主动式激光光幕测速系统天幕干扰抑制方法*

韩英杰， 赵冬娥, 张 斌， 张大舜， 孟凡军, 褚文博

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中国兵器工业集团第五十五研究所，吉林 长春 130000)

0 引 言

主动式激光光幕测速系统具有无需合作目标、易调节等特点，因此得到了广泛的应用[1～4]。但在试验过程中发现主动式激光光幕测速系统在天空背景光很亮时，会受到天幕的干扰，导致主动式信号输出质量与灵敏度变差，影响测试精度和系统可靠性。

本文针对系统的接收光能量影响因素进行分析研究，通过增加狭缝光阑减少进入探测器的天幕杂散光能量，调节狭缝光阑的相对宽度、位置等方法，有效地抑制天幕影响。

1 主动式激光光幕测速系统工作原理与天幕干扰

1.1 目标探测原理

主动式激光光幕测速系统采用非接触式区截测速原理，图1为系统总体结构图。探测的基本原理是当目标依次穿过起始光幕和截止光幕时，激光光束在弹丸表面发生散射，散射光信号经光学镜头会聚到探测器，经信号调理电路处理，获得过靶信号波形。最后，上位机通过数据采集卡，选取过靶波形特征点，计算目标通过两光幕的时间间隔T，通过准确测量两光幕之间的距离S，由速度计算公式即可获得目标物体的速度。

图1 测试系统结构

1.2 天幕干扰机制

当天空背景光很亮时，主动式激光光幕测速系统的输出信号幅值小，且存在噪声干扰，严重时甚至会捕捉不到弹丸过靶信号。当弹丸进入激光幕时，弹丸散射激光光束使得探测器表面接收到光通量增加而产生相位为正的弹丸过靶信号，如图2(a)所示。天空光经光学变换形成天幕，弹丸经过天幕时，遮挡部分天幕，使得探测器接收到的光通量减少而产生相位为负的弹丸过靶信号，如图2(b)所示。

图2 系统光学原理

天幕产生的信号与主动式激光光幕产生的信号相位相反，将不可避免影响弹丸过靶信号输出幅值，天空光强烈时甚至会淹没弹丸过靶信号，严重削弱了系统灵敏度和可靠性。

2 系统接收光能量分析

系统通过接收弹丸表面散射光信号来获得其过靶信号，对系统接收光能量进行分析，可为接收光学系统的改进提供依据。

系统经光学变换形成的天幕与主动式激光光幕测速系统的激光光幕重合，系统探测器表面接收光能量为弹丸散射光能量与弹丸遮挡天空背景光能量的差值。

对于弹丸散射光能量可根据接收光回波功率计算理论模型[5]，假设弹丸为Lambertian体，线型激光所形成的有效光幕范围内，激光辐射强度是均匀的。弹丸表面散射激光亮度B为

(1)

式中ρ为弹丸表面反射系数，Ie为激光的辐射强度(单位立体角内辐射功率)，T1为大气透过率，H1为激光器和弹丸的距离，Pe为激光输出功率，ηe为发射系统效率，a为光幕在H1处的厚度。则探测器表面接收到散射光功率Pr为

Pr=B·ηr·T1·At·Ω

(2)

对于弹丸遮挡天空光能量，由光学透镜成像可知[6]，探测器光敏面辐照度为

(3)

式中Ee为探测器光敏面辐照度，τ为镜头透过率，L0为天空辐亮度，F为镜头光圈数(F=f/D)，f为透镜焦距。

则弹丸所遮挡光能量Pt为

(4)

式中Ee为探测器光敏面辐照度，s′为弹丸成像面面积。

探测器表面接收到的总的光能量P为

(5)

由式(5)可以看出，天空背景光经光学变换形成的天幕对探测器接收到光能量有削弱作用，当激光器、镜头等参数确定时，探测器表面接收到总光能量与天空辐亮度L0，探测器接收成像面面积s′成反比，在天空很亮及探测器接收成像面面积较大时，天幕将严重影响主动式激光弹丸测速系统的输出信号。

3 天幕干扰抑制方法

由于天幕光的存在，严重影响测试系统性能，在已有光学系统基础上，采用增加狭缝光阑的方法削弱天幕光对主动式信号的干扰。光阑是光学系统中能够限制成像大小或成像空间范围的元件，主要用于调节通过的光束的强弱。狭缝光阑能够限制目标弹丸到达探测器光敏面成像的大小。狭缝光阑能够同时限制弹丸散射激光和弹丸遮挡天幕光进入探测器表面，狭缝光阑的选取既要满足抑制天幕光的作用，而且不能影响主动式信号输出。

3.1 狭缝位置

狭缝所在位置影响光电探测器接收光能量的多少。物镜与狭缝经光学变换形成一个扇形的有一定厚度的视场面，光学镜头汇聚视场面内光线的光能，在焦平面内成像，且焦平面前后都形成弥散的光斑。弹丸在距离光学镜头有限远距离H1上通过激光光幕，激光在弹丸表面发生散射，镜头汇聚弹丸表面散射光，在离开焦平面X′的平面内成清晰影像，其他平面内影像是模糊的。

狭缝放置的位置有两种情况：位于弹丸的成像平面上或成像物镜的焦面上。如果狭缝位于弹丸的像平面上，虽然成像清晰，但是由于存在离焦量(成像面距离焦平面的距离)X′，则弹丸散射光线经成像物镜后将在像平面内形成弥散光斑Φ，由于弥散斑存在,有一部分光能被狭缝遮挡，减少投射到光电器件上的光能，且激光器和弹丸的距离H1越小，离焦量X′越大，损失越大

X′=f2/(H1-f)

(6)

Φ=X′·D/f=(f·D)/(H1-f)

(7)

如果狭缝位于焦平面上，弹丸散射激光光幕的光线汇聚在狭缝窗口内，虽然运动物体所成的影像是模糊的，但探测器能够接收到的散射激光的光能效果是相同的，与位于其他平面内相比没有光能的损失。狭缝始终位于成像物镜焦平面内，则探测器表面接收到的光能最大，信号幅值也最大，有利于探测，如图3所示。

图3 狭缝光阑位置示意

3.2 狭缝宽度

由式(5)可知，当接收光学系统一定时，探测器接收到挡光成像面面积s′越小，弹丸遮挡的光能量越小，即对主动式信号输出影响越小。当弹丸通过系统有效靶面时，经透镜成像在探测器光敏面，弹丸散射激光所成像为弹丸被线型激光器照亮部分的轮廓，遮挡天空光所成像为弹丸遮挡天空光部分的轮廓。如图4所示。

图4 弹丸成像示意

图5 探测器光敏面弹丸成像示意

假设激光光幕在H2处厚度为a，d为弹丸弹径，根据图5分析可知：弹丸散射激光成像面面积为

s1=a·d·β2

(8)

β为放大率，由高斯公式可知

β=f/(H2-f)

(9)

设天幕在H2处的厚度为a′(a′小于或等于弹长)，根据图5分析可知：遮挡天空光成像面面积为

s2=a′·d·β2

(10)

对于线性激光器而言，在有效高度范围内光幕厚度a一致，而天幕厚度a′ (a′=b/β)随狭缝宽度b变化而变化。将式(8)～式(10)代入式(5)可得

(11)

由式(11)可知，当弹道高度一定时，狭缝宽度b=aβ=af/(H2-f)时，探测器表面接收到的总的光能量P为最大，此时天幕厚度等于激光光幕厚度，天空光对主动式信号输出影响最小。

将系统各参数代入式(11)可得出在不同狭缝宽度条件下，弹丸通过有效靶面时，有效弹道高度(200倍弹径)与探测器接收到光能的关系。在不同天空光背景亮度条件下，10 mm弹丸在不同弹道高度通过激光幕探测器接收能量分布。如图6所示分别为10,30,70 W/(m2·sr)天空背景亮度条件下，探测器表面接收能量与弹道高度间关系。

图6 不同天幕亮度下探测器表面接收能量分布图

从图6中可以看出，在不同天空辐射强度下，激光幕探测器表面接收能量与弹道高度变化趋势基本一致，天空亮度越大，天幕对激光幕信号衰减越严重；随着弹道高度的增加，天幕厚度不断增大，天幕对激光幕影响越大；当天空亮度增大到一定程度时，天幕将淹没激光幕信号，如天空亮度为70 W/(m2·sr)时，当弹道高度大于2 m时，狭缝宽度大于0.2 mm时天幕信号能将激光幕信号完全淹没。

随着弹道高度变化，不同狭缝宽度条件下，天幕亮度为10，30，70 W/(m2·sr)时天幕对激光幕信号衰减幅度比例如图7所示。

图7 天幕对激光幕信号衰减幅度比例

从图7中可以看出，由于天幕信号衰减速率与弹道高度成反比，而激光幕信号衰减速度近似与弹道高度三次方成反比，因此随着弹道高度增加，激光幕信号衰减越快，天幕对于激光幕影响越大。室外大部分条件下，当弹道高度超过2 m时，激光幕信号衰减已经较为严重，狭缝宽度越宽，激光幕受天幕影响越大，激光幕探测灵敏度越低，为保证常用弹道高度，天幕亮度较弱，狭缝宽度较小时，激光幕受天幕影响较小，且在一定程度抑制天幕信号，但狭缝宽度过小，激光幕衰减较为严重，降低探测器灵敏度。

由天幕对激光幕影响程度曲线可以看出，当狭缝宽度大于0.2 mm时，天幕对激光幕衰减幅度较大，当狭缝宽度小于0.1 mm将使得激光幕信号衰减严重，因此综合考虑系统将狭缝宽度设置为0.15 mm，在该狭缝宽度下，激光幕在常用弹道高度1.2～1.5 m受天幕影响较小，且信号幅值最高。

4 试验验证

在室外晴朗天空，天空亮度一致条件下，用10 mm气枪弹，对系统进行了验证试验。图8是未加狭缝光阑与增加狭缝光阑后弹丸过靶信号输出波形图。由图中可以看出增加狭缝光阑后可以有效抑制天幕影响。

图8 1 m处改进前与改进后弹丸试验波形

表1给出了不同狭缝光阑宽度条件下，弹丸不同弹道高度过靶信号测试数据及分析结果。

表1 不同狭缝宽度弹丸过靶信号测试数据

为减小弹道不一致带来的误差，表中每组数据幅值大小均为10发弹丸过靶信号的平均值，由表中数据可以看出，在0.5 m高处，信号饱和，此时可以降低系统增益；狭缝宽度为0.05,0.1,0.15 mm时，才能满足有效测试范围为200倍弹径要求；在同样的弹道高度，狭缝宽度为0.15 mm时，弹丸过靶信号最大，即在0.15 mm时，系统的灵敏度最高。

通过以上测试结果可知，当狭缝光阑位于焦平面，宽度为0.15 mm时，能有效抑制天幕的影响，提高了系统的灵敏度和可靠性。

5 结 论

1)根据实验数据及系统光学结构数学建模，分析、判断出主动式激光光幕测速系统采集到的波形，信号输出小甚至没有信号是天空背景光经过光学变换形成天幕干扰引起的。即弹丸过靶时遮挡天幕产生的负脉冲信号抵消了弹丸散射激光产生的正脉冲信号，天幕产生负脉冲信号强度与天空的亮度，弹丸在光电探测器光敏面成像的大小等参数有关。

2)根据系统光学结构相关参数设计了可调狭缝光阑对天幕光进行抑制。在增加狭缝光阑后对系统进行了试验，试验结果表明：当狭缝光阑位于系统焦平面，宽度为0.15 mm时，天幕抑制效果最好。