激光周向探测系统回波功率建模和信噪比分析*

卢莉萍，张晓倩，张 艳，魏 飞

（1.西安工业大学计算机科学与工程学院，西安 710021；2.西安工业大学电子信息工程学院，西安 710021）

0 引言

随着战场环境变得越来越复杂，研究更加高效毁伤的智能弹药，是未来智能导弹作用效能的重要体现。对于常规导弹，一般都是采用不同波段的收发机理形成的末端制导效应。通过发射装置发射不同频率的信号，若发射的信号探测到目标，被毁伤目标表面将探测到的目标信号反射至接收装置，接收装置通过信号转换处理模块输出目标信号，根据输出的目标信号作为控制起爆装置的判定依据，以达到近程弹目交会作用下的目标毁伤。在现有的研究中，冯涛等通过引入多象限高灵敏度光电探测接收器，增加了探测视角，进而提高了导弹的探测能力，同时，光路的接收孔径也可以做得更大，利于光电探测系统接收目标的回波信号，提高了导弹制导探测的灵敏度。徐孝彬等根据光电探测器的响应度、输出光电流、目标特征等，研究了光电探测系统在不同偏压下的信噪比；陈杉杉等根据目标穿过扫描区域的最大时间，建立了系统的捕获率数学模型；钟昆等对水下目标展开了研究，建立了水下目标回波能量模型。这些文献涉及的光电探测系统，都从不同角度对光电探测系统开展了研究，但是，对探测系统中采用多个发射装置形成的探测信噪比建模与分析描述还是比较少；同时，在弹目交会过程中具有随机不确定性，要求导弹光电探测模块在极短的时间内捕获到目标回波信息，同时，也要求探测系统的信噪比需达到一定的阈值信噪比。为了提升弹目随机不确定交会状态下激光周向扫描探测系统的探测稳定性，本文采用三发一收的激光周向扫描探测机理，建立激光光束入射角度、激光回波能量和激光周向扫描探测系统信噪比模型的关联计算模型，并分析了不同弹目交会距离和激光光束入射角度对系统信噪比的影响，为提高导弹自身的制导探测能力提供理论分析依据。

1 激光周向扫描探测能力建模

1.1 激光周向扫描探测机理

本文研究的激光周向探测系统由3 脉冲激光发射模块和1 个光电接收模块组成，其中，激光发射模块形成激光扫描区域，光电接收模块所形成的接收视场区域覆盖了脉冲激光扫描区域。当目标进入扫描区域时，激光光束照射目标表面形成激光回波信号，被光电探测模块所接收，输送至信号处理电路，控制导弹战斗部的起爆装置。

1.2 弹目交会目标回波功率建模

图1 弹目交会示意图

图1 中，v表示导弹速度；v表示目标速度；在导弹探测坐标系oxyz中，导弹与目标的相对速度为：

则在Δt 时间内，导弹相对位移矢量s（Δt）为：

激光光束在目标坐标系的坐标为：

为了方便计算，假设目标为圆柱体，长度为L，半径为D。若激光光束扫描并能探测到目标，激光光束照射至目标表面的光斑应满足的约束条件为：

摘 要：随着社会的不断发展和教育改革的出现，小学语文教学的形式也发生了一定的变化。在当前的小学语文教学过程中，运用现代化的教学手段开展教学，能有效地提升学生的学习兴趣，激发学生的自主学习意识，促进学生形成核心素养。因此，在实际的教学过程中，教师应该充分地利用信息技术开展教学。

在脉冲激光近程探测状态下，激光光束照射在目标表面的光谱辐射亮度为：

式中，r 为光电探测模块的接收窗口半径；η为光电探测模块的光学系统透过率。

1.3 系统信噪比建模

在导弹激光周向探测系统的探测过程中，光电探测器接收的不仅有目标表面反射的激光回波信号，还有背景噪声信号。当阳光直射云层发生散射被光电探测器接收，若背景噪声信噪大于激光回波信号，导致系统的虚警概率增加。根据激光回波功率计算模型，建立激光周向扫描探测系统的信噪比计算模型，如式（10）所示。

式中，P为目标背景辐射功率；P为系统固有噪声功率；N 为系统降噪处理系数。

假设K 为玻尔兹曼常数K=1.38×10K，T为系统固有噪声等效温度，B为系统带宽，F为系统噪声系数。则系统固有噪声功率为：

将式（10）、式（12）代入式（11），则信噪比计算模型为：

为了更直观分析激光周向扫描探测系统的探测能力，利用光电信号转换电路将系统接收到的激光回波能量转换为电压信号，为：

式中，M 为光电探测器增益；η 为量子效率；e 电子电荷常数e=1.6×10C；h 为普朗克常数h=6.63×10J/s；f 为激光频率。

2 计算与实验分析

根据上述的理论模型，探测装置中脉冲激光峰值功率为40 W、脉冲激光的频率为12 kHz，光电信号转换电路的增益采用自适应控制增益方式，以使系统获得最大的探测能力，并且系统输出信号的饱和值为5 V；系统起爆装置的阈值信噪比设置为2。在实验过程中，将探测装置固定在转速可调的旋转平台，调整光电探测模块的探测视角，并保证探测系统接收视场覆盖脉冲激光扫描视场，同时，设置旋转平台的转速。假定导弹光电探测模块的坐标系为固定的，目标为圆柱形，按照不同的方式与导弹光电探测模块光学镜头的光轴形成不同交会角度；在此基础上，在第1 轮试验中，调整目标与导弹之间的距离，获得导弹光电探测模块输出目标电压信号。当目标的x轴与导弹的x轴正交，且激光光束入射角度大约为0°时，探测距离从2.38 m～5.19 m，在不同的探测距离下，系统输出目标信号和固有噪声信号如表1 所示，其中，R 表示探测距离，单位为m，V表示系统输出目标信号的幅值，单位为mV，V表示系统固有噪声信号的幅值，单位为mV。

表1 不同探测距离条件下系统输出信号

在表1 中，当探测距离为2.38 m 时，系统输出目标信号峰值基本达到了饱和，大约为4.972 V，信噪比达到了5.19；随着探测距离的增加，当探测距离增加为5.19 m 时，探测电路固有噪声基本不变，但系统输出目标信号峰值仅为1.756 V，信噪比降到仅仅为1.77。说明随着探测距离的增大，系统输出目标信号随之降低，遵循理论模型式（9）；由于系统的阈值信噪比为2，当探测距离为5.19 m 时，系统将不能探测到目标，出现丢失的现象。

在表2 中，在同等探测距离条件下，随着激光入射角度的增大，系统输出目标信号幅值随之降低；当激光入射角度为22.7°时，系统输出目标信号峰值为1.745 V，信噪比为1.83；尤其当激光入射角度达到30.1°时，此时，系统输出目标信号峰值仅为1.392 V，与系统的固有噪声已经基本接近，信噪比不足1.43；由于信噪比远小于系统设置的阈值信噪比，此时，系统已经无法输出有效的目标信号。根据系统设置的阈值信噪比，当系统输出信噪比大于阈值信噪比，此时，系统发出起爆命令，起爆机构才能起爆。

表2 不同入射角度下系统输出信号

3 结论

为了确保激光周向扫描探测系统的探测稳定性，本文采用三发一收的激光周向扫描探测机理，依据弹目交会的时空关系，结合目标表面反射特性，建立了导弹与目标距离、激光回波功率与光电探测系统信噪比关联模型，分析了导弹与目标空间随机交会对激光周向扫描探测性能的影响。结合建立的数学模型，开展模拟试验，通过实验结果验证了弹目交会距离、激光光束入射角度与系统的信噪比关联模型的正确性，并说明在相同的弹目交会状态下，目标与导弹的距离越远，系统的信噪比越低；在相同的探测距离下，激光光束与目标的交会角度越大，激光回波能量越小，系统的信噪比越小。本文的研究成果为激光周向扫描探测系统的改善设计提供了一定的理论研究依据。