阳光背景下小口径激光引信探测性能研究

沈成方，张祥金，张 合

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

【光学工程与电子技术】

阳光背景下小口径激光引信探测性能研究

沈成方，张祥金，张 合

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

为了研究阳光辐射对小口径激光引信探测性能的影响，结合大气阳光辐射传输理论和噪声产生机理，建立了光电探测器表面阳光辐射功率模型和系统信噪比模型；分析了激光探测装置和探测目标不同空间位置以及系统带宽对系统性能的影响；结果表明：探测目标与探测装置的空间位置对系统探测性能具有不同的影响：系统信噪比随着接收装置表面倾斜角θ增大而增强，当θ<0.4 rad时，系统信噪比SNR<5；当探测距离大于10 m时，信噪比基本为0，激光探测系统失效；目标表面倾斜角γ越小对系统的影响越大，当γ=0.6 rad时，系统最大信噪比仅为12；选取合适的接收系统带宽对激光引信抗阳光干扰和信号接收有着重要的作用；该结果为提高系统探测性能提供了一定的依据。

激光技术；阳光干扰；建模与仿真；空间位置；探测性能

相对于传统的光电引信，激光引信具有主动性好、方向性强和不易受电子干扰等优点，近年来被广泛应用于常规弹药武器中。小口径常规弹药用激光近炸引信由于受到结构和尺寸的限制，导致激光探测发射功率较小。阳光辐射背景光进入探测视场，阳光光子随机涨落，在光电探测器上不仅产生光电流，同时伴随产生类似于白噪声的散粒噪声。

国内外研究人员对激光成像型系统阳光辐射干扰问题进行相关研究，而对于激光主动非成像探测系统阳光辐射干扰问题的研究较少。董红军等[1]研究了阳光对成像型天基激光告警系统的影响；张龙纪等[2]建立了阳光辐射下激光告警机接收信噪比的模型；郭渭荣等[3]分析了不同角度下散射太阳光对光电探测器的干扰，但并未评估系统性能；耿天琪等[4]分析了激光主动侦测系统探测能力，对于阳光辐射对系统产生的干扰未进行深入研究。以上研究并未深入研究阳光辐射强度、探测系统与目标空间位置的不同对探测系统性能的影响。

本文通过建立激光探测器表面阳光辐射功率和阳光辐射下接收系统信噪比数学模型，结合探测系统与探测目标空间位置的不同，定量分析阳光辐射对小孔径激光引信探测系统的性能影响，为探测系统抗阳光干扰提供一定的理论依据。

1 小型化激光引信系统工作原理

小型化激光引信工作原理如图1所示。

图1 小口径激光探测原理图

激光近炸引信采取脉冲激光进行探测目标，可用脉冲测距方程描述信号的回波功率与发射功率、传输介质衰减系数、目标特性、光束发散角、接收视场角、透镜透过率等之间的关系[5]:

(1)

式(1)中:Pr为接收到的回波功率；Pt为激光器的峰值功率；Ke为发射光学系统效率；Kr为接收光学系统效率；Ar为接收机光学系统孔径面积；ρ为目标反射率；β为目标反射表面法线与光轴之间的夹角；S为激光器到目标的距离；α(r)为距激光器r处的大气衰减系数。

激光回波能量产生的光电流可用下式表达：

ir=RλPr

(2)

2 太阳辐射功率模型

2.1 倾斜面上太阳辐射功率模型

太阳是一个温度和辐射波长不同的复杂辐射体，在实际计算中，常把太阳辐射看作温度恒为 5 900 K 的黑体辐射，并以直射、散射和反射3种形式到达地面。影响地面接收到的太阳辐射因子主要包括太阳赤纬角δ、太阳高度角h、太阳方位角α、日地距离R等。

根据经典太阳辐射HOTTEL模型[6-7]，太阳水平面瞬时总辐射为直接辐射量Ecb和散射辐射量Ecd。

为定量分析探测器噪声提供更加准确的数值仿真模型，结合炮弹的实际弹道情况，建立倾斜面阳光辐射功率模型，模型示意图如图2所示。

图2 倾斜面阳光辐射示意图

图2中，θ为倾斜面与水平面之间的夹角，r为斜面方位角，i为太阳入射角。

太阳入射角i表达式：

cosi=cosθsinh+sinθcoshcos(a-r)

(3)

倾斜面上太阳直接辐射量Ecb(θ,r)和太阳散射辐射量Ecd(θ,r)表达式：

Ecb(θ,r)=Ecb·cosi

(4)

Ecd(θ,r)=Ecd·(1+cosθ)/2

(5)

太阳总辐射量表达式：

E(θ,r)=Ecb(θ,r)+Ecd(θ,r)

(6)

以2016年7月中旬中午12点正对南方为例，倾斜面上阳光辐射功率随θ变化曲线如图3所示。

图3 倾斜面上太阳辐射功率随倾斜面角度变化曲线

由图3可知，太阳辐射功率在6、7、8月份较强，最高可达到900 W·m-2，相反在其他月份阳光辐射强度较弱，因此文章主要针对夏季太阳辐射功率对激光探测系统的性能影响研究。在同一时刻，倾斜面上的阳光辐射强度是随着θ变化的，且在某一倾斜角处，存在最大阳光辐射功率；由图4可知，该倾斜角随着太阳时的增大而增大，尤其是在下午时刻，其倾斜角度与一般弹道仰角十分相符，阳光直接入射接收系统产生的噪声会影响系统信噪比、虚警率、探测概率等，使得炮弹不能精准命中目标，减小对目标的毁坏程度。

图4 不同太阳时倾斜面上阳光辐射功率变化曲线

2.2 高负载发射环境下光电探测器表面阳光入射光功率

炮弹发射是通过底火引燃弹体内的炸药瞬间形成高压气体推动弹体获取动能，作用时间一般为毫秒级别，从而导致弹体受到几万G量级的反作用力。激光引信系统在受到高冲击力时，整个系统处于非稳定状态，发射与接收系统组件会发生形变，从而影响探测系统性能。GAN等[8]研究了非线性发射过载对激光引信光学接收系统的影响，并设计出一种新型缓冲结构接收系统光学，其减振效果良好。综合考虑探测系统工作环境，结合式(4)、式(5)、式(6)得到光电探测器表面阳光辐射功率表达式：

(7)

式(7)中:D为接收系统孔径，Ω为接收视场，kλ为滤光片光谱能量透过率，ηr为接收光学系统透过率，κ1为高负载发射环境修正系数，κ2为光敏面光通量占比，k3为在高温环境下滤光片峰值波长修正系数。

其中kλ=P2/P1，取0.1。P1为未加滤光片的阳光功率，P2为加滤光片之后的阳光功率。利用阳光功率计测得的部分数据如表1所示。

3 信噪比模型

接收系统的噪声电流主要由光电探测器的量子噪声、热噪声以及暗噪声组成，其中量子噪声也称作散粒噪声[9-10]。

光电探测器的热噪声是由电阻内部自由电子或电荷载流子的无规则热运动引起的，故与温度有关，有外电场存在时，载流子的无规则热运动迭加在有规则的定向运动之上，形成噪声。若光电探测器的输出电阻为R，其热噪声电流为

(8)

其中，k为波耳兹曼常数，1.38×10-23J/K，T为温度，Δf为噪声等效带宽，R为等效源输入阻抗。

表1 滤光片能量透过率

光电转换过程是一个光电子计数的随机过程，由于载流子随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声，散粒噪声电流表达式如下[11]:

(9)

式(9)中，q为电子电荷，η为量子效率，io为器件输出平均电流，Δf为噪声等效带宽，PIN管M值取1。式(9)中io由探测器光敏面上接收到的光照产生，包括信号光功率Pr和背景光功率Ps(主要为阳光辐射光功率)。

光敏管暗电流噪声电流表达式如下：

(10)

信噪比(SNR) 是衡量系统探测能力的重要指标。结合式(8)、式(9)、式(10)可知系统信噪比表达式如下：

(11)

4 阳光辐射下系统探测性能分析

分析式(6)、(11)可知，系统的探测性能受太阳辐射功率，接收装置表面倾斜角，光学系统的有效接收面积，系统带宽，滤光片性能，光电探测器性能，散粒噪声、暗电流等参数的影响。下面重点分析在阳光辐射下接收装置与探测目标空间位置以及系统带宽对激光探测系统性能影响。

4.1 接收表面倾斜度对信噪比的影响

由于接收系统采用PIN光电探测器，其暗电流和热噪声大小相比较于阳光直射产生的散粒噪声可以忽略不计，噪声总量可以用散粒噪声表示。在激光发射功率为75 W、目标靶面倾斜度为68°、接收系统阈值一定的情况下，探测距离不同时，系统信噪比SNR随θ变化曲线如图5所示。

图5 不同距离下系统信噪比随倾斜角变化曲线

从图5可知，探测距离一定时，信噪比随着θ增大而增强，当θ<0.4时，阳光辐射对探测系统的影响较大，系统信噪比SNR<5；随着探测距离S的增大，接收系统接收到的回波能量较弱，而倾斜面上的阳光辐射量可能达到最大值，导致激光探测系统信噪比急剧下降，图5明显看出，当探测距离S>10 m时，SNR趋于零，探测系统失效。

4.2 探测装置与探测目标不同空间位置对信噪比的影响

当阳光辐射强度较大时，需要考虑探测目标表面的倾斜角度对激光探测系统的影响，假设探测距离S=5 m，其他条件不变的情况下，探测装置与探测目标不同空间位置对激光探测系统的性能影响如图6所示。

图6 不同目标表面倾斜角下系统信噪比随倾斜角变化曲线

从图6可知，当目标表面倾斜角γ越小，探测装置的空间位置对SNR影响越大；目标垂直地面时，其影响基本呈线性关系，随着γ变小，SNR呈非线性变化；当γ=0.6时，其最大信噪比仅为12，因此在系统设计时需要考虑该影响因素以提高探测系统性能。

4.3 阳光辐射下噪声等效带宽对信噪比的影响

激光接收系统的增益及噪声等效带宽Δf直接影响系统性能，对于响应度较低的PIN管，阳光辐射对接收系统影响较大。探测距离不同时，噪声等效带宽对信噪比的影响如图7所示。

图7 噪声等效带宽对系统信噪比影响曲线

从图7可知，当探测距离一定时，噪声等效带宽对接收系统的影响较大，噪声等效带宽越小，系统信噪比越高，并且与探测距离呈非线性关系。然而噪声等效带宽很窄时，接收系统与回波脉冲信号不匹配，导致回波信号失真，从而影响探测系统的性能。因此选取合适的噪声等效带宽对激光引信抗阳光干扰和信号接收有着重要的作用。

5 结论

根据探测装置和探测目标的空间位置不同建立了探测器表面阳光辐射功率模型以及系统信噪比模型，定量分析了不同距离、探测装置与目标表空间位置以及不同噪声等效带宽对系统信噪比的影响。由此得出，小口径常规弹药用激光引信存在阳光直接进入接收系统的情况，其成为系统主要噪声来源；接收表面倾斜角θ与系统信噪比(SNR)正相关，与探测距离S呈负相关；目标表面倾斜角γ对系统信噪比影响呈非线性关系，当γ>0.785 rad时，其变化曲线出现峰值点；在阳光辐射下，探测距离S一定，接收系统带宽Δf越小，系统信噪比(SNR)越高，选取合适的噪声等效带宽对激光引信抗阳光干扰和信号接收有着重要的作用。

[1] 董红军,周中亮.太阳对成像型天基激光告警系统的影响[J].光子学报,2011,40(3):387-392.

[2] 张记龙,田二明,李晓,等.太阳辐射对相干激光告警接收机信噪比影响的理论分析[J].应用基础与工程科学学报,2007(2):265-275..

[3] 郭渭荣,栗苹,陈慧敏,等.不同角度下散射太阳光对光电探测器的干扰[J].探测与控制学报,2009,31(1):41-45.

[4] 耿天琪,牛燕雄,张颖,等.激光主动侦测系统探测能力分析[J].激光技术,2015,39(6):829-833.

[5] 赵 琦,樊红英,李轶国,等.大能量中空光束大气传输的仿真与实验比对研究[J].激光术术,2014,38(4):542-545.

[6] 徐青山,藏海祥,卞海红.太阳辐射实用模型的建立与可行性研究[J].太阳能学报,2011,32(8):1180-1185.

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[11]张颖,牛燕雄,杨露,等星载光电成像系统探测能力分析与研究[J].光学学报,2014,34(1):1-6.

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(责任编辑杨继森)

Research on Detection Performance of Small Caliber Laser Fuze Under the Sunlight

SHEN Cheng-fang，ZHANG Xiang-jin，ZHANG He

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to study the influence of the solar radiation on the detection performance of small caliber laser fuze, based on the theory of atmospheric radiation transmission and the mechanism of noise generation, the model of the solar radiation power and the system signal to noise ratio(SNR) were established. The influence of different spatial position and system bandwidth on the system performance was analyzed. The results show that the spatial location of the target and the detecting device has different influence on the system performance: SNR is enhanced with the increase of the inclination angle of the receiving device, and when theθ<0.4 rad, theSNR<5; and when the detection distance is greater than 10 m, the SNR is 0, and there is the failure of the laser detection system; The influence of target surface inclination angle on the system is larger, when the γ=0.6 rad, and the maximum system SNR is only 12; It is important to select appropriate receiving system bandwidth for the anti sunlight interference and signal reception of laser fuze. The results provide a basis for improving the detection performance of the system.

laser technique; sunlight interference; modeling and simulation; spatial location; detection capability

2016-07-23；

沈成方(1990—)，男，硕士研究生，主要从事光学工程与电子技术研究。

10.11809/scbgxb2016.12.033

沈成方,张祥金，张合.阳光背景下小口径激光引信探测性能研究[J].兵器装备工程学报，2016(12):145-149.

format:SHEN Cheng-fang，ZHANG Xiang-jin，ZHANG He.Research on Detection Performance of Small Caliber Laser Fuze Under the Sunlight [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):145-149.

TN249

A

2096-2304(2016)12-0145-05

修回日期：2016-08-30