CN105509578A - 一种多通道全向探测的激光引信及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道全向探测的激光引信，包含：激光发射机，用于向待探测目标发射探测激光光束；激光接收机，用于接收待探测目标的回波及干扰的回波；信号处理单元，分别与所述激光发射机及激光接收机连接，用于产生激光光束发射基准时序，以控制激光发射机发射探测激光光束，还用于对激光接收机接收到的待探测目标的回波及干扰的回波进行分析处理，以完成对待探测目标的识别以及实现抗环境干扰和超低空抗海杂波干扰。本发明还公开了一种采用激光引信进行探测目标的方法。本发明具备大视场全向探测，作用距离长，抗光点和环境干扰能力强，并且适用于超低空领域。

Description

一种多通道全向探测的激光引信及其方法

技术领域

本发明涉及激光引信技术领域，具体涉及一种多通道全向探测的激光引信及其方法。

背景技术

近年来，半导体激光器、二极管泵浦固体微激光器（DPL）和微处理器等技术的新进展，为大探测场激光引信在军事领域的应用提供了保证。使其在实际应用中，从提供单纯的精密测距功能来控制炸点，发展到利用激光束可设定不同的空间布局方式，能提供非常精确的目标距离和位置信息来实现全向探测、判别目标，进而达到精确定距、定向起爆的目的。

激光器发射视场探测方案分为多辐射方案、分区方案、分区扫描方案、同步扫描方案。多辐射方案中接收器与激光器数量相等且视场匹配，发射、接收窗口在弹体周围均匀分布，多个辐射状窄光束共同形成探测场，发射光束与接收视场有很强的定向性，该方式对激光器发射功率要求不高，因而在小型空空导弹中应用的较多。分区方案由几个扇形光束组成探测场，接收器与激光器数量相等且视场匹配，与多辐射方案相比，该方案可探测的最小目标尺寸较小，但大接收视场导致背景噪声增加、发射功率利用率降低，此方案对激光器平均功率要求较高。分区扫描方案在分区视场内，只有激光器扫描形成探测场，多个探测器分区接收，有效利用激光器发射的所有功率，扩大作用距离。同步扫描方案的发射、接收系统同步扫描探测接收，该方案将激光器全部功率集中为窄射束，因接收视场减小降低了背景噪声。同步扫描的重点是要求接收场与发射场同步匹配，结构复杂，需制作专门的高速旋转扫描系统和小型大功率激光器，可以实现较远的作用距离和较高的距离分辨率，在空载激光雷达中应用较多，如直升机激光防撞告警装置。

其中多辐射方案、分区方案、分区扫描方案均需要布置多个激光器，将占有引信大量的宝贵空间，同时，为了驱动众多的激光器，需要提供大功率激光电源，这将大大提高系统功耗，增加系统内部噪声，影响系统工作稳定性。而同步扫描方案结构复杂，需制作专门的高速旋转扫描系统和小型大功率激光器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多通道全向探测的激光引信及其方法，具备大视场全向探测，作用距离长，抗光点和环境干扰能力强，并且适用于超低空领域。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种多通道全向探测的激光引信，其特点是，包含：

激光发射机，用于向待探测目标发射探测激光光束；

激光接收机，用于接收待探测目标的回波及干扰的回波；

信号处理单元，分别与所述激光发射机及激光接收机连接，用于产生激光光束发射基准时序，以控制激光发射机发射探测激光光束，还用于对激光接收机接收到的待探测目标的回波及干扰的回波进行分析处理，以完成对待探测目标的识别以及实现抗环境干扰和超低空抗海杂波干扰；其中

激光发射机包含依次连接的激光光源及发射光学单元，所述的激光光源与所述信号处理单元连接，用于根据信号处理单元发出的激光光束发射基准时序产生激光光束，所述的发射光学单元用于将一路激光光束输入分成多路激光光束输出，后将多路激光光束输出进行光束整形后经若干个窗口将激光光束发射出去。

所述的激光光源为光纤激光器或固体激光器中的一种。

所述的发射光学单元包含光纤分束器及若干个光束整形模块，所述的光纤分束器用于将一路激光光束输入分成多路激光光束输出，所述的若干个光束整形模块分别通过传输线路与对应的光纤分束器的激光光束输出通道连接，用于对激光光束进行整形后输出。

所述的光束整形模块由单片非球面镜和鲍威尔棱镜组成。

所述的激光接收机包含若干个接收光学单元，每一接收光学单元包含依次连接的接收光学模块、光敏探测器及接收组件，其中，所述的接收组件与所述信号处理单元连接，所述的接收光学模块用于接收待探测目标的回波及干扰的回波，所述的光敏探测器用于将接收光学模块接收到的光学信号转化为电信号，所述的接收组件用于对光敏探测器获得的电信号进行放大，并抑制噪声信号。

所述的接收光学模块采用双分离透镜结构。

所述的接收组件包含依次连接的光电转换器件、前置放大电路及后级放大电路，所述的光电转换器件与所述光敏探测器连接，所述后级放大电路与所述的信号处理单元连接。

所述的光纤分束器将一路激光光束输入分成六路激光光束输出，对应的光束整形模块的数量为6个及探测接收模块的数量为6个。

一种采用激光引信进行探测目标的方法，其特点是，包含以下步骤：

信号处理单元产生激光光束发射基准时序，控制激光光源产生激光光束；

发射光学单元将激光光源产生的一路激光光束输入分成多路激光光束输出，后将多路激光光束输出进行光束整形后经若干个窗口将激光光束发射出去；

接收光学单元中若干个探测接收模块分别获取不同象限的目标回波及干扰回波；

信号处理单元采用预设的算法比较分析获取到的不同象限的目标回波及干扰回波完成对目标回波及干扰回波的识别，以实现对目标的探测。

所述的预设的算法包含目标识别算法、抗环境干扰算法及超低空压缩算法。

本发明一种多通道全向探测的激光引信及其方法与现有技术相比具有以下优点：选用光纤分束激光探测体制，满足目前对高性能引信的需求；采用目标识别算法、抗环境干扰算法及超低空压缩算法，根据真实目标特性进行信号分选，从而抑制掉干扰信号。

附图说明

图1为本发明一种多通道全向探测的激光引信的整体结构示意图；

图2为光纤分束器的整体结构示意图；

图3为光束整形模块的整体结构示意图；

图4为三区探测器光敏面示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

本发明主要是针对大视场激光引信提高抗云雾后向散射干扰能力和超低空抗海杂波能力的需求，提供一种基于大功率光纤激光器光源的光纤分束窄脉冲探测接收技术实现对目标识别和抗干扰的激光引信一体化设计的方法。

如图1所示，一种多通道全向探测的激光引信，包含：激光发射机100，用于向待探测目标200发射探测激光光束；激光接收机300，用于接收待探测目标200的回波及干扰的回波；信号处理单元400，分别与所述激光发射机100及激光接收机300连接，用于产生激光光束发射基准时序，以控制激光发射机100发射探测激光光束，还用于对激光接收机300接收到的待探测目标的回波及干扰的回波进行分析处理，以完成对待探测目标200的识别以及实现抗环境干扰和超低空抗海杂波干扰；其中，激光发射机100包含依次连接的激光光源101及发射光学单元102，所述的发射光学单元102包含光纤分束器1021及若干个光束整形模块1022，所述的激光光源101与所述信号处理单元400连接，用于根据信号处理单元400发出的激光光束发射基准时序产生激光光束，所述的光纤分束器1021用于将一路激光光束输入分成多路激光光束输出，所述的若干个光束整形模块1022分别通过传输线路与对应的光纤分束器1021的激光光束输出通道连接，用于对激光光束进行整形后经若干个窗口将激光光束发射出去；较佳地，所述的光束整形模块1022由单片非球面镜10221和鲍威尔棱镜10222组成；所述的激光接收机300包含若干个接收光学单元301，每一接收光学单元包含依次连接的接收光学模块3011、光敏探测器3012及接收组件3013，其中，所述的接收组件3013与所述信号处理单元400连接，所述的接收光学模块3011用于接收待探测目标200的回波及干扰的回波，所述的光敏探测器3012用于将接收光学模块3011接收到的光学信号转化为电信号，所述的接收组件3013用于对光敏探测器3012获得的电信号进行放大，并抑制噪声信号；所述的接收组件3013包含依次连接的光电转换器件30131、前置放大电路30132及后级放大电路30133，所述的光电转换器件30132与所述光敏探测器3012连接，所述后级放大电路30133与所述的信号处理单元400连接。

在本实施例中，在激光光源方面，目前可选用光纤激光器或固体激光器，优选地，采用光纤激光器。光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本相同，但是光纤激光器较固体激光器更易实现小型化，同时又能保证功率、光束质量等性能，最重要的是光纤激光器更容易实现高脉冲重复频率，这样应用激光引信中，对于提高测距能力和精度各方面更有优势；同时，光纤激光器由于采用光纤作为增益介质和传输介质，激光输出是直接通过光纤输出的，较之固体激光器的直接空间输出光束质量更好控制，更容易实现高效率的光纤耦合并分束。

光纤分束的原理就类似于电学上的信号分路，将一路信号分成多路信号输出，所不同的是光纤中传输的是光信号，经过分束后，每路光纤上的功率只有总功率的1/n（n为光纤分束路数），其余信号形式不变。光纤分束技术利用了光路可逆性原理，将光纤合束技术反向使用，从而达到单路激光输入，多路激光输出的目的。在本实施例中，设计了由6根芯径、性能均一致的传能光纤组成的1×6形式的光纤分束器，如图2所示。通过这种光纤分束器，将一个光纤激光器光源发射的激光分解为6路，送到发射窗口，作为发射光束，这6路光纤性能的一致性保证了各路激光功率的一致性。

大功率激光光纤传输的高传输效率包括光纤的传输效率和激光与光纤耦合的效率。由于传输大功率激光所用的多模光纤最长不超过1~2m，自身损耗很低，因此大功率激光光纤传输的效率，主要取决于激光与光纤耦合的效率。本发明中利用光纤耦合技术，提高了大功率激光光纤耦合效率的，不仅可将激光器输出的激光有效地传输到各个窗口，最大限度地利用激光器输出功率，而且耦合损耗的降低可提高光纤耦合、传输的可靠性。

在本实施例中，在光束整形模块方面，通常的设计多采用柱面镜组对出射光束进行整形，来满足发射的需求，此种方式有两项缺点：一是发射光束经过镜组后的整形光束质量较难控制，尤其在弧矢方向上（即大视场方向）全视场内的光束能量均匀度较差，通常都要相差10%以上，这对激光引信收发视场内的能量探测影响极大，尤其是给后端信号处理中的算法设计增加了难度，并且会影响到涉及抗干扰、超低空方面的算法设计；二是激光发射光束在子午方向上的束散角较难压缩，通常都要在1°以上，这样使得能量扩散从近到远会扩散很快，尤其是到远距离时，能量扩散太快会使以能量探测为主要手段的激光引信过早丧失探测能力。因此，在设计光束整形模块时首要考虑的是全视场的均匀性问题，其次是束散角的控制问题。

在本实施例中，由于光纤激光器出射的是圆形光斑，相较于普通的椭圆形光斑，设计时只需要考虑一维整形即可。光束整形模块由单片非球面镜和鲍威尔棱镜组成，单片非球面镜实现光束的准直，鲍威尔棱镜将准直的光束整形扩束成长条形光束，鲍威尔棱镜使激光束通过非球面透镜最优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好的一条直线。鲍威尔棱镜（PowellLenses）划线优于柱面透镜的划线模式，能消除高斯光束的中心热点和褪色边缘分布，光束整形模块的结构，如图3所示，实现单路60°以上的发散角，并且可以保证光束质量的均匀性。

在本实施例中，激光接收机采用收发视场包容探测方式。根据目前掌握的技术以及激光器功率及探测器的水平，要达到在大视场全向探测下达到8m以上的作用距离，采用6象限或以上扇形轮流探测方式；即所述的接收光学单元包含6个探测接收模块。接收光学模块采用双分离透镜结构对视场范围进行光束聚焦，同时，为了减少杂光干扰，探测器接收光之前做滤光处理。设计成透射式，采用双分离非球面透镜对光束进行聚焦，实现单路60°以上的接收视场。

在本实施例中，接收组件主要的功能是将光敏探测器转化的微弱电信号进行适量放大，同时最大限度抑制掉噪声信号；针对目标探测与抗干扰的双重需要，研制双门限检测接收机，配合目标特性的研究，设计出合理的目标与干扰的门限电压，实现目标与干扰的区别探测。

在本实施例中，信号处理单元主要由时钟产生器和FPGA电路组成。时钟产生器产生时间基准信号，需要根据发射脉冲取样信号得到信号处理的时序基准，产生相应的距离门等控制信号，配合复杂的目标识别、抗环境干扰、超低空抗海杂波干扰等相应算法来完成信号处理的各种功能。

结合上述的多通道全向探测的激光引信，本发明还公开了一种采用激光引信进行探测目标的方法，包含以下步骤：

步骤一：信号处理单元产生激光光束发射基准时序，控制激光光源产生激光光束；

步骤二：发射光学单元将激光光源产生的一路激光光束输入分成多路激光光束输出，后将多路激光光束输出进行光束整形后经若干个窗口将激光光束发射出去；

步骤三：接收光学单元中若干个探测接收模块分别获取不同象限的目标回波及干扰回波；

步骤四：信号处理单元采用预设的算法比较分析获取到的不同象限的目标回波及干扰回波完成对目标回波及干扰回波的识别，以实现对目标的探测。

步骤四中，目标识别和抗干扰实现，采用目标识别算法和抗环境干扰算法提取目标信息、滤除环境干扰。目标识别准则是根据舰载末端防御导弹攻击的反舰导弹激光反射特性得来的，该算法根据真实目标特性进行信号分选，从而抑制掉干扰信号；具体地，目标识别和抗环境干扰算法的实现是通过目标与环境干扰回波脉冲宽度的区别来实现，在不同距离的回波脉冲宽度要求不同，采用精细化脉宽鉴别判别算法，可有效提高激光引信抗自然环境干扰能力。在满足脉宽鉴别的基础上，再进行回波的稳定性判别，然后对有效回波进行积累，当在一定时间内积累足够个数时，且无云烟、阳光干扰时，输出激光引信报警信号。

在超低空实现方面，要能够抗住海杂波，关键是激光引信能够区分开海杂波回波和目标回波，也就是必须找到两者的不同点。但在一般的激光引信中，由于采用脉冲能量探测方式，无频率信息可用，只能在时域内区分两者，诸多试验表明，海杂波回波和目标回波在时序上很相近，很难在时序上将两者区别开，因此，仅仅依靠波门压缩是不可靠的，必须要结合其他的抗海杂波方法共同作用实现可靠的抗海杂波干扰技术。海面可看做无数微小平面构成的漫反射目标，因此回波散射方向随机，充满整个空间，而典型目标反射尺寸较规则，回波方向较为集中。目标回波在光敏面上的弥散斑大小最多约占整个光敏面的1/3，而海杂波回波在光敏面上的弥散斑大小充满整个光敏面，基于以上原理，可以将探测器光敏面设计成多个分区，对应每个分区，设计单独的电路，实现信号的分路输出，以此来达到辨别是否海杂波的目的；具体地，如图4所示，将每个光敏面分三个区的形式，每个分区基本对应着20°的接收视场，目标最大占两个分区，海杂波会占三个分区或更多，这样便可以通过各个分区的输出，通过回波占有分区的个数以及稳定性，来区分接收到的回波是海杂波还是目标回波，从而区分两者，实现超低空无虚警压缩。用远距离检测海杂波并实时压缩距离波门的方法来排除海杂波，采用各通道独立匹配压缩的原则，即引信各通道距离海面高度下降多少，各通道距离波门的作用距离压缩多少。利用海杂波门完成对海面识别，实时压缩距离门，实现3m超低空飞行并有效识别目标。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种多通道全向探测的激光引信，其特征在于，包含：

激光发射机，用于向待探测目标发射探测激光光束；

激光接收机，用于接收待探测目标的回波及干扰的回波；

信号处理单元，分别与所述激光发射机及激光接收机连接，用于产生激光光束发射基准时序，以控制激光发射机发射探测激光光束，还用于对激光接收机接收到的待探测目标的回波及干扰的回波进行分析处理，以完成对待探测目标的识别以及实现抗环境干扰和超低空抗海杂波干扰；其中

激光发射机包含依次连接的激光光源及发射光学单元，所述的激光光源与所述信号处理单元连接，用于根据信号处理单元发出的激光光束发射基准时序产生激光光束，所述的发射光学单元用于将一路激光光束输入分成多路激光光束输出，后将多路激光光束输出进行光束整形后经若干个窗口将激光光束发射出去。

2.如权利要求1所述的激光引信，其特征在于，所述的激光光源为光纤激光器或固体激光器中的一种。

3.如权利要求1所述的激光引信，其特征在于，所述的发射光学单元包含光纤分束器及若干个光束整形模块，所述的光纤分束器用于将一路激光光束输入分成多路激光光束输出，所述的若干个光束整形模块分别通过传输线路与对应的光纤分束器的激光光束输出通道连接，用于对激光光束进行整形后输出。

4.如权利要求3所述的激光引信，其特征在于，所述的光束整形模块由单片非球面镜和鲍威尔棱镜组成。

5.如权利要求3所述的激光引信，其特征在于，所述的激光接收机包含若干个接收光学单元，每一接收光学单元包含依次连接的接收光学模块、光敏探测器及接收组件，其中，所述的接收组件与所述信号处理单元连接，所述的接收光学模块用于接收待探测目标的回波及干扰的回波，所述的光敏探测器用于将接收光学模块接收到的光学信号转化为电信号，所述的接收组件用于对光敏探测器获得的电信号进行放大，并抑制噪声信号。

6.如权利要求5所述的激光引信，其特征在于，所述的接收光学模块采用双分离透镜结构。

7.如权利要求5所述的激光引信，其特征在于，所述的接收组件包含依次连接的光电转换器件、前置放大电路及后级放大电路，所述的光电转换器件与所述光敏探测器连接，所述后级放大电路与所述的信号处理单元连接。

8.如权利要求6所述的激光引信，其特征在于，所述的光纤分束器将一路激光光束输入分成六路激光光束输出，对应的光束整形模块的数量为6个及探测接收模块的数量为6个。

9.一种采用激光引信进行探测目标的方法，其特征在于，包含以下步骤：

信号处理单元产生激光光束发射基准时序，控制激光光源产生激光光束；

发射光学单元将激光光源产生的一路激光光束输入分成多路激光光束输出，后将多路激光光束输出进行光束整形后经若干个窗口将激光光束发射出去；

接收光学单元中若干个探测接收模块分别获取不同象限的目标回波及干扰回波；

信号处理单元采用预设的算法比较分析获取到的不同象限的目标回波及干扰回波完成对目标回波及干扰回波的识别，以实现对目标的探测。

10.如权利要求9所述的采用激光引信进行探测目标的方法，其特征在于，所述的预设的算法包含目标识别算法、抗环境干扰算法及超低空压缩算法。