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脉冲激光近炸引信鉴相体制实验误差的研究

归档日期:07-25       文本归类:激光近炸引信      文章编辑:爱尚语录

  脉冲激光近炸引信鉴相体制实验误差的研究唐海峰, 孙德刚( 深圳职业技术学院电子通信工程系, 深圳?518000)提要: 鉴于目前国内脉冲式激光定距系统的精度较低, 小于 1 米, 因而不能满足许多场合的需要, 如云爆弹定距等。本文在参考大量文献的基础上, 经过反复试验仿真, 总结出了影响脉冲式激光定距体制的几个因素, 并且提出了解决问题的措施。关键词: 激光近炸引信; 脉冲鉴相; 定距中图分类号:TN248. 1????文献标识码:A????文章编号:0253- 2743(2005)02- 0079- 02The error analysis and research on measuring distance pulsed- semiconductor laserTANG Hai- feng,SUN De- gang( Electronic Telecommunications Engineering Department of Shenzhen Polytechnic, Shenzhen 518000,China)Abstract:Presently, as to every system and principle of measuring distance of pulse laser in China whose error is beyond 1 meter,the precision of these mea?suring distance system can not satisfy some occasions, such as measuring the distance of the cloudmissile. In this paper much information referenced andmany testsdone, some factors are brought forward and analyzed which affect the precision of measuring distance in the detecting pulse phase system.Moreover several goodmethods are come up with which can reduce the errors of the measuring distance of this principle.Key words:laser peoximity fuze; pulse quadruplex; distance measurement收稿日期: 2004- 04- 051?脉冲激光器的鉴相体制近程探测误差分析??在脉冲式激光近程探测系统中影响定距精度的因素主要有四个: 目标回波幅度变化对定距精度的影响; 系统固有延时对定距误差的影响; 鉴相器引起的定距误差; 激光器与目标相对运动引起的误差。其中系统的固有延时误差和鉴相器建立和保持时间引起的误差是由系统和芯片自身决定的, 它们引起的误差是在选择芯片时就决定了误差大小。目标回波幅度变化引起的误差和激光器与目标相对运动引起的误差则是由系统的处理电路部分决定的, 下面对这两种误差进行分析。1. 1?目标回波幅度变化对定距精度的影响由激光近程探测作用距离方程式Pt?t?rK( R) e- 2? R ArPr=!R2( 1)??式中 Pr? 接收功率; Pt? 激光器发射功率;?t? 发射光学系统效率; ?r? 接收光学系统效率; K( R) ? 发射视场与接收视场部分重合造成的衰减; ? 目标反射率; ?? 大气衰减系数; R? 到目标的距离。可知, 探测距离与目标反射系数成正比, 与弹目距离的平方成反比。近程探测的目标种类非常多, 各种目标光学反射特性差别很大。特别是对地面目标时, 情况更为复杂, 作用目标包括土地、 草地、 混凝土、 雪地、 灌木等, 且随着激光器接近目标时发射机发射光束与目标法向所成的角度不同, 反射率也有差别, 一些典型目标的反射率及其随角度变化, 最大反射率与最小反射率之比能够达到十几倍, 甚至几十倍。另外, 当激光器在逐渐接近目标的过程中, 弹目距离的变化,对目标回波幅度也将造成很大的影响, 这种距离变化对定距精度的影响在要求作为距离分档可调的激光探测中尤其严重, 例如当要求作用距离 1~ 10m 可调时, 对相同目标回波幅度的变化达到 102/12= 100倍。当激光引信接收机使用简单的固定阈值探测电路时, 激光脉冲的有限上升时间以及目标对脉冲的展宽将引起定距误差。有限上升时间使得当回波脉冲幅度较高时, 在脉冲上升沿的较低点达到触发阈值电压, 造成定距距离偏小; 而当回波脉冲幅度较低时, 在脉冲的上升沿的较高点才能达到触发阈值电压, 造成定距距离偏大。如图 1 所示。由简单的几何关系可推导出触发点时间差异与脉冲上升沿和脉冲幅度动态范围之间的关系:t = t2- t1= K1 K2 tr(2)式中: K1=541-1#; K2=Vre fVP- min; #=VP- maxVP- min (3)??式中#? 最大回波峰值与最小回波峰值之比, 称幅度比值系数; Vref? 阈值电压; VP- max? 回波脉冲信号峰值最大值;VP- min? 回波脉冲信号峰值最小值。由#定义有#? 1, 0 K1 1。且当# 10 时, 可近似认为K1= 5/4, 可见在实际的系统中如果未使用增益调整或阈值调整措施, 对定距误差造成的影响与脉冲上升时间大致相当。所以, 在发射激光脉冲上升时间较长的场合, 这一项误差将变得较大, 成为重要的误差源。图 1?回波脉冲幅度变化对定距精度的影响1. 2?激光器与目标相对运动引起的误差在激光近程探测应用场合, 激光发射器与目标之间存在较高的相对运动速度, 这将给定距带来误差, 单脉冲测距情况下的定距误差可由下式表示: R =2Rv + c v(4)??其中 v 为弹目相对运动速度, c 为光速。通常发射器与目标运动速度远小于光速, 即 v c, 因而 R 非常小( 微米量级) , 对激光探测可忽略不计。但是当使用多脉冲接收技术时( 包括双距离门检测接收和多脉冲积累接收) , 这一误差项迅速增大, 成为如下形式: R ! n1PRF vpj(5)??其中 n为累积探测次数; PRF 为激光脉冲重复频率。按照式( 5) , 设弹目相对运动速度pj= 100m/s; 积累脉冲数 n=100 次, 如果要求达到小于 1m 的定距精度, 由式( 5) 可得 PRF 1KHz。但是在实际的脉冲式鉴相体制中, 采用双距离门方法脉冲积累数远小于 100, 如果距离门的取 1m, 在脉冲频率为1KHz时, 按理论在距离门里的脉冲个数为 6 个, 在识别电路若接收到4 个脉冲信号认为是有效信号, 即认为是有效目标这样可以要求 PRF 的大小在 1KHz 左右。2?减小回波幅值变化对定距精度影响的方法??根据这种误差产生的特点, 结合式(3)的结果, 可以从两个不同的方面采取措施予以减小, 一种方法是采用具有陡峭79??激光杂志#2005 年第 26卷第 2 期????LASER JOURNAL(Vol. 26. No. 2. 2005) 上升沿的激光脉冲, 这需要从激光脉冲电源性能的改善着手。当使用的激光脉冲电源性能受到限制, 不能达到非常陡峭的上升沿时, 或者即使脉冲上升沿足够陡峭, 但由于接收机带宽限制, 放大级输出脉冲的上升时间也不可能太短。因此, 必须从回波脉冲触发点与阈值电压的关系的角度采取措施。从式(3)看来, 减小 K2的值, 即降低阈值电压可以达到减小定距误差的效果, 但实际上 Vref的设置受到信噪比的限制, 若设置过低, 虚警率上升。实际可以采用的方法有如下三种:(1) 可变增益?? ? 固定阈值触发方法: 原理如图 2 所示。这种方法主要靠调节主放大器的放大倍数来调节回波脉冲的输出电压幅度, 主放大器的增益由脉冲幅度检测电路和增益调整电路完成, 当回波幅度较大时, 控制主放大器减小增益, 而回波幅度较小时, 则控制主放大器加大增益, 结果使得无论回波脉冲能量大小, 主放大器的输出信号幅度基本上保持不变, 这时只需使用固定阈值整形电路, 就可保证峰值功率变化较大的回波脉冲基本上在脉冲上升沿的相同点触发。图 2?可变增益- 固定阈值触发方法原理框图图 3?半功率点可变阈值独发方法原理框图(2)半功率点可变阈值触发方法: 原理如图 3 所示。这种方法中主放大器的增益是固定的, 放大后的脉冲经脉冲峰值检测器检出脉冲信号的峰值电压, 为得到半功率点, 再乘以一个系数 0. 707(即峰值电压下降 3 分贝点)即可得到新的阈值电压。采用这种方法通过调整阈值电压也可保证回波脉冲基本上在上升沿的相同位置(半功率点) 触发。由于工作速度的限制, 以上两种方法本质上都是基于预测的, 即使用对上一次回波脉冲峰值的检测值调整主放大器增益或改变比较器阈值电压作为本次信号处理的参考值。在激光脉冲重复频率足够高的条件下, 激光发射器与目标之间距离变化的连续性使得这种基于预测的调整方法是合理的, 引起的误差基本上可忽略。这两种方法电路构成相对复杂, 特别是高速脉冲峰值的检测, 电路的设计和调整都比较困难。(3) 对数放大方法。原理如图 4 所示。这种方法使用高速对数放大器作为主放大器(要求对数放大器有较快的上升时间) , 对数放大器具有压缩信号动态范围的能力。其作用相当于一个增益自动变化的放大器, 使最终输出的回波脉冲基本上保持大体相同的电压幅度, 当然脉冲上升沿的触发位置也基本相同。这种方法的特点是实时工作, 不需要预测。另外, 电路结构简单, 使用元器件较少。但是, 在使用这种放大器时要特别注意信噪比的问题。值得注意的一点是; 通常的视频放大器在饱和的情况下, 其内部延时将相应增大, 且延时量随饱和程度而变化, 这将造成系统延时的变化, 导致额外的定距误差。图 4?对数放大方法原理框图3?仿真结果分析由于篇幅原因, 这里只对对数放大器法的试验结果进行分析。使用对数放大器作为主放大器, 可以克服回波脉冲幅度在很大的动态范围内变化的问题。且这种调整是自动的且是实时的, 不需要额外的控制电路参与, 可以大大的简化系统结构。而一般的 AGC 电路则要在主控制器的参与下,按照一定的预测算法通过 DAC 或数字电位器对增益进行控制。图 5是对数放大器性能的仿真曲线, 输入的电流信号( 模拟 PIN 光电探测器输出) 前放放大后进入对数放大器, 上图为输入的电流信号, 把纵坐标取为对数坐标, 可见输入信号的动态范围接近 50dB。下图为输出信号, 可见输出信号的幅度相差很小, 上升时间基本一致。图6 是在试验过程中的实测信号, 试验中的激光器为lOW, 波长的典型值为 1. 06%m, 激光器峰值电流为 20A, 上升沿为 8 纳秒, 脉冲宽度为 10 纳秒。接收模块的光敏管采用PIN 管, 主放大器采用对数放大器。图中的纵坐标每格为1V, 横坐标每格为 250纳秒, 图 6( a) 为探测距离为 5 米时的对数放大器输出信号, ( b) 是探测距离为 10 米时的输出信号, 从图中可以看出当探测距离变化 2 倍时, 接收模块中对数放大器的输出信号的上升沿几乎没有变化, 脉冲宽度变化也很小, 这大大提高了脉冲鉴相的定距精度。图 5?对数放大器的性能仿真。上图为输入电流信号, 纵坐标取对数坐, 下图为对数放大器输出信号波形图 6a?探测距离为 5 米时的输出信号?6b 探测距离为 10 米时的输出信号通过仿真分析可以看出, 采取对数放大器对回波幅值的变化进行控制, 可以有效地减少因回波信号变化对实验结果造成的误差。由于脉冲鉴相体制的特点, 信号处理过程只提取脉冲信号的上升沿的信息, 如图所示输出信号的上升沿几乎不随输入信号的变化而改变, 从而达到了减小误差的效果。参 考 文 献1%?戴炳明, 张雏等. 脉冲激光测距机的测距误差分析J%. 激光技术, 1999, 23( 1) : 50- 52. .2%?楼宇希. 雷达精度分析M%. 北京: 国防工业出版社, 1979, 8.3%?Weiyou Chen, Shiyong Liu. 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