水下激光告警器增益控制方案研究

杨国华,张永峰,李 昌

(解放军91388部队,广东湛江 524000)

随着水下光电探测技术的发展,以“魔灯”系统为代表的水下激光探测装备的应用,对水雷、潜艇等水下军事平台安全构成了严重的威胁。20世纪90年代海湾战争期间,美军使用卡曼公司研制的“魔灯”机载激光探雷系统执行探雷任务,仅投入4天,就发现了数量相当于其他水声探雷系统前7个月所探到的总数的12%[1]。及时感知水下激光探测威胁以便采取相应的对抗措施对提高水下军事平台生存概率、掌握水下战场的主动权具有重要意义,水下激光告警器应运而生。但是,由于水体对激光的强烈吸收、散射作用,而水下激光告警器随搭载平台在水下的工作深度通常在几米到几百米的范围内变化,因此,水下激光告警器接收到的光信号强度的动态范围较大气中激光告警器大得多。当接收到较弱的信号时,告警器有可能检测不到告警信号,出现漏报;当接收到强度较强的信号时,光电探测器件输出易饱和,导致后续处理电路无法工作。

1 探雷激光信号在水体传播的机理分析

机载激光水下探测系统从空中发射探测光脉冲(纳秒级),穿过空气与水体,被水下激光告警器“捕获”。同时,以日光为主的自然光成为告警器的背景噪声来源,与脉冲光相比,背景光在时域上变化缓慢,易于与脉冲光分离。光脉冲在传输过程中的传输介质有两类：一是大气,二是海水。其中,大气对光衰减较小[2],蓝绿波段的光束在大气小距离内传播衰减基本可忽略,而海水对光衰减较严重且成因也较复杂,因此主要考虑光信号在水下部分的衰减。

光在水中传播时,由于水体对光的吸收与散射效应造成光在水体迅速衰减[3-5],φ0=φd+φs,并且直射与散射光通量成指数衰减φd=e-a·l,φs=e-s·l,a为吸收系数,s为散射系数,l为传播距离,如图1所示。

可以看出,当传播距离逐渐增大时入射光强度呈负指数急剧衰减,光信号变弱,而在浅水层内告警器接收到光信号较强,导致在整个告警深度内告警器接收到的光信号强度动态范围较大,给告警器正常工作带来困难。

2 解决方案

针对告警器接收到光信号的动态范围较大,最直接的解决方法就是实时调节光电转换器件的增益,即在弱光条件下调大增益,反之降低增益。

2.1 传统解决方案

实时调节光电器件的增益,传统方案是实时检测信号强度,再根据信号强度反馈调节光电器件的增益,如图2所示,优点是精确有效,而本文检测的信号为纳秒级高速脉冲信号,对此高速信号采样、处理、识别需要的元器件及电路较复杂,特别是其PCB设计时需要考虑信号反射、回流、串扰等问题,技术上难度较大且成本较高,缺点显而易见。

2.2 利用背景光调节光电增益

为了实现增益大范围可调并更好地感知弱光信号,光电探测器件选用较成熟的光电倍增管[6],典型增益特性如图3所示。

告警器接收到脉冲信号的同时也受到太阳光等自然光的干扰,这部分干扰构成背景噪声,暂称它为背景光,背景光在水中传播同样遵守负指数衰减规律[7],并且在时间上变化缓慢,在光电转换器件的输出为直流信号。

为了降低成本与难度,避免直接对高速脉冲光信号进行检测,本文提出一种新的解决方案:检测背景光强度来反馈调节光电转换器件增益,即用背景光替代脉冲信号作为光电倍增管的增益控制信号。此方案实现难度较小且成本低,能满足增益自动调节功能。告警器的控制器件选用技术成熟的MCU,即告警器的架构为光电倍增管+MCU(这里暂不讨论告警器的接收光学系统),如图4所示。

其中光电倍增管将光信号转换为电信号,电信号经过外围处理电路分离为两路:上路是告警脉冲信号,下路是缓慢变化的背景光噪声“直流信号”。脉冲信号送入MCU用于威胁光信号的重频、编码等特征识别处理,MCU的工作流程如图5所示。

背景光噪声送入MCU,MCU分析采集的背景光强度进而反馈控制光电倍增管的增益,调节光电倍增管的增益倍数,使光电倍增管工作在增益合适的状态,把宽输入动态范围脉冲信号压缩到较窄范围。其控制流程如图6所示。

图6中,ADC0为采集的背景光数值(500ms采集一次),stand为标准值,DAC0为输出的光电倍增管增益控制变量,step为DAC0的调整量,在接收强光时减小光电倍增管增益控制变量,在接收到弱光时增大光电倍增管增益控制变量,整个流程使采集到的光信号数值维持在稳定水平,最终实现接收光信号动态范围的压缩。MCU还需完成与上位机的通信,实时接收上位机的指令并将威胁特征信息上报给上位机。

3 实验分析

依据告警原理方案,设计告警器原理样机并对原理样机进行测试,实验采用Nd:YAG激光器作为激光源。激光器参数:工作波长532 nm,最大单脉冲能量约为180 mJ,半幅值脉宽约7 ns,最大重复频率为20 Hz,发散角为4 mrad。将激光器置于水箱中,激光从水线之下的水箱光学窗口透射出来;在告警器离激光器垂直距离d处改变离光轴横向距离s、角度θ等参数,实验方案如图7,实验结果如图8-图10所示。

可以看出,在20 m～58 m深度内输出光电压维持在1.47 V～0.81 V,对接受光信号动态范围压缩明显,证明设计方案可行。但对离轴光信号探测处理效果不明显,下一步需进加强研究。

4 结束语

本文初步分析水下激光告警的技术难点,即接收光信号动态范围较大;提出了一种低成本并易于实现的技术方案,能有效压缩其动态范围,对整个水下激光告警器系统的设计有一定参考价值。