基于线列雪崩光电二极管的激光引信成像探测

王小驹，张顺法

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

0 引言

光电对抗技术的发展和新的作战方式的出现，给近炸引信带来了新的挑战。如：国际上已将针对雷达导引头的箔条干扰弹和针对红外导引头的红外诱饵弹技术结合起来，研制了红外－箔条复合干扰弹；投放方式也从顺序投放方式发展为密集投放、多方位同时投放方式。在这种情况下，干扰弹将在目标机附近产生大面积红外烟障和箔条散布区。此时，导弹如果从干扰区穿过，干扰区的烟障和箔条干扰将会对无线电引信和光学引信都产生严重的影响，使引信虚警，导致早炸。

提高抗上述干扰的能力，关键是要实现引信的精细化探测，获取更加丰富的回波信息，在复杂干扰背景下提取出更多的目标与干扰特征。其中光学成像（包括红外成像和激光成像）引信可对目标特征成像，提取到目标的轮廓、距离、角度等信息，实现引信精细化探测，提高抗干扰能力。

在国内，红外成像引信的研究起步相对较早，报道较多，但红外成像引信技术受限于红外探测器的工艺水平，每个像素需要一个探测器，结构的局限使得探测像元较少，所得图像外形轮廓精度较低，且红外成像探测容易受到目标体表面温度不均匀的影响，造成所得到的图像不够完整，且为了提高作用距离，必须进行探测器制冷，但引信的体积大小不允许安装如此多的制冷装置，因此，红外成像引信的实用性大受影响。

激光成像引信技术逐步成为成像引信的重要发展方向，且大量激光引信的成功运用为激光成像探测提供技术支持。西方发达国家均有采用APD（Avalanche PhotoDiode）探测器［1］进行激光引信成像探测研究项目，如：美国完成基于SI PIN探测器二维扫描激光引信研究后，一直在进行APD阵列探测器的3D或4D激光成像技术研究；英国从2000年开始研制基于SI APD探测器的距离－角度三维成像激光引信原理样机［2－3］。国内进行了弹目相对运动推扫式成像探测的原理分析［3－4］，但运用APD探测器实现激光引信成像探测并未见报道。

1 红外成像引信和APD探测器

1.1 红外成像引信介绍

红外成像引信属于被动探测引信，它是利用导弹与目标在交会过程中的相对高速运动来完成对目标各个部位的逐步探测，红外成像引信在接近目标的相对运动过程中，目标上的各个部位随着相对运动的进行，便依次进入或退出各个探测元的探测视场，各探测元便分别依次探测到目标的各个部位的信号，在时间和空间逐步积累的过程中，形成时间、空间的二维图像［5］。

1.2 APD探测器指标参数

APD阵列探测器由于具有高转换率、低噪声、体积小、分辨率高且动态范围大等优点，可对极微弱光进行探测，可运用于被动成像和主动成像系统。受限于引信的探测方式与结构布局，以及成像探测器件的发展，国内激光成像探测技术研究起步较晚，APD探测器的发展，使激光成像引信成为现实。

文中选用的探测器为德国Silicon sensor公司的16元线型APD阵列探测器。其主要参数指标为：

1）光谱响应范围：450～1 050nm；

2）光谱响应度905nm，M＝100时，最小值：55 A／W，典型值：60A／W 且雪崩增益M 值可随偏置电压变化而变化；

3）760～910nm的量子效率不小于80%；

4）响应速度：上升时间典型值2ns；

5）暗电流：典型值5nA（M ＝100）。

光敏面排列分布情况如图1所示。

图1 APD探测器光敏面分布示意图Fig.1 Schematic diagram of the distribution of the APD photosensitive cell

2 APD成像探测原理及组成

引信一般为末端探测，靠近目标一定距离后开始探测工作，探测距离较短，探测视场远大于雷达成像探测视场，要求垂直于弹轴面内360°无盲区探测，因此对成像系统的视场要求更高，通常情况下超过30°。

图2所示的弹目交会过程为尾追时的成像过程［6］，t1时刻通过引信主动激光束照射到飞机目标尾部，成像接收系统汇聚目标反射回波光信号，引信样机生成一行目标局部图像，t2时刻由于交会速度的存在，引信主动光束照射到飞机目标的位置发生变化，此时引信样机生成另一行目标局部图像，随着弹目交会的进行，引信样机不断生成一行行的目标局部图像，最终经过图像处理单元，将所有行图像按时序组合成一幅完整的目标图像。根据信号处理的功能，所得到的目标图像可能包含的目标信息有距离像、角度像、外形轮廓像等，将这些特征信息提供给识别算法进行干扰区分。

图2 成像探测过程示意图Fig.2 Schematic diagram of the imaging detecting process

根据功能模块分类，本方案的组成可分为：激光发射单元、激光接收单元、回波信号预处理单元、图像处理单元。引信单象限成像探测工作流程如图3所示。

图3 成像探测流程图Fig.3 Flow chart of the imaging detection

2.1 激光发射单元

激光发射单元完成激光束的整形扩束，为引信提供主动激光源，激光器采用加工工艺成熟的量子阱GaAs激光器。为实现垂直弹轴面上360°无盲区探测，发射光束也需要满足360°无盲区照射。文中采用6个激光发射单元组合成360°环视照射，每个发射单元经过光学系统扩束整形后，覆盖相应的角度范围，且覆盖角度内光带能量分布均匀。由于沿弹目交会方向进行的行扫描成像，理论上发射频率越高，额定交会时间内采到的目标行图像越多，完整的目标图像特征信息会越多，因此沿弹目交会方向光束不必进行扩束，为提高探测精度需要将此方向的光束进行宽度压缩后准直发射，最后得到激光单个发射单元的整形光束为“薄扇形”条状光带，多象限组合后的发射光束如图4所示。

图4 发射光束示意图Fig.4 Schematic diagram of the projecting beams

2.2 激光接收单元

激光接收单元包含接收光学系统和APD阵列探测器，主要完成目标回波光信号的汇聚。光学系统是将目标反射光信号汇聚到APD阵列探测器光敏面上，光敏面将光信号转换为电信号。激光接收单元的成像质量直接影响到目标图像的质量，为成像引信的关键部件。

根据本方案的成像方式，引信周向使用的APD探测器的像元总和，便是周向的分辨率。为达到更高的周向分辨率，需要使用更多的探测器，但受限于引信的体积和信号处理难度，使用的探测器数量不可能无限增加。通过仿真分析成像引信探测视场周向192元即可满足目标识别的需求，由此方案中使用了12个探测器，周向探测元共192元，角度分辨率小于2°，由此可确定单个探测器所需覆盖的接收视场角。每个APD探测器前端配备一套接收光学系统，其接收视场为30°，组合为360°无盲区接收，接收光学系统示意图如图5所示。

图5 接收光学系统等效光路图Fig.5 Ray－tracing diagram of the receiving optical system

光学系统焦距、通光口径以及激光发射单元所需功率等参数影响到引信探测距离指标，其计算过程较为复杂，使用光学系统焦距公式［7］、激光引信探测距离公式和放大器输出信号电压公式进行计算［8］，计算过程略。

2.3 回波信号预处理单元

回波信号预处理单元要实现的功能主要有三点：为APD探测器提供偏压模块，对光电转换后的弱电信号进行放大，对放大后的电信号进行阈值比较。

由于采用的16元线型APD探测器，16元光电转换过程为同时进行，且弹目交会过程在实际中为一次性高速运动过程，因此对信号处理的时间要求很高。根据以上特定使用环境，预处理单元采用16路高速并行独立处理，节约时间的同时，也降低了设计难度，其原理框图如图6所示。

通过大量的验证试验与调试，在电路原理的基础上进行小型模块化设计，运用于样机上的预处理模块在实现基本功能的前提下，成功抑制了各种干扰，16路并行放大电路间串扰少，响应快，高带宽和信噪比高，为图像处理单元提供了有力保障。

图6 高速并行预处理单元原理图Fig.6 Principle of the high－speed preprocessing system

2.4 图像处理单元

图像处理单元简单来说可分为三大部分：图像获取，目标图像生成，目标识别。其工作方式根据课题研究的需要分为正常工作模式、图像采集模式、时钟频率调整。正常工作模式是保证引信样机在没有计算机控制时使图像处理板具有独立工作能力。图像采集模式只采集图像数据（即只生成目标图像），不进行目标的识别处理，该模式下采集到的目标图像直接传送到计算机，输出图像的行数取决于计算机的存储空间，以便设计人员作课题研究。时钟频率调整是调整外部数据采集的时钟频率，实现多种不同频率的输出。

信号处理单元以周向192路并行处理，因此，每次得到的图像信号为一行192个像素点的二值数据组，每个像素点得到二值化的0／1值，且持续工作。随着时间的推移得到N行192元的数据集，目标图像生成模块将N行192元的数据集按时序进行排列组成，形成目标二值图像。

3 仿真与试验

为了验证设计方案的合理性及主要技能指标，主要从软件仿真和内、外场飞机模型实测两方面对原理样机进行了试验。

软件仿真是对图像处理单元的功能性验证，包括图像捕获、图像生成以及目标识别算法三方面的初步评测，图7所示弹目交会条件为侧向正迎头得到的仿真图像，此图实际是以0／1二进制代码表征对应像元是否探测到回波信号，图中的一列表示交会过程中探测到的行图像，多列行图像最终组成一幅完整的目标二值图像。

成像探测试验是验证引信样机的成像探测功能，分别在内场和外场对两种尺寸的模型（小目标和大目标）进行了成像探测。

图7 仿真获得的二值图像Fig.7 Bi－value image obtained from the simulation

大目标为“长空一号靶机”，试验场地为外场开阔地，悬挂高度为4m左右，静止不动。将固定有引信样机的小车放置于滑轨上，推动小车从模型下方快速通过进行成像探测，图8（a）为捕获到的靶机图像，受限于靶机的体积、重量、悬挂方式，可模拟的交会姿态很有限，为进一步验证，进行了小目标模型成像探测。

小目标为某型战机的缩比模型，试验场地为内场暗室，根据战机真实尺寸所占探测视野角度计算，将缩比模型悬挂于引信样机上方0.5m左右，引信样机固定于置物台上静止不动，推动模型从样机上方掠过对其进行成像探测，图8（b）为捕获到的小目标图像，此方式很容易改变模型的悬挂方式以及掠过样机的方位，从而模拟出不同的交会姿态，以得到不同姿态的图像。

图8 成像验证试验及捕获图像Fig.8 Verification experiments and the captured images

同时，还进行了必要的探测距离试验和抗阳光干扰试验。

探测距离试验是以单象限收、发系统对直径1 m的“标准球”进行距离探测。“标准球”悬挂于样机探测场上方，由设备读出接收到的放大电压信号，不断升高“标准球”的高度，直到设备读出的电压信号刚好为设定的阈值电压，此时测量出“标准球”与引信样机的距离即为探测距离。试验数据显示，探测距离超过8m，而提高激光器功率或适当降低阈值电压，均可进一步提高探测距离。

抗阳光干扰试验是选在晴天、无云天气，下午2点多的时候进行，将引信样机探测窗口正对太阳方向，样机与太阳之间无任何物体时得到图9中第1幅图像，图像全黑表示未探测到任何物体；图9中第2、3幅图像，是在同等条件下，在引信探测窗口上方置一钢笔粗细的长木条，沿探测窗口前后快速旋转移动，所捕获的图像，白色块是捕获到的长木条运动图像，由于是间歇性的前后快速旋转移动，一幅图像在探测时间内多次经过探测窗口，捕获到多次运动图像，由此对比可以看出，阳光背景对样机成像没有任何影响。

图9 抗阳光干扰试验的捕获图像Fig.9 The captured images of anti－sun experiments

4 结论

本文提出使用APD阵列探测器实现激光引信成像探测的方法。该方法运用弹目相对运动逐行对目标成像，激光发射单元为引信提供主动光源照射目标，激光接收单元将目标被照射部位的回波光信号汇聚到APD探测器光敏面，光敏面将得到的光信号光电转换为电信号，信号预处理单元和图像处理单元对电信号进行实时处理得到行图像。通过样机验证试验表明：引信周向分辨率达到192元；探测距离超过8 m；捕获的飞机模型图像轮廓清晰、形体特征明显，使用特征识别算法对上千幅不同交会姿态目标图像进行识别验证，正确识别率达到90%以上。

轮廓识别易受相似形体干扰，二维图像对于精细化探测，识别特征信息相对单一，因此本方案未来的研究方向是通过优化相关部组件，完善信号处理单元功能，在二维轮廓图像的基础上增加回波强度、目标距离等特征信息，经初步论证，本方案向多维成像探测发展有很高的可行性。

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