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工程设计中,激光引信通用的回波功率计算公式(小视场)如下:
$${P_r} = \frac{{{P_t}{\tau _1}{\tau _2}\rho {A_r}}}{{\pi {R^2}}} $$ (1) 式中:
${{P_t}}$ 为出口光功率;${{\tau _1}}$ 为发射光学系统效率;${{\tau _2}}$ 为接收光学系统效率;$\rho $ 为目标反射系数;${{A_r}}$ 为接收系统有效通光口径;$R$ 为距离。从式中可以看出,实体目标对激光脉冲的响应情况与光学系统参数、反射系数等参数有关,与脉冲宽度无关。所以从理论上分析,在接收带宽足够的情况下,实体目标对不同宽度激光脉冲的响应情况是一致的。
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激光引信的后向散射特性可以借助于云雾的脉冲和传递特性来进行研究。对于后向散射的计算,可以利用云雾的已知光学特性如散射系数、散射指标来进行定量估算。研究云雾对脉冲激光的后向散射特性首先需要求解云雾的脉冲特性,利用它来估算后向散射的形式和参数[7-12]。
脉冲激光器辐射的光子首先被散射到跨度为
$H$ ~$H + \Delta H$ 的一层介质中,且散射后其传输轨迹处于接收视场角${\varOmega _\Pi }$ 中,最后到达接收机,需要满足以下要求:(1)光子散射,通过从0~
$H$ 的距离;(2)光子在从
$H$ ~$H + \Delta H$ 的间隔内散射;(3)多次反射的光子的轨迹处于接收视场角的内部;
(4)多次反射的光子到达接收机。
这些事件发生的概率分别为:
$$ \begin{split} & p(1) = {e^{ - {\sigma _s}H}} \\ & p(2) = \frac{{S(H)}}{{{H^2}{\varOmega _\Pi }^2}}{\sigma _s}\Delta H \\ & p(3) = f(\theta )\frac{{{S_{BX}}}}{{{H^2}}} \\ & p(4) = {e^{ - {\sigma _s}}} \end{split} $$ (2) 式中:
${\sigma _s}$ 为散射系数;$S(H)$ 为接收物镜的覆盖面积;${\varOmega _\Pi }$ 为接收视场角;$f(\theta )$ 为散射指标;${S_{BX}}$ 为接收机入射孔径面积。由于可以认为事件1、2、3、4为独立事件,于是光子后向散射到达接收机的概率可表达为:
$$ \begin{split} p =\; & p(1)p(2)p(3)p(4) = \\ & {\sigma _s}\frac{{{S_{BX}}}}{{{H^2}}}f(\theta )\frac{{S(H)}}{{{H^2}{\varOmega _\Pi }^2}}{e^{ - {\sigma _s}\Delta H}}\Delta H \end{split} $$ (3) 当发射脉冲宽度为
${\tau _n}$ 时,在光脉冲的持续时间${\tau _n}$ 内发射的光子数为:$$ \mathop n\limits^ - = \frac{{{P_0}{\tau _n}}}{{hv}} $$ (4) 在这种情况下,云雾的脉冲特性可表示为:
$$ {h_\Pi} = {S_{BX}}f(\theta ){\sigma _s}\frac{{S(H)}}{{4\pi {H^2}\varOmega _\Pi ^2}}{e^{ - {\sigma_s}H}} $$ (5) 根据其脉冲特性,反映到接收机输入端上的干扰光学信号的包络可以表示为如下形式:
$$ {P_\Pi }(H) = \int_0^H {{h_\Pi }(R)} {P_{N}}(H - R)\rm{d}R $$ (6) 式中:
${P_{N}}$ 为接收物镜输入端上后向散射信号的功率大小;${P_\Pi }(H)$ 为决定辐射强度包络的函数。激光引信的发射脉冲通常可表示为指数形式的脉冲,其辐射功率可表示为:
$$ {{P}_{{N}}}(t)={{P}_{0}}{{e}^{{}^{t}\!\!\diagup\!\!{}_{{{\tau }_{n}}}\;}} $$ (7) 综合上文的推导,对于指数形式的脉冲其接收机输入端上的干扰光学信号的包络可表示为:
$$ {P_\Pi }(H) = {P_0}{S_{BX}}f(\theta ){\sigma _s}\int\nolimits_{{H_0}}^H {\frac{{{S_H}(R)}}{{{R^2}}}} {{\rm{e}}^{ - 2{\sigma _s}(R - {H^*}) - {k_m}(H - R)}}{\rm{d}}R $$ (8) 式中:
${H^*}$ 为到云雾边缘的距离;${k_m}$ 为一个与脉冲宽度有关的常数,表示为:$$ {k_m} = \frac{2}{{C{\tau _n}}} $$ (9) 由以上公式可以看出,云雾对脉冲激光的后向散射是一个与
${k_m}$ 有关的函数,而${k_m}$ 是一个与脉冲宽度有关的常数。由此可知,接收机接收到的云雾后向散射功率与脉冲宽度有关。根据以上公式仿真计算在一定参数条件下云雾后向散射功率与脉冲宽度的关系。图1为不同脉冲宽度下回波功率与云雾特性关系,仿真了在不同云雾特性下脉冲宽度分别为100 ns、50 ns、20 ns和10 ns条件下回波功率的变化曲线。从图中可以看出,不同脉冲宽度下回波功率随云雾特性的变化趋势基本相同,但是不同脉冲宽度条件下的回波功率有明显区别。图2为不同云雾特性下回波功率与脉冲宽度的关系,从图中可以看出,在不同云雾特性下,脉冲宽度越小,回波功率越小,100 ns脉冲的回波功率与10 ns脉冲的回波功率有明显区别。云雾后向散射的回波功率随着脉冲宽度的增加而明显增加。
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激光引信抗云雾干扰的难点在于当云雾浓度较大时,云雾所产生的干扰回波与目标回波在特征上非常相似,激光引信很难区分接收的回波来自于云雾还是真实的目标。为了提高激光引信对目标和云雾的区分能力,可以改变引信系统的某些参数,然后对云雾干扰和被测目标的反应进行分析,当系统参数发生变化时,要保证在反射信号中干扰信号的特征剧烈变化,而目标信号的特征变化最小,借此来识别出目标和干扰。
根据上节的理论分析,目标反射的回波功率与发射脉冲宽度无关,即使用不同宽度的发射脉冲对目标进行探测,宽脉冲与窄脉冲的回波功率相当。而云雾后向散射功率与脉冲宽度密切相关,脉冲越窄回波功率越小,此时使用宽脉冲和窄脉冲依次探测时,两者的回波功率比值明显。使用宽度调制的方法发射一组不同宽度的脉冲串,利用不同宽度间的回波功率比值来判定回波来自于云雾还是来自于目标。
图3为不同云雾特性条件下使用宽度为100 ns的发射脉冲产生的后向散射功率分别与50 ns、20 ns以及10 ns宽度的发射脉冲产生的后向散射功率的比值。从图中可以看出,脉冲宽度为100 ns和50 ns时,云雾后向散射功率比不大,即脉冲宽度从100 ns减小到50 ns,云雾散射回波功率的减小并不明显。当脉冲宽度为100 ns和20 ns时,其后向散射功率比大于2,此时可以认为脉冲宽度为20 ns时,云雾产生的干扰相比于100 ns时减小了一半以上。当发射脉冲宽度减小到10 ns时,此时100 ns和10 ns所产生的云雾干扰功率有非常明显的区别,其功率比大于5,并且随着云雾浓度的增加,其功率比有继续增大的趋势。
在参数一定的情况下,计算不同脉冲宽度的回波功率比值。
$$ \begin{split} & \frac{{P({\tau _n} = 100\;{\rm{ ns}})}}{{P({\tau _n} = 50\;{\rm{ ns}})}} = 1.21 \\ & \frac{{P({\tau _n} = 100\;{\rm{ ns}})}}{{P({\tau _n} = 20\;{\rm{ ns}})}} = 2.12 \\ & \frac{{P({\tau _n} = 100\;{\rm{ ns}})}}{{P({\tau _n} = 10\;{\rm{ ns}})}} = 5.01 \end{split} $$ (10) 由以上计算结果可以看出,回波功率随着脉冲宽度的减小而减小,但是,对于脉冲宽度较宽时,功率的减小幅度并不明显,100 ns脉冲宽度与50 ns脉冲宽度回波功率的比值仅为1.21。但是当脉冲宽度进一步减小时,回波功率急剧减小,100 ns脉冲宽度与10 ns脉冲宽度回波功率的比值达到了5.01。
在接收系统带宽足够的情况下,归一化探测能力之后,理论上100 ns和10 ns 的回波功率比为1,而云雾干扰回波在100 ns和10 ns时回波功率的比值达到了5.01,通过调制激光器发射形式,使用50~100 ns的宽激光脉冲和5~10 ns的窄激光脉冲组成序列脉冲串进行探测,利用两者之间的功率比可以有效区分出目标和云雾。
Laser fuze anti-interference method based on pulse width modulation technique
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摘要: 针对激光引信易受云烟雾干扰的问题,提出了一种基于脉冲宽度调制技术的激光引信抗干扰方法。计算了不同脉冲宽度条件下的云烟雾后向散射回波功率,并给出了云烟雾后向散射回波功率随发射脉冲宽度的变化规律。分析了不同云烟雾条件下使用不同发射脉冲宽度探测时所得到的回波功率比。实验结果表明,在使用不同脉冲宽度激光探测条件下,云烟雾激光后向散射功率比大于3,使用该方法可有效提升激光引信抗干扰性能。Abstract: In view of the problem that laser fuze is easily interfered by fog and smoke, a new laser fuze anti-interference method based on pulsed width modulation technique was proposed. The fog echo signal power of different pulse width was computed, and the variation of echo signal power under the influence of transmitted pulse duration was given. The echo signal power ratio in different fog and aerosols environment was analyzed by using different pulse width to detect. The experiment results show that by using different pulse width to detect, the ratio of backscattering power is usually more than 3. Therefore, this method can be used to improve anti-interference ability of laser fuze.
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Key words:
- laser fuze /
- pulse width modulation /
- fog /
- anti-interference
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[1] Chen Nianjiang. Review of 3D laser imaging technology [J]. Laser & Infrared, 2015, 45(10): 1152−1156. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.002 [2] Wang Xiaoju, Ma Heng, Zhang Shunfa. Laser gray imaging fuze technology for air-to-air missile [J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(3): 0303002. (in Chinese) doi: 10.3788/IRLA201847.0303002 [3] Chen Huimin, Li Ping, Zhang Yingwen. Research on laser fuze technology based on MEMS/MOEMS[C]// Proc of SPIE, 2007, 6724: 1-5. [4] Ren Hongguang, Yu Haishan, Huo Lijun, et al. Anti-interference of dual-wavelength laser fuze [J]. Journal of Detection & Control, 2015, 37(1): 1−4. (in Chinese) [5] Zhang Haojun, Zhao Jianlin. GaN-based blue-violet laser diodes used in anti-interfere from fog for proximity-fuze [J]. Chinese Journal of Lasers, 2011, 38(7): 0702007. (in Chinese) doi: 10.3788/CJL201138.0702007 [6] Yang Ruoyu, Liang Qian, Yu Haishan. Study of novel anti-interference method for panoramic laser fuze based on the multi-threshold [J]. Aero Weaponry, 2014(3): 20−23. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1673-5048.2014.03.005 [7] Wang Fengjie, Chen Huimin, Ma Chao, et al. Construction of backscattering echo caused by cloud in laser fuze [J]. Optik, 2018(171): 153−160. [8] Li Hanshan, Zhang Xiaoqian. Laser echo characteristics and detection probability calculation on the space projectile proximity fuze [J]. Optik, 2019(183): 713−722. [9] Zhang Jingguo, Liang Xiaogeng, Liu Jianxin, et al. Effect of pluse width on cloud-and -fog backscattering signal [J]. Acta Photonica Sinica, 2012, 41(12): 1421−1426. (in Chinese) [10] Chen Huimin, Liu Yang, Zhu Xiongwei, et al. Simulation of the characteristics of backscattering signals for frequency modulated continuous wave laser fuze [J]. Acta Armamentarii, 2015, 36(12): 2247−2253. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2015.12.006 [11] Chen Shanshan, Zhang He, Xu Xiaobin. Echo characteristic of planar target in pulsed laser fuze detection [J]. Acta Armamentarii, 2018, 39(6): 1095−1102. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2018.06.008 [12] Wang Hongxia, Zhu Youzhang, Tian Tao, et al. Characteristics of laser transmission in different types of aerosols [J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(2): 024214. (in Chinese) doi: 10.7498/aps.62.024214