用于航天器振动测量的激光雷达微弱信号提取技术

陈胜哲，景艳红，任 宁，张佳宁，祝 伟

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

目前，微振动扰动源普遍存在于航天器飞行任务中[1]，航天器部段结构的地面试验或飞行中引入的微振动对飞行器工作状态及关键部段性能、寿命可能产生极大影响[2]，在一定范围内制约了航天器高精度高敏感度数据获取。随着航天技术的发展，弹箭上微弱振动信号精确测量——振动信号在一定范围内属于微位移信号，不仅是全面了解航天器工作状态的重要技术支撑，同时也是开展可靠性增长研究及高精度获取振动遥测参数的关键技术[3]。

在激光雷达振动测量系统（即激光振动/微位移探测仪）中，从包含了瑞利散射、拉曼散射等丰富信息的回波中提取更精细的振动幅值位移信息，为准确提取遥测振动或地面试验的振动信号，需要对该复合回波中的拉曼散射信号进行准确测量并提取。拉曼散射强度为复合回波信号入射探测器光强的10-11～10-6倍[4]，属微弱信号探测。此外，由于用于航天振动测量的激光雷达光学系统中杂散光的存在，即混杂在复合回波光束中经该激光雷达系统光路折反射到达像面的有害、非目标光束，也会对遥测振动微弱信号探测系统存在极大干扰。理论上，杂光又可分为外杂光和内杂光：外杂光主要有瑞利散射光和荧光，内杂光则为来自分光器或光栅多级衍射的光散射，不含器件表面反射。激光振动/微位移探测仪的精细化测量（振动幅值位移量测量）对杂散光抑制和微弱信号提取水平有较高要求。为实现上述要求，需要对激光振动位移探测系统的杂散光开展分析并进行抑准，在准确获取微弱振动信号的基础上，采用适当的方法降低背景干扰。

国内外对于杂光测量、计算与分析、抑制等研究均已相对成熟，目前基于杂散光的研究广泛应用于各类大型空间光学系统[5]：如中科院安徽光学精密机械研究所采用遮光罩和挡光板对中红外平面光栅光谱仪系统进行杂散光分析[6]；中国科学院长春光机所针对新型便携式中阶梯光栅光谱仪的光学设计与消杂散光进行研 究[7]。但均未从振动测量系统总体设计角度出发，区分性研究每部分在微弱信号提取中可实现的贡献与权重。本文针对属于微弱信号探测的小型化激光微位移（振动幅值）测量系统的微弱信号提取进行了综合分析。

1 微弱振动信号提取理论依据

1.1 拉曼回波方程

理论上，激光雷达的拉曼散射电压回波方程[8]，如式（1）所示：

式中z为距离待测振动目标的直线单程距离；Vg(z)为待测振动目标回波电压；Ng(z)为入射光子数；为待测目标的表面散射系数；σ（z′,λ）入射光的散射截面面积；σ（z′,λg）为被测振动目标的散射截面面积，正相关于对应待测目标的散射面元辐照亮度；CA(λg)为被测目标的校准系数。

1.2 信噪比

激光雷达拉曼散射信噪比方程[8]，如式（2）所示：

式中Ns（z）为被测振动对象的回波光子数，与Vg(z)存在正比例关系。M为累积激光脉冲数；Nb为背景噪声即外杂光和内杂光；Nd为白噪声等电噪声。

分析上述待测振动目标回波电压公式中的主要物理量，同时结合待测目标散射面元散射返回的辐射亮度以及入射激光雷达光学系统的辐射照度比值可知：微弱振动位移信号获取可通过孔径光阑对杂散光的控制、圆锥型光学陷阱对零级衍射光的控制等方法实现；通过分析上述待测振动目标激光雷达回波信噪比公式中的主要物理量可知，飞行中或地面试验中微弱振动位移信号获取可通过电磁屏蔽设计以及探测器噪声分析实现。

2 微弱信号提取方法

2.1 优化孔径光阑

激光振动微位移探测仪内部的光谱仪由于入射数值孔径与准直镜数值孔径不匹配导致大量入射光线入射到光谱仪内部，上述光线经过光谱仪内壁和辅件多次反射和散射会再次进入分光系统，最终比较集中地到达探测器且与所需探测对象信号能量相当。对此在光谱仪狭缝后设计优化孔径光阑，预先将大角度光线散射掉，保证系统入射能量的同时避免大角度散射光进入探测器像面。降低光通量阈值，图1a 为无光阑设置状态（照度为8057 W）下激光雷达探测器接受被测目标的表面辐照度分析，图1b 为有光阑设置状态（照度为7332 W）下激光雷达探测器接受被测目标的表面辐照度分析，两图的纵坐标为色度坐标为归一化的探测器表面辐照度强度，在图1a 中出现辐照强度为e-3量级的杂散光，根据式（2）可知，杂散光作为背景噪声Nb的一部分会直接降低系统信噪比，而影响测量效果；当设置光阑后，如图1b 所示，照度为7332 W 时，杂散光明显减少，提升了系统信噪比。分析表明，通过改进数值孔径可使杂散光能量（归一化后）由10-4降低为10-6，甚至消失，主要特别说明的是：该步骤对于孔径不匹配引入的直接入射杂光具有良好的抑制效果，但并不适用于探测器其余位置被动引入或主动产生的其他杂光范畴。

图1 无光阑及有光阑的小型化激光振动微位移测量仪探测器表面辐照度分布Fig.1 Irradiation Intensity on the Surface of a Micro Drift Detector of the Miniature Raman Spetrometer

2.2 圆锥型光学陷阱设计

激光振动/微位移探测仪最主要的内部杂散光来源于光栅衍射产生的零级杂光，该零级杂光经过光谱仪内壁和辅件的多次反射、散射再次产生大量杂乱光线，这些光线则沿光路进入分光系统并分散抵达探测器成像面。影响最终微弱振动信号，即微位移信号探测，因此消除光栅零级衍射光十分必要。

目前消除光栅零级次衍射光的最佳办法是在光谱仪内部设计后置挡光阑即光学陷阱，如圆锥型光学陷阱。基于圆锥型光学陷阱分别设计高度相同顶角不同（即锥度不同）的圆锥体，如图2 所示，结果表明锥度越小的圆锥型光学陷阱内表面能够吸收更多杂散光线，其杂散光消除的能力则更强。

图2 激光振动微位移探测仪光学系统子午面内光学陷阱折反射光路Fig.2 Refelction of Straylight in Merdian Plane of Receiver of Stray Light of the Lidar Optical System

2.3 探测器噪声理论分析

激光振动微位移探测仪基于测量弹箭上某部段结构体表面的微位移解算该处振动信息，特别针对常规传感器不具备安装可达性的测点以及需实现较现有常规传感器更高精度（优于10%F.S.）振动测量的测点。上述这些测点均具备复杂环境背景的特征，在复杂环境条件下激光雷达微弱振动信号/微位移信号回波检测极易受环境噪声和背景噪声的影响。同时，由于弹箭上待测目标与激光雷达系统安装位置坐标之间存在相对位移，这也要求激光振动微位移探测仪需具备捕捉待测目标较大范围动态特征的能力，在有效测量量程区间内对待测目标有较高的探测灵敏度。因此，除通过孔径光阑设计控制进入激光雷达光学系统的杂散光、合理化光学陷阱设计外，还需激光雷达的光电探测器的光敏表面灵敏度均匀、其量子效率稳定且具有高频响应的能力，以及激光雷达的后端接收电路部分可实现较大动态线性范围响应的能力。

激光雷达在接收来自弹箭上含有探测目标振动信息的拉曼后向散射回波的同时，还受激光雷达光电探测器暗计数噪声、环境背景辐射噪声以及其他后向散射噪声等诸多类噪声的干扰[9]。理论上，激光雷达的光电探测器噪声主要分为散粒噪声与热噪声，高频工作时，光电探测器主要噪声来源为散粒噪声。其中散粒噪声主要由信号光Nb1、背景光Nb2和暗电流Nd组成：:

式中β（z）为激光雷达系统测量过程中接收的其他后向散射截面积；η为激光雷达系统光电探测器探测面的量子效率；Pb为激光雷达系统测量过程中环境背景光强度；θ为激光雷达系统光学系统中光学天线的接收视场；Δλ为激光雷达系统光学系统中分光系统半宽度；N CPS为激光雷达光电接收探测器的暗计数速率；λ为激光波长；h为普朗克常数；Δt为光子计数器的采集时间；Ar为光学天线的有效面积。

振动回波光电信号进入由放大器与光电倍增管结合而成的激光振动微位移探测仪的采集系统。根据式（3）至式（5），采集系统选择线性度好、灵敏度高、响应速度快、暗电流小、线性范围大的光电倍增管作为激光雷达的信号探测器，以满足具有信号波动大、探测时间短等特征的微弱振动/微弱微位移的激光雷达回波信号。为确保能够可靠探测并成功提取到仅占全部回波信号的10-11～10-6倍的振动回波信号，可通过将光电倍增管的输出端连接于电流信号放大器上，实现电流μA 级信号向电压mV 级信号的转变，将有利于提升弹箭上振动信号/微位移信号的获取精确度[10]。

理论上，当较微弱的光信号进入光电二极管时，一般可认为热噪声干扰对光电二极管探测能力影响较大。当不存在外场作用时，电子在导体和半导体中无规则热运动，没有电流；但由于涨落作用的存在，相向运动的电子总数不尽相同，此时，在导体和半导体中出现噪声电压，噪声电压均方值为

式中K为波尔兹曼常数；T为二极管内材料上的温度；R（f）为探测器中电阻随频率变化的关系。

通过式（6）可知，激光振动微位移探测仪探测系统噪声的来源是检测电路带宽及其温度。由此，利用降低探测器工作温度、控制检测电路带宽可实现抑制噪声，进而实现信噪比的提高。

2.4 电磁屏蔽

在用于航天器振动信号测量的激光雷达光电检测电路中内部电路噪声与外部扰动同时存在。根据电磁场理论，当电磁波在导电介质中传播时，其场量振幅以指数规律随传输距离的增加而衰减；同时结合能量守恒的观点，当电磁波在导电介质中传播时，能量随传输距离的增加衰减。针对良导体材料，利用趋肤效应，可有效阻止高频电磁波的透入；反之，处于金属屏蔽壳内，由设备或元器件产生的电磁信号也不会透出金属壳，影响外部设备。

电磁屏蔽是抑制干扰、减小噪声、增强设备可靠性、提高产品信噪比、提升产品质量的重要方法。用于航天器振动信号测量的激光雷达光电检测电路中使用声光调制器，其调制频率为100 MHz，一方面为防止电磁耦合对光电二极管的影响，根据电磁屏蔽设计理念，将其置于屏蔽盒内，从而减小电磁干扰；另一方面，为减少外部干扰，将光电探测器放大电路、滤波电器与偏置电路放在屏蔽盒中，提高信噪比。此外，为保证放大器输出信噪比最大，前置放大器与其输入电路还应进行噪声匹配设计。

电磁屏蔽的设计理念长期存在与航天弹箭上产品上，因此对于用于航天器振动测量的激光雷达系统该方法属于必备的基本属性，对微弱信号获取的影响及微弱信号提取优化此处不再赘述。

3 结 论

本文从激光雷达拉曼散射回波电压方程和信噪比方程入手，提出了基于激光振动微位移探测仪微弱信号提取的4 种技术手段：a）对激光振动幅值位移测量系统的杂散光进行了分析，在研究了孔径光阑对杂散光的影响后，重点分析了光栅零级次衍射光产生的内部杂散光；b）对常用的圆锥形光学陷阱的杂散光收集效率进行了简要说明,并得出在消除杂光能力方面，同样深度的光学陷阱口径越小时顶角越小，其能力越强；再次分析了激光振动微位移探测仪接收系统中的噪声来源，提出了减小系统噪声的方法；c）为降低高频效应的不利影响，给出了基于电磁屏蔽降低外界干扰的方法。上述技术措施对全面了解航天器工作状态、开展可靠性增长研究及获取高精度振动遥测参数均具有理论指导意义。