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脉冲激光引信的探测方式为直接探测目标反射回的回波能量来检测目标,可以按照传统的激光雷达的统计方法进行描述。传统的激光雷达方程描述了与激光探测系统有关的各个因素,以及各个因素之间的相互关系,来体现出对目标的发现能力。基于激光雷达方程建立近程探测的激光引信目标探测方程,激光回波功率P为[10]:
式中:
$ {P}_{t} $ 为激光器的峰值功率;ρ为目标表面的反射率;$ {A}_{i} $ 为目标有效反射截面积;$ {A}_{r} $ 为探测器有效接收面积;$ {\eta }_{t} $ 为发射光学系统的透过率;$ {\eta }_{r} $ 为接收光学系统第透过率;${\eta }_{\rm atm}^{2 R}$ 为双程大气透过率;${\varOmega }_{t}$ 为光束发射立体角;R为目标距离。对于脉冲激光引信探测系统来说,半导体激光器发出的激光在时域上近似为高斯脉冲[9],其近高斯型功率表达式为:
式中:τ为高斯脉冲的持续时间。对于指定的实体目标来说,激光引信探测系统进行探测,激光照射到目标上产生反射,探测器接收到反射回的光信号产生脉冲回波信号,脉冲回波信号稳定,与发射脉冲都为高斯脉冲[11-12]。
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激光引信发射出的脉冲激光在云雾中传播的过程之中,云雾中悬浮的粒子对脉冲激光具有吸收和散射两个过程[13-14]。这两个过程会造成激光能量的衰减,由于激光引信发射波长处于近红外区域,云雾粒子对激光的吸收可以忽略不记,能量的衰减主要由散射引起。激光引信发射出脉冲激光中的光子和云雾粒子发生碰撞后,光子的能量和散射方向均发生了变化,如果碰撞后的光子能够被探测器接收且能量大于探测器最小探测功率,那么这部分光子能量和即为云雾后向散射的回波信号。所以对于云雾目标来说,云雾的脉冲激光回波信号是由不同云雾粒子散射产生的回波信号叠加形成的,由于各云雾粒子与激光引信距离不同,各个回波到达激光引信的时间不同,且根据朗伯比尔定律[15],光子在均匀大气中传输时透过率随着传输距离呈指数衰减,探测器接收到的能量会随着传输距离衰减,所以云雾后向散射的回波信号会发生展宽效应,并且呈现上升沿抖下降沿缓的非对称趋势,如图1所示。
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根据硬目标回波和云雾后向散射回波的特征,当目标处于云雾之中时,脉冲激光在和云雾粒子碰撞后,一部分光子会照射在目标表面上,经反射后穿过云雾被探测器接收形成真实目标的回波信号,这样探测器接收到的回波中不仅有云雾后向散射形成的回波,还有真实目标的回波,由两者叠加而成。图2为仿真得到的目标在云中,能见度为1 m、3 m和5 m时探测器接收到的回波,云雾浓度使用能见度表示,仿真参数如表1所示。
Parameter Value Pulse width/ns 10 Target distance/m 10.85 SNR 10 Cloud visibility/m 1,3,5 Table 1. Simulation parameters
从图中可以看出,随着云雾能见度的降低,云雾浓度升高,后向散射回波信号能量逐渐增强,真实目标回波信号能量逐渐减弱。
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在仿真的基础上,为了验证算法在实际应用中的适用性,利用课题组研制的激光引信进行实验验证。激光引信的光源采用半导体激光二极管,信号处理系统发出脉冲触发信号经过激光发射电路整形后驱动激光二极管发出脉冲频率10 kHz,脉冲宽度10 ns,波长1064 nm的脉冲激光。激光引信接收端探测器采用带宽为70 MHz,上升时间6 ns,灵敏度为36 A/W的高灵敏度APD光电二极管,其将接收光学系统接收到的光信号转换成电信号,再经过第一级跨阻放大器和第二级的放大器将接收到的微弱信号放大得到高信噪比回波信号。以500 M/s的采样速率对回波信号进行采样,得到的回波数据经过一定处理,计算与发射端同步触发信号之间的延时。脉冲激光引信的原理框图如图7所示。
根据激光引信的原理框图搭建了激光引信实验平台,在实验过程中,使用平面物体作为激光引信的目标,将目标放置在距离激光引信3 m的位置处,使用加湿器在激光的路径之上模拟云雾的效果,通过调节加湿器档位来改变云雾浓度,为了达到与仿真参数相对应的条件,在不同云雾浓度下,使用带宽为1.2 GHz,上升时间1 ns,灵敏度为0.95 A/W的光电探测器分别接收云雾前后的激光,根据云雾前后激光能量来计算出衰减系数,进而根据经验公式(6)来计算云雾能见度[20]为:
式中:μ为衰减系数;V为能见度;λ为波长;q为经验系数[21](能见度小于0.5 km取0)。
实验过程中,计算得到的衰减系数与能见度的对应关系见表2。
Attenuation coefficient Visibility/m 1.304 3 0.782 5 0.559 7 0.435 9 Table 2. Corresponding attenuation coefficient and visibility
实验过程中为了方便光路调整,使用波长532 nm的绿光作为指示光,实验场景图如图8所示。
图9所示为实验过程中云雾能见度为5 m条件下采集到的回波数据拟合结果,分别采用数字互相关算法和高斯全波形算法进行处理。图10显示了两种算法的处理结果。
Figure 10. Algorithm processing results of experimental data. (a) Cross-correlation algorithm; (b) Gaussian decomposition algorithm
由于在实验过程中,激光引信系统本身存在固有的延时,所以在计算延时大小时应该减去系统自身延时,经过实验测量系统内部的延时为38 ns。所以根据采集到的数据经过互相关处理后计算出目标与激光引信的距离,得到测距精度为0.16 m。
同样对采集到的回波数据进行全波形高斯分解算法处理后,计算发射脉冲与回波信号的延时得到目标与激光引信的距离,经过计算此时的测距精度为0.12 m。
实验过程中通过改变加湿器档位来调节云雾浓度,所以同样得到了不同云雾浓度下的回波数据,对这些数据分别进行互相关算法以及高斯全波形分解算法处理,得到不同云雾浓度下两种算法的测距精度,其测距精度结果如图11所示。
在图11所示的结果中,随着云雾浓度的升高,互相关算法测距精度急剧下降,而高斯全波形分解算法仍然能够保持高测距精度。实验得到得结果与仿真规律一致,在高浓度云雾环境下,高斯全波形分解算法具有更好的适用性和高测距精度。
Gaussian decomposition ranging method for laser fuze under cloud and fog interference conditions
doi: 10.3788/IRLA20220090
- Received Date: 2022-02-07
- Rev Recd Date: 2022-04-29
- Publish Date: 2022-11-30
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Key words:
- pulsed laser fuze /
- backscatter /
- full wavefom decomposition /
- anti-cloud interference
Abstract: Under the influence of cloud and fog, pulsed laser fuze has the problems of high false alarm probability and poor ranging accuracy. These problems restrict the all-weather work of laser fuze. In order to reduce the influence of cloud and fog on the full-waveform sampling laser fuze, the paper proposes an echo pulse processing method based on Gaussian decomposition. The Gaussian model is used to decompose the echo signal into the form of individual Gaussian pulses, the real target echo and backscatter echoes of cloud and fog can be distinguished according to the waveform characteristics. The performance differences between the Gaussian decomposition method and the digital cross-correlation methods are compared from theoretical simulation and experiments. The results show that under the condition of cloud and fog with visibility less than 4 m, the ranging accuracy of the digital cross-correlation method deteriorates to 1.6 m, while the ranging accuracy of the Gaussian decomposition method can achieve a distance of 0.18 m, it is better than traditional cross-correlation process. It provides a new data processing idea for the high-precision ranging of laser fuze in cloudy and foggy environment.