强电磁环境下光纤测速系统设计

于丽霞，金 源，刘 吉，b，武锦辉，郑姗姗

(中北大学 a.信息与通信工程学院; b.电子测试技术重点实验室， 太原 030051)

武器速度参数测试技术是武器研发、制作中必不可少的环节，是对武器整体性能的检验关键技术[1]。随着现代科技的飞速发展，在复杂的电磁环境下，对弹丸速度的检测变得越来越重要。由于在特殊的时间或空间中，在某一频段范围内，多种电磁信号密集的交织、叠加从而形成了复杂的电磁环境，对信息系统、电子设备以及武器装备的使用造成非常严重的影响[2-3]。在普通的测试环境下，一般检测弹丸速度的设备如高速摄影、光幕靶、天幕靶[4]等是通过普通线缆将信号传输给上位机终端，经过有效地处理后，获取到数据。但是在复杂的电磁环境下，强电磁能够通过电缆将干扰信号耦合至正在运行的信号设备中，导致测试设备信噪比差甚至无法正常工作，因而无法有效地测量到弹丸的准确速度。因此，如何确保测试设备在电磁环境下，准确有效地测量出弹丸的速度，成为测试的关键环节。

光波是电磁波中的某一频率范围段，由于光波的频段与所处强电磁环境下的电磁波频段相差很大，因此在这一环境下的电磁波与光波两种互不影响，进而起到了抗电磁干扰的作用。因此本文提出了在强电磁环境中，基于光纤传输的测速系统，当弹丸穿过激光光幕，通过光纤收集到原向反射屏反射回的光信号，并传输到电磁隔离区的光电探测器，经过信号处理后，最终得到测试结果。该系统利用光纤采集信号并进行数据传输[6]，有效解决了激光光幕测速在强电磁环境下受到干扰造成测试数据异常的问题，提升了测速系统整体的稳定性，使整个测试过程安全、便捷。

1 光纤测速系统基本原理及系统结构

光纤测速系统测速时采用双区截装置定距测时原理[7]，依据光幕靶输出的弹丸信号，弹丸飞过起止光幕区域的时间t，且启始靶与截止光幕间固定的距离为S，可得到弹丸的速度v为：

(1)

光纤测速系统组成如图1所示，光纤测速系统由起始靶、截止靶、光纤线缆、控制箱、计算机、处理软件等组成。在强电磁环境下，测试弹丸飞行穿过光幕区，将原向反射屏反射的光信号通过光纤传输给电磁隔离区的光电探测器，通过信号处理后得到弹丸的过靶信号，使用数据采集卡将过靶信号传输到上位机，数据处理软件使用相应的算法来判别过靶信号的波形特点，选择合适的计时时刻[8]，从而得到弹丸飞行穿过启止靶的时间间隔t，利用精确测得的启止靶间的靶距S，可以得到瞬时速度值v。

2 光纤化光路结构设计

2.1 光纤化光路系统结构

通过对激光光幕测速系统的研究，提出并设计了一种基于复杂电磁环境下的光纤测速系统，它采用两个平行的扇型光幕。由激光发射器发射的光通过鲍威尔棱镜扩展成“一字型”激光光幕，激光照射到原向反射屏后，经由原向反射屏反射到鲍威尔棱镜周围设置的光纤阵列上，通过环形光纤阵列[9-10]将回光传输给光电探测器。其结构的构造是能否有效地接收到回光的重要因素,其中光纤连接器起到的作用是将光纤与光电探测器耦合在一起，目的是通过光纤将反射回的光信号更加高效率地聚集到光电探测器上，可以使光电探测器的利用率得到很大提升，图2为光路系统结构。

图1 光纤传输测速系统示意图

图2 光路系统结构示意图

2.2 激光光束扩束整形设计及仿真验证

测速过程中需要选择具有一定有效区域的靶面，但是仅仅凭借半导体激光器的出射光，很难满足测速系统的要求。所以需要选择一种可以将激光束扩展成“一字型”激光光幕的光学棱镜，同时扩展后的激光光幕不能太厚，否则会影响测速的准确性。在光学棱镜中，柱面镜和鲍威尔均具有激光扩束的能力。柱面透镜的特点是结构均匀，为透明圆柱体，但是光通过透镜时，光能分散；而鲍威尔棱的特点是结构具有一定的梯度，光束通过时，产生的光斑能量均匀。由于系统要求，本文选用的光学棱镜为鲍威尔棱镜。图3为柱面透镜与鲍威尔棱镜。

鲍威尔棱镜[11-12]的入射光束尺寸对出射光是否均匀有重要的影响。此外入射光束需要满足其尺寸大小均匀的条件，

正好适用于激光光束的特性。其鲍威尔棱镜光束扩展如图4所示。针对普通的表面形状的描述，有：

(2)

式(2)中：c是曲率；r为将透镜长度作为单位的径向坐标；k为圆锥系数，双曲线的圆锥系数小于-1，抛物线的圆锥系数等于-1，椭圆的圆锥系数在-1到0之间，球面圆锥系数为0。

图3 柱面透镜与鲍威尔棱镜

图4 鲍威尔棱镜光束扩展示意图

根据鲍威尔棱镜的特性参数并结合测速系统需求，设计了一个鲍威尔棱镜模型，它的发散角为60°；入射光为功率为150 mW、输出波长为658 nm的高斯光源，将鲍威尔棱镜导入ZEMAX中，选取材料K9。为了尽可能地符合设计的真实性，根据实验需求选取的接收面材质具有吸收特性，放置在点光源0.6 m处，并分析仿真结果。鲍威尔棱镜光路结构如图5所示。接收装置的辐照度分布如图6所示。

图5 鲍威尔棱镜光路结构示意图

如图6所示，在距离点光源0.6 m处，出射光有效长度达0.8 m，光斑能量集中的区域均匀性良好且呈线性分布,由此说明选择的鲍威尔棱镜以及光源基本可达到该测速系统的要求。

图6 接收装置的辐照度分布

3 光纤束接收系统结构设计

3.1 光纤束接收系统结构设计

激光器出射的光通过鲍威尔棱镜形成扇形光幕，选择特定的原向反射屏，将反射回的光信号传递到光电探测器上，将光信号转换成微弱的电信号，因此，如何将反射回的光更高效地收集并传递给光电探测器就成为一个需要迫切解决的问题。在进行接收系统结构的设计时，需要对下面的这几个方面进行评估。

为了使产生的靶面有足够的有效面积，需要寻找有足够大发散角的激光器,而扇形激光光幕是通过点激光的出射光经过鲍威尔棱镜一维扩束形成的，当点激光出射光的能量一定时，能量随着发散角的扩大会越分散，导致探测器接收到的光功率会越小。因此，在确保靶面有效区域足够大的条件下，还需要保证发散角处于一个合理的范围内。光束的发散角在光纤的接收角范围内时，光纤才可以将原向反射屏的光更好的接收。

由于线激光的均匀性对接收系统能否高效接收到原向反射屏反射的回光至关重要。为了保证整个有效探测区域的光束质量，对线激光的均匀性要求较高。线激光是由点激光经过一维扩束得到的，采用合理的扩束方法，可以使点激光最优化地扩束成光密度均匀、稳定性好、直线性好的“一字型”光幕。由上述可知，这里选择使用鲍威尔棱镜进行扩束。

随着光纤数值孔径逐渐增大，会提高对原向反射屏反射回的光信号的收集效率。但是如果无限制的增大光纤的数值孔径，对光纤带宽的影响也就非常大。因此，为符合光纤通信系统的需求，要求选取的光纤数值孔径要适中。通常，多模光纤的数值孔径[13]在0.18～0.23。根据本文接收系统结构的设计需要，选用的是多模石英光纤，它的数值孔径是0.21。

通过以上的分析，接收系统选取得耦合方式是激光器通过微透镜与光纤直接进行耦合[14-15]。在这里接收系统所采用的方法是：围绕鲍威尔棱镜设置了环形光纤阵列，即在鲍威尔棱镜设置5圈光纤阵列，每圈光纤的数目为40根，共计200根光纤，用以收集反射的回光。当激光经过鲍威尔棱镜形成“一字型”光幕，激光照射到原向发射屏上，经反射后接收到的光会在激光光源处形成亮光斑。接收光路如图7所示。

图7 接收光路示意图

此外，由于测试装置是针对空气中高速物体速度测试，因此必须对此测速系统的探头部分做防尘、防水设计，此处所使用的方法是：在准直器(即鲍威尔棱镜的周围)做一层封装，将鲍威尔棱镜周围的光纤阵列再做一层封装，图8为光纤阵列封装示意图。

图8 光纤阵列封装示意图

3.2 光纤束接收系统接收效率仿真验证

选用的两个圆柱分别表示光纤的纤芯和包层，实验的纤芯材料采用N-LLF5，它的折射率为1.55；包层材料使用N-BK4，它的折射率为1.53。同时将纤芯和包层的直径比例设置为1∶1.1，采用0.21的光纤数值孔径。由于需要得到的耦合效率比较高，这里采用两个透镜，通过压缩点光源的快轴和慢轴，满足了入射光斑的大小以及入射角度的要求。最后选用探测器，并分析了耦合后的光强分布，其耦合光路示意图见图9，效率仿真结果界面见图10。

将激光器的功率设置为150 mW，从图10可以得出，探测器上所得到的总功率为149.8 mW，耦合效率为99.9%，因此选取的耦合方式满足本文测速系统的需求。

图9 接收系统耦合光路示意图

图10 接收系统的耦合效率仿真结果界面

4 实验

为了验证采用功率为150 mW的半导体激光器与光纤孔径为0.21的石英光纤所构成的光纤测速系统的可行性与稳定性，本文进行了如下实验：在普通环境下，通过光纤测速系统与网靶比对检测了其光纤测速系统的可行性；在强电磁环境下，对测速系统的稳定性进行检测。图11为某实验靶道场使用光纤测速系统与网靶比对实验，表1为实验靶道场用网靶和光纤测速系统对某型号武器进行速度测试实验数据。

图11 实验现场测速系统与网靶比对实验

表1 某型号武器测试比对实验结果

测试结果表明，在普通环境下，针对某型号的武器，通过不同测速方法的比较，光纤测速系统操作简单、稳定可靠，其与传统接触式网靶测速系统相比较误差优于0.2%。

5 结论

设计了一种基于光纤传输的测速系统，根据定距测时原理，结合有效区域与产品性价比等因素，采用半导体激光光源、鲍威尔棱镜及多模光纤耦合形成激光光幕的构建方法并通过仿真优化其关键参数，进行了强电磁环境下某型号武器的现场试验。该方法在强电磁环境中能够获得测试目标的速度参数，且灵敏度高、采集速度快，达到抗电磁干扰需求。在普通环境下，光纤测速系统与网靶测试数据进行比对表明，光纤测速系统操作简单、稳定可靠，其与传统接网靶测速系统相比较误差优于0.2%。实验结果表明该测速系统可以有效地解决因强电磁的干扰引起的误触发和异常数据，使得数据分析更可靠，为以后的强电磁环境下的弹丸测速提供一种操作简单、性价比高、精度高的新思路和新方法。