部分。关于激光目标指示器,前面已经讨论。需要强调的是,指示器应保持对目标实施稳定的照射,否则可能引起弹的脱靶。因此,手持式指示器一般只能用于静止目标。地面三角架式指示器除了要用稳固的支撑架之外,还需有方位、俯仰机构以实现对活动目标的跟踪和角位置测量。为减小跟踪过程中的震颤、跳动,要采用胶黏性阻尼器结构。机载、车载、舰载激光目标指示器还要采用陀螺等精密自动跟踪部件,以确保当载体运动和颠簸时,照明光束总能稳定地对准目标。

弹上寻的器系以球形整流罩封装于弹头前端,接收自目标反射的激光,感知弹运动方向与目标视线方向的偏差,并输出相应的误差信号。它包括激光接收系统、光电探测器和处理电路等。为便于探察目标和减小干扰,寻的器常有大、小两种视场。大视场(一般为几十度)用于搜索目标,小视场(一般为几度或更小)用于对目标跟踪。处理电路包括解码电路、误差信号处理和控制电路等。其中解码电路保证与激光目标指示器的激光编码相匹配。弹上控制单元包含控制舱和舵翼,前者将寻的器送来的误差信号转换为舵面动作的控制指令;后者借助其翼面的偏摆控制弹的运动方向。

舵翼有“鸭”式翼和尾翼两种,与气流相互作用产生力矩,并起稳定作用。战斗部装有弹药,执行爆炸任务。图9-13所示为这种制导武器的工作原理。

图9-13激光寻的制导

以导弹为例,讲述制导过程。瞄准目标后,目标指示器发射编码脉冲激光束照射目标,随即发射激光制导导弹;导弹在飞行中由其头部的寻的器接收来自目标的反射激光信号,经光电转换、解码、放大和运算,得到误差信号,驱动执行机构不断修正航向,直至击中目标。一般来说,较长的制导距离容易获得较高的制导精度,故总希望寻的器有尽量大的探测距离。假定大气中激光能量透过率为0.5,目标对工作激光的反射率为0.33,光学系统的总透过率为0.4,目标在2π立体角范围内能各向同性漫反射,则寻的器的最大探测距离RM可估计为

一般军事目标(战车、舰船、飞机、碉堡等)对照明激光束的反射率与观察方向有关,故通常存在一个以目标为顶点、以照明光束方向为对称轴的圆锥形角空域。激光制导的导弹必须投入此角域内,寻的器才能搜索到目标。此角域常被俗称为“光篮”。目标表面越光滑,则“光篮”开口越小,导弹被投入“光篮”越是困难,而探测距离越远,目标表面越粗糙,则情况正好相反。由于目前用于半主动式激光制导的目标指示器均采用波长为1.06μm的激光,故飞弹寻的器的光探测主要应用对1.06μm波长敏感的锂漂移硅光电二极管。

9.3.3驾束式激光制导

驾束式激光制导系统要有一个跟踪瞄准具和激光投射器,前者保持对目标的跟踪和瞄准,后者则不断向目标(或预测的前置点)发射经过调制编码的激光束。调制使光束在横截面内的强度分布成为点在该面上所处方位的函数。制导导弹沿瞄准线(瞄准镜入瞳中心与目标的连线)发射并被笼罩于编码激光束中,弹尾的激光接收机从上述调制光束感知弹相对于光束中心线的方位,经过弹上计算机解算和电信号处理,变成修正飞行方向的控制信号,使弹沿着瞄准线飞行。

因为瞄准线(与激光束的中心线重合)一直指向目标,故导弹总趋于沿瞄准线前进。一旦偏离,弹上便产生误差信号控制舵翼进行修正。目标运动时,只要瞄准具保持对目标的精确跟踪,调制激光束就“咬”住它不放,导弹就能击中目标。图9-14所示为驾束制导示意图。

图9-14激光驾束制导示意图

驾束制导系统包括跟踪瞄准具、激光束投射器、弹上激光接收机、导弹及其发射机构等部件。

1.跟踪瞄准具

跟踪瞄准具系指光学瞄准镜、微光夜视仪、热像仪等观瞄设备,其光轴就是全武器系统的基准线。为对付运动目标,它在方位、俯仰两个方向上具有转动功能。

2.激光束投射器

激光束投射器包括激光器、光束调制编码器及投射装置(含变焦光学系统)。

1)激光器

驾束式制导多采用半导体激光器,但由于半导体激光的波长在大气中的穿透力差,相比之下,CO2激光在这方面有明显的优势。故较远射程的驾束制导导弹多选用CO2激光器。试验研究表明,在使用致冷HgCdTe探测器时,不论是脉冲的还是连续的CO2(10.6μm波长)激光器,只需10W的平均功率即可达到6km的工作距离。但若使用非致冷的热释电探测器,要达到6km的工作距离就需100W的平均功率。

2)光束调制编码器

光束调制编码使光束横截面内的光场分布能提供导弹相对于光束中心线的方位信息,称为空间光调制编码。

一般激光驾束系统由瞄准跟踪部分、激光发射编码部分和弹上接收译码部分三大部分组成,如图9-15所示。图9-15激光驾束系统框图

各部分简述如下:

(1)瞄准跟踪部分。该部分主要包括瞄准光学系统、目标位置监控电路、伺服操纵系统、陀螺稳定跟踪系统、双反镜、跟踪反射镜等。

·瞄准光学系统:用于发现目标、瞄准目标及捕获目标。

·目标位置传感器:敏感目标的辐射或反射能量,并把它转换成所需的信号形式,如电信号,反映出目标在视场中的位置。

·陀螺稳定跟踪系统:稳定光轴,减少外界对瞄准线的影响,并使跟踪系统平稳跟踪。

(2)激光发射编码部分。该部分主要包括激光发射器、激光调制编码器、编码控制器、坐标变换器、变焦系统、光斑形成器、同步控制电路等。

·激光发射器:包括激光器、激励电源及控制电路,发射连续或脉冲激光束。

·光斑形成器:将激光器发出的激光光斑变成符合制导要求的形式,如圆光斑、条形光斑等。

·激光调制编码器:将发射的激光束在光轴的垂直平面内以光轴为坐标原点基线进行空间位置编码,使光束带有坐标位置的编码信息。

·坐标变换器:由于采用如图9-15所示的反射跟踪镜,需要进行相应的坐标变换才能最终确定目标方位。

·变焦系统:按照导弹运动的规律,即s=f(t),形成控制变焦光学系统的信号,通过改变激光发射的波束,使发射导弹时波束最大,导弹易进入波束;导弹飞行过程中,在导弹处维持波束截面恒定不变;导弹到达最远时,波束最小,以保证制导精度和接收机必要的信噪比。

·同步控制电路:保证激光发射器、调制编码部分及变焦系统的同步工作。

(3)弹上接收译码部分。该部分由弹上接收光学系统、光电检测器与放大器、译码与偏差信号形成电路等组成。

·弹上接收光学系统:主要功能是收集发射来的激光信号,并会聚到探侧器上;滤掉杂光干扰,如太阳光、发动机火烟等。

·光电检测器与放大器:将激光信号转换为电信号,并对微弱信号进行放大输出。

·译码与偏差信号形成电路:对编码信号译码,测出导弹偏离波束制导中心线的偏差,由此得出控制驾驶仪的信号。

从上述可以看出,激光驾束制导的关键部分是激光调制编码和弹上接收译码的技术问题。其中,二维同步空间偏振编码技术是一种比较好的编码技术,下面作一介绍。

二维同步空间偏振编码原理如图9-16所示,它由水平和垂直方向两个编码器、二维同步合成器和发散变焦系统组合而成发射编码系统。图9-16二维同步空间偏振编码示意图

导弹在飞行过程中判断其在激光束空间截面中的位置,必须同时有水平和垂直的二维方位信息,才能及时连续地修正其飞行姿态从而实现制导。两个相互垂直的编码器先对激光束分别进行水平和垂直方向的编码,然后通过二维同步合成器合成,再通过共同的变焦系统完成远场空间编码,形成二维制导光场。

编码器对激光束的偏振编码是通过按照特定形状设计的电光晶体(这里称为双普克耳斯光楔)实现的。这里以垂直方向为例,其原理如图9-17所示。图9-17垂直方向空间偏振编码示意图

沿光的传输轴上放置一个双普克耳斯光楔,并在其上加以脉冲电压,当垂直放置的双普克耳斯光楔在脉冲电压作用下对偏振方向平行于y轴入射的线偏振光进行偏振调制时,偏振光将分解成y'和x'相互垂直方向上的两线偏振光,并产生相位延迟,如图9-18(a)所示。图9-18激光束截面图

普克耳斯光楔在不同部位产生的相位差值不同,在双普克耳斯光楔的上半部分产生π/2相位差的正电压脉冲,下半部分产生负π/2相位差的负电压脉冲,从而上半部分产生不同椭圆偏振度的右旋偏振光,下半部分产生不同椭圆偏振度的左旋偏振光,中间因为两大小相等、方向相反的相位变化正好抵消,这样就在远场一维空间形成了不同形状的椭圆偏振信号,即

远场偏振分布如图9-18(b)所示。图9-19所示为二维同步空间偏振编码过程。图9-19-二维同步空间偏振编码过程示意图

3)投射装置

光束投射装置要保证所发射的激光束始终“罩”住导弹,同时要为弹上接收机提供足够的激光能流密度,还要使用尽可能低的激光功率。在导弹发射时,为了易于进入照射光束范围内,并保证飞行初段不致脱离光束,通常希望激光束有较大的发散角θ1。

综合考虑多种因素后,人们选定了使光束发散角随导弹的前进而逐渐变小的方案,以保证导弹在飞行过程中光束横截面积处处相同。这就需要光束投射器采用变焦光学系统,其焦距依导弹飞行速度而被程序控制。目前实用的投射器多采用连续变焦方式(也有人提出分档阶跃式变焦方案)。至于光束横截面直径的大小,应由使用情况确定。例如,反坦克的驾束制导导弹系统,其投射光束的横截面直径为几米(比如6m)大小。

3.弹上激光接收机

导弹尾部的激光接收机主要包括激光接收系统、探测器、解码器和信号处理器,其功能是不断接收由发射点送来的调制编码激光束,感知导弹相对于瞄准线的角方位,借以驾驭导弹。

9.3.4视线指令式激光制导

如果导弹发射点与目标之间具备通视条件,且以视线为准用光学方法传送制导指令,这就是光学视线指令制导。其中,以激光束作为制导指令信息载体的为视线指令式激光制导。

1.激光跟踪/指令制导

图9-20所示为一个反坦克导弹采用的CO2激光跟踪/指令系统框图。图中有制导站、导弹和目标三大部分。制导站内有光学瞄准具(其光轴为A)、连续CO2激光器及其调制器、CO2激光测距机、计算机、激光发射机与接收机、多种测量和控制电路等等。导弹由头部的引信、战斗部、弹内的控制器、信息处理器和弹尾的后向角反射器、激光接收机等部件组成。图9-20CO2激光跟踪/指令系统

光学瞄准镜瞄准目标,为全系统提供方向基准。调制后的光分成两路:一路由反射镜反射至目标上(图中B),接收机(光轴与瞄准镜光轴平行)接收由目标漫反射回来的激光回波C,将信号送往计算机,作为测量导弹角方位的比对信号;另一路被调制的激光束经压电反射镜反射后照到导弹上,弹尾的角反射器将其按入射方向反射成为回波光束E。E携载导弹角方位信息进入导弹角误差测量系统(此系统有聚焦透镜、四象限探测器和相应电路)。

该系统的一路输出与调制器控制信号同时送入导弹测距机(并把此距离信号送往计算机),而另一路则直接输入计算机解算导弹的角位置偏差。此偏差信号又分两支:一支送往控制电路,经由调制器对激光输出做位置调制,向导弹发送携带纠偏指令的脉冲激光序列;另一支送入伺服电路,控制电机驱使压电反射镜朝减小偏差角的方向偏转,以维持对导弹的精密跟踪。该系统中的调制器是声光调制器,它受制于控制电路,把连续激光输出变成包含有制导指令的脉冲序列。

2.视线指令与激光驾束复合制导

美国与瑞士联合研制的防空反坦克两用导弹系统ADATS采用激光视线指令与激光驾束两种制导方式串接,用以攻击低空飞行的固定翼飞机、无人飞行器、武装直升机和地面高价值作战平台,可保护机动部队和重要的军事设施。系统抗电子干扰能力强,反应快,射速高,机动性好,适于快速反应部队。整个武器系统还包括发射装置、搜索雷达、光电跟踪器、激光制导设备、火控计算机、操作台等。

其中光电跟踪器包含电视摄像机、红外跟踪器、长波前视红外仪、1.06μm波长Nd:YAG激光测距机,它能发现和跟踪15km内的空中目标,俯仰范围为-10°~+90°。其激光制导采用连续CO2激光器,产生一个时间调制制导波束和一个空间编码跟踪制导波束,分别实施激光视线指令与驾束式制导。

制导过程分两个阶段:在导弹发动机工作阶段采用视线指令制导,而在发动机关闭后则采用驾束制导。图9-21所示为ADATS制导原理和过程。在导弹发动机推动阶段,导弹在由地面计算机计算的预定路径上飞行。固连于万向架上的激光发射机受制于导弹红外跟踪器(用于确定导弹位置),不断向导弹发送时间调制波束,实施视线指令制导。导弹发动机关闭时,时间调制波束带来的指令将导弹引入空间编码激光波束,实施驾束制导。此后,导弹沿制导光束的中心线飞行,直至击中目标。

为保证在此过程中制导光束横截面直径处处相同,激光投射器采用了变焦光学系统。导弹的一相对弹翼上装有后视光学传感器(含滤光片、透镜、探测器和放大器),每个传感器的输出都送至组合器相加求和,和数信号经过解调等处理,得到制导信号。

图9-21ADATS制导原理和过程

9.4激光雷达

激光雷达(Lidar)利用激光光波完成各种探测任务。可以采用非相干的能量接收方式,这主要是以脉冲计数为基础的测距雷达。还可以采用相干接收方式通过后置信号处理技术实现探测。激光雷达和微波雷达并无本质区别,如图9-22所示。图9-22激光雷达与微波雷达的比较

9.4.1激光雷达接收技术

激光雷达接收机是用来转换接收孔径收集光电子的。设计这种系统时应当在两种熟知的探测技术中间进行选择。第一种比较复杂,称为外差探测,它是低频外差接收技术的直接引申,第二种比较简单,叫做能量探测,其探测判定仅仅取决于测得的能量。本节(9.4节)的任务是比较脉冲激光雷达的能量探测接收机和外差探测接收机的性能。尽管这里仅仅考虑单脉冲探测,但其结果可直接推广到脉冲系列情况下。此外,分析时忽略了大气闪烁的影响,因而这种结论只有对空间环境才是严格的,而激光雷达的许多重要应用正是处于这样一种环境之中。这些结果还可以应用于高度稳定的大气条件,或者应用于经过孔径平滑使湍流影响减至最小的情况下。

当雷达只用来测量目标距离时,在所允许的最大虚警概率条件下,需要比较作为接收目标反射能量的函数的探测概率。当雷达同时测量目标距离和速度时,比较内容包括:

①作为接收目标反射能量的函数的确切距离和速度元识别概率(仍以最大允许的虚警概率为条件);

②两种探测方式的距离分辨率和速度分辨率。

9.4.2激光雷达探测方式

图9-23是外差探测激光雷达的结构图。发射机包括低功率连续波信号源、脉冲激光放大器和发射光学设备。借助于二对分光器,将一部分连续波信号发送到接收机,用做本振信号。接收机前端由接收光学设备、滤光器(降低背景噪声)和光电探测器组成。本振信号和目标反射信号同时入射到光电探测器上。当出现目标反射信号时,探测器输出的光电流包含一个光电混频分量,其频率由目标径向运动产生的多普勒频移所决定。

本振频率可根据信号处理设备的要求偏移任何预期值,因此,差频由这种偏移和多普勒频移之和决定。然后,将该光电流加到接收机后端的处理电路和判定装置中。而这些装置的详细结构取决于激光雷达是单一测距还是同时测距和测速。

图9-23外差探测激光雷达结构图

图9-24是能量探测激光雷达的结构图。其发射机由脉冲式相干辐射光源及发射光学设备组成。接收机由能量收集光学设备、滤光器(降低背景干扰)、光学探测器、光电子处理电路和判定装置组成。在分析中,接收机后端的前半部分相当于一个光子计数器,其量子效率η≤1。这种结构只限于1μm以下的图9-24能量探测激光雷达结构图

应当说明的是,外差接收机的前端比能量探测接收机的相应部分复杂得多。这是因为探测器对本振提出了苛刻的要求,在这里,对加到探测器上的本振信号的稳定性和有关分光器和反射镜的准直要求是特别严格的。对于外差探测,其发射波形有一定选择余地,需要将一个与发射波形相匹配的滤波器装在探测器后边的电路中。图9-25是接收机后端方框图,它与低频端通常采用的电路非常相似。将探测器的输出送到一组滤波器中,而每个滤波器都与发射波形的不同多普勒频移相匹配(如果预知多普勒频移数值,则一个匹配滤波器就足够了)。

每个多普勒滤波器的输出都传送给阈值电路前面的包络探测器,然后任一阈值电路的触发,都意味着在相应距离单元出现了目标。由于讨论中仅仅对出现的距离信息感兴趣,所以没有涉及具体多普勒电路的触发问题。

图9-25接收机后端方框图

由此可以得出如下结论,即用光外差技术探测目标回波的统计问题,本质上与在低频端的相同。在这两种情况下,其问题都在于在相应的匹配滤波器的输出端从窄带高斯噪声中检测脉冲正弦包络(相位未知),式(9-16)只是非经典情况下的信噪比表达式。所以,只要适当考虑非经典信噪比这一点,经典雷达的性能曲线就可以直接应用于光外差情况。因此,激光雷达的等效信噪比(分贝)可表示为

在结束外差探测讨论之前,再来区分两类不同的雷达目标。一类目标主要是由一定的几何结构的光学平面(例如立体角)组成的,这里称为镜式目标。如果这种目标位于已知方向的一定距离上,则准确的回波信号能量W原则上是可以计算出来的。另一类是,如果认为目标是由许多独立的散射体构成的,那么这类目标就称为粗糙(或漫射)目标。例如,立体角阵列和任何漫反射表面都属于这类目标。

9.4.3激光雷达测距方程

激光雷达的工作原理与常规雷达大体相同。图9-26所示为典型单基地外差或相干探测的激光雷达组成框图。图9-26典型单基地外差或相干探测的激光雷达组成框图

1.测距方程通用公式

单基地和双基地激光雷达测距方程的通用公式为

式中,Ps为激光发射功率(W);K为光束分布函数;TA1为发射器到目标的大气透射率;ηt为发射器光学系统效率;φ为束宽或发散度(rad);R1为发射器到目标的距离(m);Г为目标激光截面(m);TA2为目标到接收器的大气透射率;R2为目标到接收器的距离(m);D为接收窗口径(m);ηr为接收器光学系统效率;Pr为接收功率(W)。

为便于比较,写出微波雷达的通用测距方程为

式中,Gt为发射器天线增益,Gt=16K/φ2。

2.测距方程特殊公式

对于在外大气层或大气衰减条件下定点测距的单基地激光雷达,R1=R2,故简化公式(9-18)得

若目标角宽在方位和仰角方向上大于发射器束宽,激光目标截面与照射面积成正比,即Г与φ2和R2成正比,光束分布约为均匀朗伯强度分布,则公式(9-18)又可以简化为

式中,ρ为朗伯目标的反射系数。

若单基地激光雷达在弱大气衰减条件下对目标测距,则其最大测程经式(9-18)变换,得

3.发射器特性

发射器特性与光束分布函数、束宽及瞄准误差等外部因素有关。

1)光束成形及光束分布函数

光束在激光腔内产生,其最低阶模(TEM00)为高斯模。若忽略瞄准误差而采用均匀光束分布来估算其性能和功率,则光束分布函数为

式中,ψ为瞄准误差;φ为束宽(发散度)。

2)束宽(发散度)

束宽是测量发射光束分布的角宽。其中常规雷达对束宽定义为1/2最大值上的全宽度(FWHM),它与光束分布无关。激光雷达束宽采用光学实验能接受而与常规雷达有差别的定义,如下所述。

3)发射器瞄准误差

瞄准误差主要针对空中小目标。例如,一高精度激光雷达对空中小目标测距,瞄准误差小则可测到其三维空间位置;稍增大瞄准误差,即使能精确测到径向距离,也会产生横向距离误差。

4.大气传输

激光雷达的性能通常受大气传输性能的限制。大气传输性能可以用比尔定律计算得

若大气衰减密度在全光路和光谱区内不变,则可将式(9-35)简化为

式中,a为大气衰减常数(m-1)。

(1)晴天大气中的分子吸收和散射。激光雷达大气传输性能之一就是晴天大气对激光产生效应,其中分子吸收和散射与波长相关且距离越长衰减越大。实验证明,从地面垂直向空中发射10.5916~10.5904μmCO2激光,平均传输效率为90%。波长接近或达到10.591μm时,大气衰减最大,传输效率只有60%;晴天大气对激光雷达发/收传输效应也不同,如发射器或目标都移动,多普勒频移将偏移发/收光路上的载波波长。实验证明,用10.速591μmCO2激光雷达跟踪测量6km/s飞行目标时,接收器很难探测到目标的距离和度。

(2)各种复杂天气的影响。各种复杂天气包括雾、雨、雪及战场环境等,主要与能见度有关,其中受雾的浓度和含水凝胶密度的影响最大,受雨滴和雪粒大小及雨速和雪速的影响次之。当雨滴和雪粒大于激光波长时,对0.63~10.6μm激光的大气传输不受影响,但其速度与大气衰减成正比。战场环境包括大气沙尘、灰尘及各种化学燃烧和发动机产生的烟雾,均与能见度有关。

5.激光目标截面

激光目标截面是与激光雷达球面方位或搜索角无关且沿接收光路返回与目标截面相等光强度的全反射球截面(LCS)。其计算公式为

式中,ρ为球面反射系数,z为球半径。

1)镜面反射目标

任何均方表面粗糙度小于激光波长的球面目标将产生镜面反射。镜面反射目标有立体角形反射体和反射板。其中,立体角形反射体的实例有空心玻璃角反射体和实心玻璃直棱锥体。因其投影面随入射角增大而减小,LCS与入射角余弦成正比并与照射波长有关。其LCS即Γ为

式中,l为立体角形反射体的棱长。

2)漫反射目标

目标面的均方粗糙度大于激光波长,反射信号均匀散射,幅度分布具有双向反射分布函数(BRDF)的特征。漫反射目标有以下几种:

(2)悬浮微粒和散射体。大气浮粒及雨、雪是激光雷达需抑制的杂乱回波的散射体。它们均具有后向散射特征,β与LCS即Γ的关系为

式中,β为大气后向散射系数(m-1·Sr-1);ΔR为激光雷达的距离分辨率。

3)高分辨目标截面

高分辨目标截面是脉冲激光分时照射目标截面的一小部分,接收器仅接收该部分反射信号并测距。很多“小部分”的测量结果就可构成“目标截面”。

6.接收器特性

1)接收窗口径

这里讨论的是外差式探测,其原理详见第7章“激光探测与测量”。外差探测的有效接收口径受照射目标截面斑纹波瓣的限制,接收功率随接收面积增大而线性增大。当接收口径大于斑纹波瓣的平均直径时,有效接收口径为

式中,Dr为接收窗通光孔径;ds为平均斑纹波瓣直径。

2)性能限制

外差激光雷达的探测能力受各部件性能、设计质量、光元件质量、灵敏度、探测器频响特性以及目标与接收光轴平行误差的限制。

3)视轴误差和滞后角效应

接收器与目标和接收光路与视轴间的任一差值统称接收器瞄准误差。外差接收器灵敏度降低是因偏离信号使外差效率下降引起的。由于往返时间和搜索速率均来自不同目标的接收信号,因此在单基地激光雷达发/收器之间应用与测距相关的视轴误差即滞后发射器一个角度瞄准,判断回波信号是否已到达接收光路上,如图9-27所示。图9-27滞后角效应

但滞后角与目标类型和大小无关且由激光雷达扫描器移动产生,目标移动而扫描器不移动不产生接收信号。计算公式为

式中,̇θ为角速度或扫描速率(rad/s);t为往返时间;<n>为传输媒质的平均折射率;c为光速;R为即时探测距离。

7.噪声中的信号探测

1)信噪比(SNR)接收器SNR是峰值信号功率与均方噪声功率之比。外差激光雷达的信噪比为

式中,ηHQ为外差量子效率;θ为光频率(Hz);h为普朗克常数(6.626196×10-34J·S);B为接收器有效带宽;f为脉冲重复频率;τ为脉冲宽度(s)。

2)信号探测

激光雷达探测回波信号存在的准则是电压阈值。信号和噪声超过阈值则可探测;信号等于或大于阈值的探测概率均小于1;而噪声超过阈值也会出现概率。因此,信号大于噪声的概率是探测概率,而噪声超过阈值的概率是虚警(概)率。探测概率、SNR和虚警(概)率之间的关系为

式(9-46)很难近似分析和计算,其近似简式为

式中,erf为补余误差函数。

在激光雷达设计和分析中,若10-12<Pfw<10-3以及SNR>2,其误差小于0.02,则式(9-46)和式(9-47)均能成立。其中,式(9-47)的分析和计算将更简单。

3)探测定律

激光雷达的SNR因受外部条件约束和技术限制,经多次测量后可以提高其系统性能。

(1)信号平均。提高探测概率的有效方法是经n次测量后取信号的平均值。若接收信号与测量相关而与噪声不相关,则SNR提高,探测概率增大,误差减小。若信号与测量全相关而与噪声不相关,则从n次无关的测量中得到的净SNR为

式中,SNRnee为净SNR;n为与测量无关的次数;SNR为单次测量得到的信噪比。

(2)n次中的m次探测。从n次测量中取m次就可以达到不增大SNR而提高探测概率的目的,其中m是有效测量次数,n是试验次数。若m次测量以前能决定n次试验次数,激光雷达即可转到下一个目标测量。此方法可提高系统的探测概率,但不能减少随距离而变化的误差。

4)接收器带宽

接收器带宽对全系统SNR的影响很大。带宽太宽会进入过剩噪声;反之,部分有用信号受抑制。抑制的信号或过剩的噪声均会降低SNR。因此,激光雷达接收器带宽要兼顾系统SNR。

5)外差效率

外差量子效率是测量接收器最佳响应曲线与实际外差响应曲线的下降速率,它与探测器的逐点响应度、信号和本振场分布以及信号与本振场间的相前失调有关。圆形对称探测器的外差量子效率与本振场和接收信号的关系为

外差效率是影响量子效率的一个分量,只与信号、本振场分布及其调校有关。因此,常用模拟计算和性能预测并取探测器光敏面上量子效率的平均值计算。经调整量子效率等于1后,外差效率的计算公式为

若探测器量子效率在整个探测面上保持不变,则外差量子效率为

实际激光雷达性能与混频效率和量子效率都有关。若探测面上量子效率变化,外差接收器响应曲线是混频效率和量子效率的非线性函数,被测值和预测值之差可视为外差效率和外差量子效率的混淆及测量方法的不同。外差效率也与接收信号、探测器和本振器的调校有关。特别是激光雷达跟踪的目标图像在探测初始段不一定聚焦于探测器上,经调校方能捕捉目标。

9.4.4激光雷达目标成像

关于红外系统的基本扫描系统分类可用公式表示出来,后来又将其推广到激光雷达系统,而且在许多情况下都采用相同的接收机。事实上,已通过三角测量法用红外接收机获得了目标距离。

扫描大体上可分为简单系统、扫描成像系统、调制盘系统和镶嵌式系统等几类。简单系统定义为采用单个固定探测器系统,可以将其看做镶嵌系统的一种最简化情况,因为镶嵌系统是一种探测器阵列。调制盘系统指的是通过焦平面上的编码器(调制盘)将视场分解并得到有用信息。引申一步,扫描调制盘、扫描镶嵌、调制盘镶嵌和扫描—调制盘—镶嵌都可以看做是组合式扫描系统。

在扫描成像系统中,衍射极限波束扩展角θd可以写作:

式中,a是孔径成形因子(1<a<3),λ是辐射波长;D是扫描方向上有效扫描孔径的直径,基本上等于θd平面内的有效孔径尺寸。如果由D发出的波束扫过一个总角度θ,则这个角度范围内可分辨的衍射极限光斑数为

即每线(扫描)中的单元数。因此,按步序进行线扫描便在帧时间内形成了线图像。将线性阵列扫描单元移过一定数目的角度,就可以扫描形成相应行数扫描线的整个画面,然后这些像元按顺序组合起来便形成了图像。在每种情况下都会在帧时间周期内得到整个视场中扫描单元的二维像面。

图9-28示出了为探测和识别汽车所提出的线对图像要求。

一般情况下,每个图像单元被称为一个像素,这是由画面单元术语借用来的。有些作者还应用了更直观的术语“颗粒”来描述画面单元。数字化图像由N×N个颗粒阵列组成,每个量化幅度对应于2K个幅度电平中的一个,可以通过N2K个比特代码对其进行编码,这些代码便规定出单一帧面中N2个颗粒的灰度。如果帧率是已知的,而且可以计算出必需的带宽,那么就能够确定以bit/s表示的总信息率。

由于在视场范围可以通过控制方法引导激光雷达波束,所以它能够像扫描雷达那样实现扫描激光雷达。波束在每个角单元的停留时间必须足够长,以便接收足够的信号,完成探测和跟踪信号处理。

在脉冲激光雷达中,由最大无模糊距离决定最小无模糊脉冲周期T,从而确定最大脉冲重复频率:

式中,RMAX是最大作用距离;c是光速。脉冲重复频率fr等于周期的倒数。

波束扫描速率和视场角决定了扫描视场所需要的时间Tf,当使用光栅扫描时,扫过一条线的时间为

式中,ti为扫过一条线的时间;θFOV为含有扫描线的平面内的扫描角;dθIFOV为波束旋转的角速度。

如果图像扫描面包含N条线就能满足分辨率要求,则忽略复原时间后的总帧时间为

处理M个脉冲时,距离、扫描线、扫描视场和束宽之间的关系为

其他调制波形需要进行数据采样,而采样也以类似方式影响扫描参数。对激光波束扫描的限制归结到激光雷达的设计方案上有两个方面,其一是照射较大立体角,其二是用凝视或自扫描成像传感器来接收和处理反射信号。这种技术本质上适合于数字信号处理,这种扫描能够提供几何精度和寻址的适应性,而应用机械或电子扫描方法是不可能做到的。

9.4.5逆合成孔径成像激光雷达

成像雷达的方位向分辨率受到系统孔径的限制,要实现远距离高分辨成像需要很大的系统孔径,这在实际应用中会受到很多条件的限制。合成孔径技术利用雷达与目标的相对运动,通过对不同位置上接收到的信号的积累,经过信号处理后等效为一个很大的合成孔径天线,有效解决了这一问题。逆合成孔径雷达(InverseSyntheticApertureRadar,ISAR)就是基于合成孔径技术的一种高分辨成像雷达,它主要用于针对运动目标成像。

但是,在对微小目标、远距离目标进行成像或者提取目标运动过程中一些精细的微动特性时,微波波段的逆合成孔径雷达已不能提供足够的距离分辨率,需要更大带宽的发射信号以解决这一问题。与微波信号相比,激光信号具有更大的带宽和更短的波长,因此,本节将逆合成孔径信号处理技术与极大带宽的相干激光雷达相结合,研究了一种新体制的成像雷达——逆合成孔径成像激光雷达(InverseSyntheticApertureImagingLidar,ISAIL)。

光学波段的合成孔径技术的研究始于20世纪70年代,近年来更是引起了广泛关注,2006年2月,美国国防高级研究计划局(DARPA)已经成功得到了第一组机载合成孔径激光雷达图像数据。但是,这些研究主要是针对固定目标或地面场景的合成孔径成像,而逆合成孔径成像要求的是对运动目标的实时成像。因此,本节分析ISAIL对运动目标超高分辨实时成像的原理,并针对激光信号和运动目标的特点,研究雷达系统的初步设计方案。

1.逆合成孔径成像激光雷达高分辨原理分析

合成孔径技术是在雷达实际孔径的基础上,利用雷达与目标的相对运动,把尺寸较小的真实天线孔径通过数据处理的方法合成为一较大的等效天线孔径。ISAIL正是利用这一原理,突破了实际孔径对方位向分辨率的限制,通过合成孔径原理来实现高分辨率。

1)距离向高分辨原理

脉冲雷达的距离向分辨率可以表示为

式中,c为光在真空中的传播速度;B为信号带宽。

2)方位向高分辨原理完成对运动目标的平动补偿后,ISAIL可近似为转台目标,其方位向分辨率为

式中,λ为信号的波长;Δθ表示雷达与目标的相对转角。可见,在波长一定的情况下,目标的累积转角越大,即等效天线孔径越大,横向距离分辨率越高,这就是逆合成孔径技术提高方位向分辨率的主要原理。与微波信号相比,ISAIL采用的激光信号具有极短的波长,因此,在实现相同的方位分辨率时,它所需要的成像转角极小,时间极短,十分适合于对运动目标的高分辨实时成像。

2.发射系统

在系统设计过程中,发射光源至关重要,它直接影响了天线的增益、探测器件的选择等参量。为提高对目标的探测能力,ISAIL系统应尽可能提供大的发射功率、大的天线增益和尺寸、较高的接收机灵敏度,并具有跟踪空中快速飞行目标的能力。设计的发射系统基本结构如图9-29所示,主要由控制装置、激光二极管(LD)、制冷与温控系统、光学耦合系统、增益介质Nd:YAG晶体、输出耦合镜及扩束器组成。图9-29-发射系统的基本结构

LD泵浦全固体激光器输出信号峰值功率可以达到几百兆瓦,能够满足雷达探测距离的要求。而且,与传统的闪光灯泵浦固体激光器相比,它的体积更小,但寿命更长,总体转换效率也提高了5~10倍,因此十分适合于ISAIL的使用。ISAIL可以发射多种波形的信号,包括窄脉冲串激光信号、线性调频连续激光信号、高重复频率的线性调频脉冲激光信号等等。系统中引入了电光调制系统,通过让雷达发射高重复频率的线性调频脉冲激光信号来完成对目标的探测与成像。

3.接收系统

ISAIL一般用于探测远距离目标,其光频段的相位信息难以通过直接探测获取,回波信号很微弱而且混在干扰噪声中不易分辨。因此,采用光外差相干探测的方法对信号进行探测。光外差相干探测是利用两个相干光场在探测器光敏面上的交叠相干性和探测器的平方律响应特性来实现光混频的,其差频部分保留了被探测光场的相位信息。

基于光外差探测的接收系统主要由光学接收天线(望远镜)、光电探测器、A/D转换器、显示及控制器等构成。接收天线要有较高的接收增益和较低的光学损耗,接收视场要满足探测空间和搜索空域的要求,所以选择孔径较大的反射式卡塞格伦望远镜以提高增益、降低天线的制造难度、提高天线的可靠性及减轻重量。而由于采用了光电外差探测,所以需要选择高灵敏度、高光电转换效率、高增益及低噪声系数的探测器,因此,可以考虑选择硅雪崩光电二极管(Si－APD)作为接收信号的探测器。接收系统的基本结构如图9-30所示。图9-30接收系统的基本结构

4.成像原理

ISAIL通过发射大带宽的线性调频激光信号对目标进行探测。假设发射信号的脉宽为TP,脉冲重复间隔为tPRI,脉冲重复频率为fPRF,调频斜率为Kr,理论距离分辨率为ΔR,理论方位分辨率为Δa,则发射信号可以表示为

尽管ISAIL有许多优点,但是由于选择了激光信号作为辐射源,其还需要解决许多微波雷达中不曾遇到的新问题,比如信号在传输过程中容易受到大气湍流的影响,在探测远距离目标时回波信号微弱,相干探测时对光源和空间条件要求较高等等问题。

9.4.6光学相控阵雷达系统

光学相控阵雷达简称OPAR(OpticalPhasedArrayRadar)。雷达波束指向控制是实现目标搜索、捕获、跟踪、瞄准和成像的重要技术环节。传统的机电伺服控制(机械扫描)方法导致雷达结构笨重,反应速度慢。基于微波相控阵(MWPhasedArray)技术的相控阵雷达借助有源相控阵天线实现了微波雷达波束的无惯性电扫描,堪称雷达体制的重大突破。然而,由于微波相控阵雷达需要采用由大量的发射/接收模块组成的有源相控阵天线,使其结构复杂、规模庞大、功耗大、成本高,一定程度上限制了它的应用。

激光雷达因其极高的频域、空域和时域分辨率而在目标探测、跟踪、瞄准和成像识别方面得到了越来越广泛的应用。与微波雷达一样,激光雷达也存在发射光束的指向控制问题,为此人们研究和设计了多种光束偏转方法。一种是机械偏转法,即用两路伺服控制系统控制雷达支架或反射镜作方位—俯仰二维运动。这种方法技术比较成熟,但响应速度和控制精度很难满足高性能激光雷达的要求。

另一种是声光和电光偏转法,即利用声光和电光偏转效应使光束偏转,这种方法虽然不需要机械运动,但其偏转角度通常只有几个毫弧度,因而只局限于小角度、小口径光束偏转的系统中应用。第三种方法是光学相控阵(Op-ticalPhasedArray,OPA)法。光学相控阵技术是源于微波相控阵但又不同于微波相控阵的一种新的光束指向控制技术。其光束指向控制的基本原理是,通过调节从各个相控单元(光学移相器)辐射出的光波之间的相位关系,使其在设定方向上彼此同相,产生相互加强的干涉,干涉的结果是在该方向上产生一束高强度光束,而在其他方向上从各相控单元射出的光波都不满足彼此同相的条件,干涉的结果彼此抵消,因此,辐射强度接近于零。

组成相控阵的各相控单元在计算机的控制下,可使一束或多束高强度光束指向按设计程序实现随机空域扫描,光学相控阵无需机械运动而实现光束扫描,扫描速度快、灵活,指向精度和空间分辨率可以做得很高,易于实现小型化和多功能化,因此在军用和民用光束扫描方面具有广阔的应用前景。

9.5微波光子技术与RoF技术从这一开创性概念的产生到相关实验的开展,微波光子学获得了巨大的发展,推动了大量技术甚至很多商业应用的进步。以下研究显示微波光子领域的基本研究对象:①超快光子器件,如光调制器、光探测器、光混频器以及光收发模块;②微波光子的集成技术和封装技术;③微波信号的光处理技术;④宽带的和模拟的高速光互连技术;⑤微波光子系统,如光无线通信系统—蜂窝移动通信系统、场传感应用以及光控相控阵天线系统;⑥RoF(Radio-over-Fiber)技术等。下面就RoF技术进行简单介绍。

9.5.1RoF技术

RoF技术及其系统使用模拟光纤链路来传输微波/毫米波信号,系统涉及用微波调制光波、通过光纤传输已调光波、把微波从光波上解调下来、用光波方法产生微波载波等一系列变换。

RoF系统要解决的关键问题之一是如何用简单、低成本的方法产生高性能的毫米波。近年来,RoF系统产生毫米波的研究已有不少报道,提出了多种技术方案,比较有价值的方案大致有三种:直接调制技术、变频调制技术和光外差技术。以通信为例,直接调制技术是在中心站产生毫米波,光外差技术是在基站产生毫米波,变频调制技术可以在中心站也可以在基站产生毫米波。从调制器件来分,有马赫曾德尔(MZ)干涉仪调制技术和电吸收(EA)调制技术。

1.直接调制技术

直接调制技术是毫米波最简单、最直接的产生方式。首先在电域里生成毫米波,然后在中心站用基带信号对毫米波进行直接或间接调制,再将已调的毫米波对光波进行调制,如图9-31所示。对基带信号而言,这里涉及两个载波,通常将光波称为载波,毫米波称为副载波。光波调制又分为内调制和外调制。图9-31毫米波直接调制激光器

(1)光波内调制就是用毫米波直接调制激光器的驱动电流,实现光强调制;光信号通过光纤传到基站后,用光电探测器解调出毫米波,再通过天线发射。光波直接调制简单、容易实现,但是该方法目前只适于10GHz以下的通信系统。因为如果调制频率太高,半导体激光器会产生频率啁啾,使输出光谱展宽,从而降低信号的传输速率和距离;当调制频率接近激光器的弛豫振荡频率时,强度调制将产生明显的非线性,从而限制了调制带宽和调制速率。

(2)光波外调制就是用外部调制器将毫米波间接调制到光波上,如图9-32所示。外部(电光)调制器常用M－Z调制器,通过调节M－Z调制器两臂的偏置电压和毫米波的相位可以得到不同的频谱结构,如双边带(DSB)、单边带(SSB)、光载波抑制(OCS)。在这三种频谱结构中,光载波抑制调制得到的信号在光纤中传输色散最小。为了进一步减小色散,用滤波器将光载波抑制调制技术得到的两个边带进行分离,基带信号只调制到其中一个边带光波上。外调制技术的优点是结构简单,可以通过调节调制信号的频率来方便地获得所需频率的毫米波;缺点是调制效率低,产生的双边带信号频带较宽,在光纤传输中色散较大。

不管是光波内调制还是光波外调制,直接调制技术都需要高速调制器和微波或毫米波源。由于电子器件速度的限制,在电域里产生和处理高频微波或毫米波成本高,甚至无法实现。高速电光调制器很昂贵,高于60GHz的电光调制器目前还没有商用。因此,直接调制技术只能在低频RoF系统中使用。

2.变频调制技术

变频调制技术就是在中心站用中频信号作为副载波,先将基