（通信与信息系统专业论文）激光告警信号接收与处理方法研究.pdf

摘要 本文对激光告警信号接收与处理的方法进行了研究，并对激光告警系统的软硬件 设计及工作原理进行了详细的论述。 论文主要作了如下几个方面的设计研究： 1 根据激光探测的原理，提出了系统的总体设计方案。主要由四部分组成：光电信号 探测部分、微弱信号的放大部分、信号的峰值保持部分、d s p 信号采集与传输部分。 2 设计了系统的硬件电路。包括信号的接收、放大、峰值保持、d s p 信号采集。 3 设计了信息传输模块。利用d s p 内部的串行通信模块( s c i ) 进行数据传输。 4 设计了数据处理与界面显示模块。使用可视化程序v i s u a lb a s i c 对数据进行处理 并显示，可直观的分析激光信号的强度与方位。 通过以上几部分的设计，完成了本文的研究内容，并为激光告警系统的进一步研 究打下了基础。 关键词：激光信号探测激光告警d s p 应用 a b s t r a c t 1 1 l i s 雒t i d eh a sr e s e a r c h e dt h em e t h o do fl a s e ra l a r ms i g n a lr e c e i v e a n dt h ep r o c e s s i n g 缸d h 笛d i 瓣l s s c d t h c s o f t w a r ea n d h 缸d w a 托d e s i g n a n d t h e p r i n c i p l e o f w o r k o f l a s e r p r e w a r n i n gs y s t e mi nd e t a i l t h et h e s i sh a sm a i n l yd o n es e v e r a la s p c c id e s i g n r e s e a r c ha sf 0 o 孵： 1 a c c o r d i n gt h ep r i n c i p l eo f l a s e rd e t e c t i o n , i tp r o p o s e do v e r a l l & s i g np r o j c c to fs y s t c m 珏 m a i n l y 咖p o s c do ff o u rp a r t s ：t h ee l e c t r o - o p t i c a ls i g n a ls u r v e yp a r t , t h ew e a ks i g i l a l e n l a r g e m e n tp a r t , t h es i g n a lp e a k v a l u em a i n t a i n st h ep a r t , d s ps i g n a lg a t h e r i n ga n d t h e t r a n s m i s s i o np a r t 2 i th a sd e s i g n e dh a r d w a r ec i r c u i to fs y s t e m , w h i c hi n c l u d e dt h es i g n a l r e c e i v e , t h e e n l a r g e m e n t , t h ep e a kv a l u em a i n t a i n , d s ps i g n a lg a t h e r i n g 3 i th a sd e s i g n e dt h ei n t e l l i g e n c et r a n s m i s s i o nm o d u l e , w h i c h c a r r i e so nt h ed a 协 t r a n s m i s s i o nu s i n gd s pi n l c m a l 枷c o m m u n i c a t i o n m o d u l ec s c d 4 i th a sd e s i g n e dt h ed a t ap r o c e s s i n ga n d t h ec o n t a c ts u r f a c ed i s p l a ym o d u l e ，w h i c hc a r r i e s 彻纠d c c 鹃i n gt ot h ed a mt od e m o n s t r a t eu s e v i s u a l i z a t i o np r o c e d u r e v 塔- u a lb a s i c , a n d c a na n a l y s i sl a s e rs i g n a li n t e n s i t ya n dp o s i t i o nd j r 喇- v i c w i n 参 t h r o u g ht h ea b o v es e v e r a lp a r t so f d e s i g n s , i th a sc o m p l e t e d t h i sa r t i c l er e s e a r c hc o n t t i n t a n dh a sb u i l tt h ef o u n d a t i o nf o rf u g t h c fr e s e a r c ho f t h el 撇w a r n i n g s y s t e m k e yw o r d s ：l a s e rs i g n a ld e t e c t i o n l a s e rw a r n i n gd s pa p p l i c a t i o n 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，激光告警信号接收与处理方法研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：i l 缝2 蛑王月翌日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编学位论文。 作者签名：鱼垒恿丝旦墨年三月竺日 燃：! 丝幺娃月距日 1 1 概述 第一章绪论 随着激光技术的发展，激光的方向性强、单色性好、亮度高、相干好等特性，使 其在军事上的应用十分广泛目前，光电对抗装备已成为各国普遍关注和研究的重点 所谓光电对抗嗍，是指敌对双方利用光电相关的设备、器材，在光波段实施电子进攻和 防御的军事行动。通常先以技术手段获取敌方光电武器和侦测器材的工作信息，然后 再采取措施破坏或削弱其作战效能。并保护己方光电装备正常工作光电对抗装备主 要指光电侦察告警装备和光电干扰装备光电侦察告警装备用于实时探测指向目标的 导弹或激光束，确定其特征、方位和威胁程度，并及时发出告警指示或启动相应的干 扰和对抗措施其作战效果十分显著，能大大提高所保卫目标的生存能力和杀伤力 从7 0 年代的初级形式“激光报警器”，可实时判断激光威胁的存在并能粗略判断激光的 来袭方向，到现在研制的具有多种性能的高级形式的激光告警接收机，不仅能实时报 警，而且能探测某些激光参数，包括位置( 方向) 、激光波长、能量、重复频率及编码 等因此，在激光威胁日趋严重的战场，深入研究激光脉冲信号的探测与处理技术成 为一个非常迫切的课题，有着十分重要的现实意义 激光告警是一种特殊用途的侦察行为，它针对战场复杂的激光威胁源，及时准确 地探测敌方发射的激光信号，确定其入射方向，发出警报随着激光技术的飞速发展， 军用激光器的种类和波长覆盖范围迅速扩大，对激光告警器的要求也越来越高在有 某种激光发射装置存在的场合下，若能采用某种激光预警装置，迅速准确地探测到激 光发射的方位，这样就能够采取快速转移，旌放烟幕等躲避行动来消除激光错导武器 的威胁。激光告警通常具有如下特点； ( 1 ) 接收视场大，能覆盖整个警戒空域； ( 2 ) 频带宽，能测定敌方所有可能的军用激光波长； ( 3 ) 低虚警、高探测概率、宽动态范围； ( 4 ) 有效的方向及信号强度识别能力； ( 5 ) 反应时间短； ( 6 ) 体积小，重量轻，价格便宜 实际上，军用激光器必须工作在大气传输的某一“窗口。上因此，目前使用的 只有少数几种波长的激光器测距和指示所使用的是最常见的钕激光器和红宝石激光 器，c d 激光器虽然已经开始使用，但还不普遍。目前常见的典型激光测距机和指示 器的特性如表1 - 1 所示”： 表1 - 1 典型的激光测距机和指示器的特性 波长1 0 6 微米、1 5 3 微米、1 5 7 微米 脉宽 脉冲重复频率 峰值功率 光束发觳角 告警威胁距离 1 0 2 0 纳秒 1 0 0 0 赫兹 0 5 兆瓦l 兆瓦 0 1 5 毫弧度 5 千米 本论文就是在这样的背景下，以实验室研制的实际项目为基础而进行的研究所 研究的激光预警系统就是针对激光系统的上述指标进行的 1 2 国内外发展过程及现状 国外现状及研究内容m ：近十年来，国际上相继出现了激光、红外、紫外、雷达等 多种告警技术复合的实用装置，明确地表现了复合光电侦察告警技术不断扩展工作波 段、主动( 被动) 工作体制结合的发展趋势美国f - 2 2 战斗机装备的告警系统，可利用 紫外辐射、可见光、红外辐射直至毫米波实施侦察告警；英国普莱西雷达公司研制的 复合光电侦察告警器能有效地探测红外探照灯和两种激光 目前，在激光侦察告警设备中，二极管阵列型因其成本低、技术难度小，而成为 世界各国开发最为广泛的一种激光告警器法国t h o m s o n - t t d 光学公司和s a t 公司正 在合作开发。激光告警设备”( d a l ) ，以装备法国9 0 年代战斗机“阵风”( k a f a l e ) ， 也计划用于直升机和地面车辆等。德国a l c a t e ls e l 公司正在研制“威胁告警设备” ( t 1 r e ) ，它是“直升机激光告警设备”( h l w e ) 系列产品之一，将成为正在开发的一体化 自卫系统的一部分，以装备“虎”( t i g e r ) 直升机英国a v i m o 公司开始生产l 粕一2 l 型告警器，以满足中东用户的需求该公司已开发出这种告警器的增强型l 霄卜2 1 e s 型。它使用多个探测器阵列，每个阵列覆盖方位1 8 0 。，其分辨率为7 5 光谱覆 盖扩展到1 6 | im 以色列m o k e d3 - 程公司开发了“第三只眼”( t h i r d e y e ) 的告警系统， 用来装备坦克装甲车辆以及出口，而新研制的产品可装备战斗机和直升机最近，美 空军w r i g h t 实验室电子战部公布了“短脉冲激光告警接收器”( s l i p a r ) ，由t r a c o r 公司开发，据称，其技术性能比 n a v r 一2 更先进s l i p a r 采用电池供电，可安装在各 种平台上，经组装后可供地面作战的步兵使用 国内现状及研究内容网：国内对于相干型和散射型的激光预警装置均属实验室探讨 阶段，在此方面未见成果报道。对于非相干探测类型中的成像也处于试验阶段。 湖北宜都2 9 8 厂曾研制成功非成像型激光报警器。它的方向角度分辨为4 5 。，光 谱宽度：0 6 6 1 1 微米，虚警率1 0 4 h ，装置上方有一个探测器，探测上方激光威胁。 随后，总参5 4 所曾研制出配带于战士头盔的激光警戒装置，它结构非常简单，只能警 2 报是否有激光威胁和1 8 0 。范围的大致方向。后北京光电所发表了用全息技术探测激光 来袭方向的论文 目前，长春光机所开始进行采用全息技术进行激光来袭方向探测的研究工作。 今后，激光探测告警技术将与雷达及其它告警技术结合在一起，将波长覆盖范围 不同的探测器组合到一起，以拓宽光谱响应范围；能够识别激光的脉冲特性，如脉冲 宽度、脉冲重复频率、脉冲编码特征等，构成全波段、一体化的告警设备 1 3 论文的主要研究内容 根据战场上实际使用的激光武器的特点和参数，并借鉴国外先进、有益的经验， 形成了本文激光告警系统的设计方案设计思想是采用光谱识别方式田，利用光电传感 器构成激光信号探测器，对激光威胁源的方向进行定位，以达到预警侦察的目的。 ， 论文研究、设计的内容包括激光信号的探测、光电信号的处理技术、d s p 软硬件设 计和上位机数据处理、显示等多方面内容研究了基于非成像光谱识别型的激光预警 系统的研制与设计方法，可对激光测距机等激光威胁源发出的窄脉冲激光进行探测。 基本结构框图如图1 1 所示 激光 信号 接收 系统 信 显 号 _ 不 处 d s p 及 理控告 电制警 路 图1 1 脉冲激光告警装置基本组成框图 激光接收系统截获敌方激光束、滤除大部分杂散光后将激光束会聚到光电传感器 上，光电传感器将光信号转变为电信号后送至后续信号处理电路，经信号处理电路处 理后，送上位机进行数据处理并显示，得到敌方激光辐射源强度及方位参数的告警信 息，并发出告警信号 激光告警系统的设计要求： 1 探测的激光类型：脉冲激光信号 2 主要探测波长：1 0 6 微米，1 5 4 微米、1 5 7 微米 3 方向识别：水平方向视场为3 6 0 。 4 最小可探测到的光功率：2 5 微瓦 5 显示及告警方式：显示激光强度及方位，进行报警。 根据上述激光告警系统的性能要求、依据电子、光学，机械等多学科技术，完成 了论文的研究与设计。论文的主要内容安排如下： 第一章主要介绍论文的研究背景与研究意义 第二章主要介绍了激光信号探测的理论研究包括： 析、脉冲信号的特性分析 第三章设计了激光告警系统的信号探测部分包括： 持电路、比较电路。 激光信号探测原理、噪声分 接收端、放大电路、峰值保 第四章设计了d s p 信号采集及与上位机之间进行串口通信电路。并设计了d s p 的 软件程序 第五章设计了数据处理及界面显示系统由上位机通过v i s u a lb a s i c6 0 应用软 件对数据进行处理并显示，得到激光告警信号接收与处理系统的实验结果 最后对全部工作进行总结，提出改进方向和对未来工作的展望 1 4 论文的研究意义 激光告警作为一种相当重要的侦察行为，在实战中成效显著它除了针对外部实 时环境和战场上复杂的激光威胁源，能够及时准确告警的同时，还要具有多种用途。 因此，我们所研究设计的激光告警系统也是从这些需要出发，使其满足以下方面的战 术用途n 町： 1 用于保卫坦克、装甲车等小型机动目标 由于激光测距机和目标指示器的使用，使武器能极其准确地发射，大大提高了首 发命中率，使得军用车辆受到极大的威胁。相关资料表明，激光测距后4 8 秒便有炮 弹临头，2 0 秒左右便会被制导武器击中，采用了预警装置，一旦发现敌方激光来袭信 号，就能立即采取躲避行动或者旌放烟幕，减少或完全消除这种威胁 2 用于保卫大型重要设施 对于面积较大的重要设施和目标，例如：桥梁、机场、炮兵阵地、舰艇、雷达站 等，可采用多点设置并将探测结果集中传输到指挥所处理，以便及时采取各种对抗 措施。大型重要设施虽然无法躲避，但可根据预警系统送来的信号，人工或自动触发 发射装置，迅速在光电制导武器来袭方向旌放烟雾、光学箔条或红外诱饵弹，使敌方 光电制导武器迷茫而脱靶，也可启动自身导弹拦截系统进行拦截。 激光告警装备是目前光电对抗侦察告警装备的发展重点，将广泛应用于战机、战 舰和陆上重要目标的自卫因此，激光告警系统中激光信号接收与处理系统的方法研 究与设计开发具有重要的研究价值和广泛的应用前景。 4 第二章激光信号探测技术 2 1 激光探测的原理 激光告警设备不但要具有精度高、准确性好、抗干扰能力强等特点，在保证有相 当宽的动态范围前提下，还要获得足够多的侦查信息，以便识别和启动有效的干扰措 施。因此，在设备的设计研制中，由于采用了多种技术和方案，其工作原理也截然不 同。通常按探测工作原理分为光谱识别型、成像型和相干识别型 2 1 1 光谱识别型激光探测 光谱识别型激光告警设备是一种比较成熟的体制，技术难度小，成本低，开发的 设备型号很多它由探测器和处理器两个部分组成探测器是由多个基本探测单元组 成的阵列，当某一光学通道接收到激光时，激光入射方向必定在该通道或扭邻两通道 视场角相重叠的视场范围内依次类推，探测部分将整个警戒空域分为若干个区间 接收到的激光脉冲信号由光电探测器( 一般为p i n 光电二极管) 进行光电转换，经放大 后输出的电脉冲信号，经过预处理和信号处理，从包含有各种虚假的信息中实时鉴剐 信号。确定激光源参数并定向对光谱识剐型激光告警设备的光学系统而言，定位分 辨力特别是方位分辨力是该型设备设计的一个重要参数，直接涉及系统的方案选择、 系统的复杂程度和生产成本的高低 光谱识别型激光告警接收机接收激光能量的方式大致有两种，即接收大气气溶胶 散射的激光能量或直接拦截激光柬( 1 ) 散射激光能量探测方式散射探铡式激光告 警设备通过接收目标表面、地面、大气气溶胶等散射的激光辐射来实现激光探测和告 警。( 2 ) 激光束的直接拦截探测方式采用直接拦截探测方式，可实现对激光源的定 位。多探测器拦截警戒就是一种比较简单的、可实现对激光源定位的拦截探测方式 通常由若干个分立的光学通道和电路组成。这种接收机探测灵敏度高，视场大，结构 简单，光学系统也不复杂，而且成本低，但角分辨率不高，只能概略判定激光入射方 向。要在有各种电磁干扰和背景光于扰的野战环境中长时间警戒3 6 0 。空域而不虚警， 往往要求虚警率较低。为此，必须要采取有效的抗干扰措施来大幅度降低虚警率。为 了排除各种人为和自然背景光源的干扰，除采用窄带滤光片外，还可增加特征识别的 措施。 5 2 1 2 成像型激光探测 成像型激光告警设备通常采用广角远心鱼眼透镜和红外电耦合器件( c c d ) 或p s d ( 位置传感探测器) 器件。其优点是：视场大，采用广角远心鱼眼透镜可实现全空域 的凝视监测，不需扫描，不存在由扫描而可能引起的漏探测降低覆盖空域、减小视 场后，它可使定向精度达1m a r d 左右；角分辨率高，采用c c d 成像器件，象元尺寸 小( 胛级) ，为精度定位提供了先决条件；虚警率低，采用双光道和帧减技术，消 除了背景干扰，突出了激光信号，大大降低了虚警率而且，由于c c d 面阵的单个光 点的定位精度接近0 2 m l ，角分辨率通常为零点几度到几度，因此可以实现精确确定 辐射源的方位、光束特性( 包括光谱特性、强度特性、偏振特性等) 、时间特性和编码 特性设备的缺点是光学系统复杂，只能单波长工作且成本高，难以小型化 2 1 3 相干识别型激光探测 激光辐射有高度的时间相干性，相干长度一般在零点几毫米到几十厘米之间，而 非激光辐射的相干长度只有几微米因此，用干涉仪体制入射激光可确定激光波长和 方向激光入射其上便受到调制产生相长干涉和相消干涉。菲激光入射其上则不产生 干涉造成的强度调制，表现为直流背景，二者便得以区别开这就是相干识别型激光 告警设备的基本原理。 相干识别型激光告警设备对测定激光波长最为有效。它用干涉仪光学系统给入射 激光造成相干条件，利用形成的干涉条纹间距确定入射激光的波长，利用干涉图的横 向位移量确定入射激光方向特点是不仅可以区分激光和非相干光，而且可以测出入 射激光的参数，识别能力强，虚警率低，视场大，定向精度高目前比较实用的相干 识别型激光告警设备采用法一珀干涉仪和迈克尔逊干涉仪此方法的缺点是制造工艺复 杂，价格昂贵 通过以上对激光探测原理的介绍，可以看出相干探测方式虽然可以探测到幅度调 制、频率调制、相位调制方式传输的信息，但是实现起来比较困难，它对两个待合成 的光场在空间的相干性方面有严格的要求，且成本较高。而光谱识别型直接探测方式 是最简单的一种，只要传输的信息体现在接收光场的功率变化之中就可以所以本文 激光告警信号探测系统采用光谱识别型直接探测技术来实现对激光信号的探测。 2 2p i n 光电二级管特性分析 p i n 光接收器是光电转换的关键元件，被广泛应用在光纤通信、国防军事等领域， 具有不可替代的作用。其性能好坏关系到应用系统的整体质量，尤其在军事应用中， 性能低劣的光接收器甚至会导致重大损失。本节讨论这些元件共有的常用特性参数， 6 以便于后面具体器件的选择其主要特性如下嘲： 1 伏安特性 当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是： j r - 1 0 = x p f p v * z ) 一1 】 式中，为流过二极管的总电流，o 为反向饱和电流， 常量，r 为工作温度，y 为加在二极管两端的电压 ( 2 1 ) 暑为电子电荷。k 为玻尔兹曼 对于外加正向电压，随y 指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反 向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数对于硅光电二极管来说，其伏安特 性又可表示为： 一厶【c x p o y 妇) 一1 卜， ( 2 2 ) 式中，- 是流过光电二极管的总电流，f ，s p 是反向光电流，s 是电流灵敏度，p 是入射光功率，因硅光电二极管是反向偏压工作，放上式可简化为： 1 - 一i l l r 一t l q + 1 0 心韵 光电二极管的伏安特性曲线如图2 1 所示在工作反偏压一定的情况下，可以看 出，与入射光强的关系曲线，在很大的动态范围内，它们基本上是线性关系因此光 电二极管不像光电倍增管那样容易损坏 ，1l 0n 多 乡 。 。光强增大 图2 1 光电二极管的伏安特性曲线 2 量子效率和响应度 1 ) 量子效率： 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成光电流因此，光电流与每秒入射 的光子数，即光功率成正比。根据统计光学理论，光电流与入射光功率的关系式 ，a p 堡尸 ( 2 4 ) h v 式中i 为光电流，p 为光功率，口兰是光电转换因子，e 为电子电荷，h 为普朗克常 h v 量，y 为入射光频率，r l 为量子效率 2 ) 响应度( 或称为灵敏度) 7 响应度是光电探测器输出信号与输入辐射功率之间关系的度量。插述的是器件的 光一电转换效能。定义为光电探测器的输出电压k 或输出电流j 。与入射光功率p ( 或通 量西) 的比值。即 品盗p 或s - 鲁 ( 2 5 ) 式中，s 和s 分别称为电压响应度和电流响应度光电探测器的响应度随入射光的波 长而变化，且品( 或s ，) 值愈大意味着探测器愈灵敏。光电二极管的响应度主要由构成 p 结的材料决定，响应曲线如图2 2 所示。 图2 。2 不同材辩制作的探测器响应度和量子效率与波长的关系 3 响应时间和频率特性 1 ) 响应时间 响应时问是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数。即当入射辐射到光 电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值 所需要时间称为响应时间( 如图2 3 所示) 为衡量其长短，常用时间常数t 的大小来 表示。一个辐射脉冲照射光电探测器，如果这个脉冲的上舞时间和下降时间很短，如 方波，则光电探测器的输出由于期间的惰性而有延迟，把从1 0 上升到9 0 峰值处所 需的时问成为探测器的上升时间，而把从9 0 下降到1 0 处所需的时问称为下降时间。 2 ) 频率响应 由于光电探测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程。所以入射光辐射的频率 对光电探测器的响应将会有很大的影响光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而 8 变化的特性称为频率响应( 如图2 4 所示) 。利用时间常数可得到光电探测器响应度与 入射调制频率的关系，其表达式为： 跗卜丽s o ( 2 6 ) 式中，s ( f ) 为频率是厂时的响应度；s o 为频率是零时的响应度；f 为时间常数( 等于 r 9 当警- 忑1 - 。7 0 7 时，可得放大器的上限截止频率： 九- 丽1 - 丽1 ( 2 7 ) 显然，时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽。 l ( b ) 响应时闯 图2 3 上升时间和下降时间图2 4 光电探测器的频率响应曲线 2 3 激光信号接收系统的噪声分析 在激光信号接收过程中对信号有影响的因素都可以归结为噪声。噪声主要来自两个 方面：大气方面、接收方面。大气的影响主要是大气中的粒子对红外光的吸收和散射 造成的；接收部分的主要噪声源有：探测器的噪声( 暗电流噪声、散粒噪声、热噪声) 、 背景噪声和放大器噪声。 2 3 1 大气对激光接收系统的影响 在实际条件下，激光武器所发射的激光束并不能在均匀介质中传输，而大气的成 分也比较复杂，必然会对激光信号有所影响，虽然这种影响比较微弱，但从实际工程 的角度也应给与充分考虑。大气对激光传输的影响主要表现为大气衰减和大气湍流效 9 应嗍。激光信号强度的衰减主要是由于大气层粒子对传输光场的吸收和散射。当传输光 场与大气粒子相碰时，一部分光场能量被吸收，剩余能量的传播角度重新分布，能量 被吸收产生强度衰减传播角度重新分布产生散射能量。 大气衰减可用朗伯定律描述，即辐照度为h 的激光束在大气中传播距离z 后，辐 照度为： 日( z ) - h o e - z ( 2 8 ) 式中，口为大气衰减系数a - a o + 。0 ，其中，口。为吸收系数，0 0 为散射系数 激光脉冲通过大气传输时，还受到大气湍流引起的折射率无规则起伏变化的严重 干扰。湍流造成的影响主要表现为光强起伏、相位起伏，光束漂移和扩展影响系统 角度分辨的主要因素是光强起伏和光束漂移问题。由大气闪烁造成的光强分布不均， 单个探测器的接收面积上收集到的部分光脉冲的光强与理论值有偏差，致使角度分辨 有偏差所以，提高光脉冲探测概率的主要措施是增大接收机的孔径，使接收到的光 强起伏变小。 2 3 2 探测器的噪声分析 探测器的噪声属于系统的内部噪声，是光电检测器件的故有噪声，这种噪声是基 本物理过程所决定的、是不可能人为消除的探测器的噪声主要有暗电流噪声、热噪 声、散弹( 粒) 噪声三种“” ， 1 暗电流噪声 当光电二极管在没有光照的环境中，处于偏压条件下，电路会产生暗电流，从而 产生暗电流噪声它等于本体暗电流与表面漏电流之和该电流的大小与工作温度、 偏压和探测器的表面、类型紧密相关 对一个激光信号接收端而言，暗电流规定了其可探测信号功率水平的噪声基底。 故对探测器要进行仔细设计加工，尽可能减小暗电流一般s i p i n 光电二极管中的暗 电流通常为i o o p a ，而s i - a p d 中的暗电流通常为1 0 p a 2 热噪声 这种噪声是自由电子的无规则热运动所产生的，故通常称为热噪声。每个电子的 运动所引起的单元电流是极其短暂的，因为电子相邻两次碰撞的时间间隔是很短的( 电 子的自由程约为1 0 “秒) ，所以整个热噪声形成的起伏电流可以看成大量短暂的单元脉 冲电流之和。 由统计理论可得到热噪声电压的有效值 - ( 4 k t r a f 妒 ( 2 9 ) 和热噪声电流的有效值 l ，- ( 4 c r v r ，2 ( 2 1 0 ) 式中r 为探测器的等效电阻，z 为探测器的绝对温度，足为玻尔兹曼常数，为检测 系统带宽热噪声是任何电子器件中所不可避免的，而且它的频谱极宽，从零频开始， 连续不断，一直延伸到1 0 i ，一i o 4l l z 以上的频率尽管熟噪声的频谱很宽，但是任何 检测系统都具有一定的通频带，只有位于通频带内的那一部分噪声功率才能通过热 噪声的电压和系统的通频带可威正比在保证有用信号无失真地通过和器件允许的情 况下，使检测系统的通频带尽量小或降低温度，可以使热噪声变小 2 敖弹( 粒) 噪声 在光电二极管中，存在着所谓散弹噪声的噪声电流机构传感器所发出的光电子 数总在随机起伏，这是造成敖弹噪声的一个来源。另外，光生载流子( 例如电子空穴对) 的产生和复合过程也具有一定的随机性，因此导致了载流子流量随时间的随机起伏， 这也是造成散弹噪声的来源。通过理论计算，可求得散弹噪声电流 如( 2 矿严( 严 ( 2 1 1 ) 其频谱密度 s ，( ，) 一2 矿 ( 2 1 2 ) 其中：g 电子电荷，1 5 9 x 1 0 - ”库仑 ，直流电流、安培 噪声带宽，赫兹 由式( 2 1 2 ) 可知，散弹噪声电流正比于噪声带宽的平方根。这就是说每赫兹带宽含有 相等的噪声功率，属于白噪声 2 3 3 背景辐射与背景噪声 一、背景辐射 在自由空间光电信号探测系统中，光电传感器除了接收到激光信号外，还将接收 到落到探测器空阅和频率范围内较强的背景辐射，使接收信噪比降低，影响光电接收 系统的性能。背景辐射光源可分为两类：( i ) 扩展背景这种光源被假定为充满整个背 景，因此它出现在整个接收机视场内；( 2 ) 分立光源或点光源。它们比较局域化，强度 也较大，可能出现也可能不出现在接收机视场内。在空间系统中，天空是主要的扩展 背景，而局域化光源对应于星体、月亮和太阳等等。背景辐射成为空间光电探测系统 的主要噪声源。 扩展的背景辐射源常用辐射谱函数缈似) 来描述，它定义为在波长a 处单位带宽 上，每单位面积光源辐射到单位立体角内的功率。假定接收透镜面积为4 ，离开光源 的距离为z ，如图2 5 所示。 接收面积 r 背景辐射源 图2 5 背景噪声源模型 从光源来看，它表示一个约为4 z 2 球面角度的立体角。若辐射源面积为4 ，则 接收到的总功率依赖于落在接收机视场角q 内的那部分辐射源面积，这样在波长a 附 近，带宽a 范围内，光电传感器收集到的背景功率为： 忍一 删岬叫参) 小叩2 亿埘 彤q ) 呲( 参) 4t q r z 2 若定义q ，为从接收机测量的辐射源立体角，有q ，- 参，式( 2 1 3 ) 可重新写为： 咒。晶溢三 乏：主 亿的 因此，如果背景光源扩展到包含了接收机视场，背景功率由式( 2 1 4 ) 给出，并且只 依赖于接收机的面积、视场和带宽，特别是e 与z 的大小无关当q ，t o 。时，随q ，线 性增加；而q ，q 。时，置不再随q ，而变化。 二、背景噪声 接收机除了器件本身的热噪声外，还会接收到背景辐射的光子在探测器上产生的 散粒噪声，所产生的散粒噪声电流的大小可以用以下公式表示： 毛一孚二( 矿( a ) q ，a 4 ) ( 2 1 5 ) n v 式中，背景辐射产生的散粒噪声平均电流；形( a ) 背景辐射谱辐函数，即单 位波长间隔的辐射亮度o y r n 2 s t 胛) ；q ，接收机视场( 铲) ；a a 光的带宽 ( 肛臃) ；4 接收机的光学孔径面积 在直接探测接收机中，当背景产生的散粒噪声电流远大于暗电流产生的散粒噪声 电流时，探测器接收到的光功率为： 叫型塑半】j ( 2 i 6 ) 式( 2 1 6 ) 中b 视频带宽；s n r _ 信噪比。当上式s n r = i 时，就得到探测器接收 到的背景辐射产生的散粒噪声功率： 叫型半】i 如果背景是温度为t 的黑体，则从普朗克辐射定律得到： 哪) 一端 ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 中，c 光速伽s ) ： 波长( p 历) ：矗嗜朗克常数p 5 ) ；v 光频率( f 匕) ；七玻尔兹曼常数j 七；r 黑体的绝对温度 若用光子数秒米2 立体弧度微米这个量纲，则式( 2 1 8 ) 式变为： 卜焉 ( 2 1 9 ) 由式( 2 1 9 ) 可看出，拜，( 筋是接收波长a 和黑体温度r 的函数，任何发热的自然物 体和人为的物体都可能成为背景源。但多数的背景源为自然背景源，它来自太阳的直 接辐射或地物、天空、云块和月亮对阳光的反射或散射，此外还有来自闪电、月亮和 星体等 ( 1 ) 太阳的直接辐射 在空闯环境下，最重要的点光源是太阳。太阳近似于一个6 0 0 0 k 的黑体，太阳光 谱与该温度黑体辐射光谱的曲线如图2 6 所示。 ： 毒 设长p 。 4 ) 从地面测量太阳辐射谱 竣长p b ) 黑体辐射谱 图2 6 太阳辐射与黑体辐射光谱 在a - 0 , s p i n 处的峰值光谱辐射亮度为形( a ) - 1 - 5 x 1 0 7 w m 2 $ r o n ，在a - l u r e 处 缈( a ) - 5 4 x 1 0 6 w m 2 盯p m 。因为太阳对地球张开的立体角约为1 0 。s r ，如果大气传 输完全没有损耗，则太阳光辐照在地面上的峰值光谱辐照度为1 5 0 0 w i r e 2 矽，考虑大 气的吸收和散射，对大多数测距机和雷达应用而言，光谱辐照度取1 0 0 0 w m 2 堋就足 够了。 另外，来自扩展的夜晚天空的光线也是主要的背景辐射源。图2 7 为夜晚天空的 辐射。 2 f 錾 蚕 踱长p 图2 7 夜晚的天空辐射 地面的背景辐射强度由太阳的光谱辐射亮度，地面物质的反射率和太阳与光接收 机之间的夹角决定。虽然地面的反射率交化很大，但在大多数情况下。可取地球平均 反射率的近似值为0 4 ，光谱辐照度为1 0 0 0 w m 2 m r ，则漫反射的光谱辐照度为： 形似) 0 4 x 1 0 0 0 1 3 0 w 册2 哪，肛册 ( 2 2 0 ) 石 ( 2 ) 天空和云块的背景辐射 晴天天空的背景来自大气分子对太阳光的散射，在可见光和近红外光谱区，背景 辐射的光辐照亮度可近似地估计为形( a ) - l o w m 2 t s r ，研直接受阳光照射的云块， 其缈( ) 的值比地物稍高一些，一般研似) 3 0 0 w m 2 啊胛月亮和星体对激光接收 系统一般不产生很大的背景噪声 2 3 4 放大器的噪声分析 噪声系数是用来衡量放大器噪声性能好坏的常用指标定义放大器的噪声系数f 为； f 一甄盏纛然 亿z ， 被放大器放大输出的源电阻噪声功率 一 式( 2 2 1 ) 表明，对于一个理想的无噪声放大器，f - 1 ；相反，对于本身有噪声的放大 器，) 1 。，越大，放大器本身的噪声电平越高，也就是说放大器引入的噪声比一个 源电阻r l 引起的热噪声大得多。另外，在信号源电阻r 的噪声比较大时，尽管放大器 噪声并不一定很小，但只要它与源电阻噪声比较接近，也可有f 一1 噪声系数习惯上 用分贝( 扭) 表示，即 n f - 1 0 1 9 f ( 2 2 2 ) 理想的无噪声放大器f 0 d b ，实际的n f 总是大于零的，通过选择放大器件，可以 尽可能的减小这部分噪声 1 4 2 3 5 接收系统的信噪比 一、信噪比( s n r ) 为了表示信号的优劣，人们往往在“总信号”中，把有用信号成份s 的有效值与 噪声成份的有效值之比叫做信噪比： 信噪比( s n r ) = 嚣弓 ( 2 2 3 ) 二、信号探测系统的信噪比 设入射光辐射功率为乞，噪声功率为毛，根据光电探测器的平方律特性脚，光电探 测器输出信号电功率己和噪声功率匕为； 己+ 匕- ( 詈) 2 假+ 尼) 2 毛。( 罟) 2 僻+ 2 e , e - + 瑶逸 ( z z t ) 考虑到信号和噪声的独立性，则有： 匕- 0 2 吨嘭 ( 2 2 5 ) 己一( 马2 吨( 绒毛+ 露) ( 2 2 8 ) 因此，输出功率信噪比 啤- 老一矗- 瑞一器j 眨2 ， 由此式可导出： 1 ) 当己名时，相应于输入信号光深埋在噪声中的情况 帆一- 帆) 2 ( 2 2 8 ) 由于乞，最l ，而出艉，正比于输入信噪比的平方，孙嗥将更小，由此可见， 此时对弱光信号的检测灵敏度将非常低，即不适于输入信噪比小于1 或者微弱光信号 的检测“帅”。 2 ) 当己圪时，相当于强信号检测 删r p 一专刚 ( 2 2 9 ) 即输出功率信噪比为输入功率信噪比的一半，信噪比损失了3 d b ，这个损失在实际应 用中是可以接受的。由于s n r 1 ，尽管s 脉。有所降低也仍有足够的检测灵敏度。 所以适于强信号的检测。 为了提高信噪比，就必须想办法抑制各种噪声。如前所述，探测系统中的噪声为 背景辐射产生的噪声、信号放大及处理电路的热噪声、探测器自身产生的噪声。在实 际的探测系统中，一般根据不同的探测环境和不同的设计要求，有的噪声大一些，而 有的噪声要小一些，忽略掉次要的噪声，只考虑主要的噪声，就可得到各种噪声限制 下的信噪比。 若考虑探测系统的所有噪声，则输出噪声的总功率为； j 乙- ( 乏+ 己+ 匕+ 乏) d k ( 2 3 0 ) 式中乏、乏和艺分别为信号光、背景光和暗电流引起的噪声。f ：为负载电阻和放大器 的热噪声之和则输出信噪比为： 啤乏鑫斋 t ， 当热噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，直接探测系统 受热噪声限制，此时信噪比为： p ( 身瑶 呱。毒。鳜 q 3 2 当散粒噪声远大于热噪声时，热噪声可以忽略，则直接探测系统受散粒噪声限制， 此时的信噪比为： 啤老。篇 当背景噪声是直接探测系统的主要噪声，而其它噪声可以忽略时， 受背景噪声限制，此时的信噪比为： 啤一乏鼍- 菇 当入射的信号光波所引起的散粒噪声是直接探测系统的主要噪声， 以忽略时，直接探测系统受光波引起的散粒噪声限制，此时信噪比为： ( 2 3 3 ) 直接探测系统 ( 2 3 4 ) 而其它噪声可 s n r ，, 。老。器 眨s 勋 式( 2 3 5 ) 为直接探测在理论上的极限信噪比，又称为直接探测系统的量子极限，若用 等效噪声功率n e p 值表示，在量子极限下，直接探测系统理论上可探测的最小功率为： o v g p ) 。丝堂 ( 2 3 6 ) 珂 1 6 在本文的探测系统中，探测器产生的噪声相对于系统中的放大器和其它信号处理 器件所产生的噪声对系统性能的影响要大得多。所以，降低探测器部分的噪声，对系 统的构成和性能的改善十分重要。 2 4 脉冲信号的特性分析 得到告警信息的前提条件是接收并处理激光脉冲信号。在分析了系统噪声后，再 对脉冲信号的频谱进行简单的分析“”嗍 对于周期性脉冲信号( 如图2 8 ( a ) 所示) ，其频谱为： ，o 咖芋 得到频谱图如图2 8 ( b ) 所示： 等a , 2 ) t ( 2 3 7 ) 2 t “q t、 卫 k 一 l ( a ) 脉冲信号的波形( b ) 脉冲信号的频谱 圈2 8 脉冲信号波形与频谱图 由图( b ) 可以看出，各谱线间距都是q - 2 彬2 _ 。若脉冲宽度f 不变，周期r 增大， 谱线间距变小，同时谱线幅度值也相应减小( 因为包络线正比于m t ) ；当周期r 不变， 脉冲宽度_ f 变小，则谱线间距不变，但谱线的幅度会减小，包络第一个为零的频率点 知居会增大，谱线收敛速度减慢 通过上面的分析可以得到信号频带宽度的概念对于周期矩形脉冲，它含有无限 多个频率分量，但各分量的幅度随频率的增大而减小。其信号功率主要集中在第一个 零值点的频率范围内( 甜在0 21 1 - 或o 1 t ) 。在允许一定失真条件下，只需传输 这一频率范围内的那些分量就足够了这个频率范围称为频带宽度，记为： a f 三( 2 3 8 ) f 本文研究的激光告警信号接收系统的激光信号的脉冲重复频率厂= 1k h z ，脉冲宽 度为1 0 2 0 n s 的高斯脉冲信号，可近似看为脉冲幅度为4 的方波信号则信号的时序 原理图如图2 9 所示 图2 9 激光脉冲信号的时序原理图 它的傅立叶级数的指数形式为： 复傅立叶系数为： ，( f ) - 即母。 e f ；f ( o e 曲” o i ( 2 3 9 ) = 1 一r i e _ j m d t = 譬泣t 令s ( 等三。q n q 。x ，考虑到q 。堡t s m ，上式可以写为 令s ( 等三。q 。，考虑到q _ 堡，上式可以写为 丁 e 。；音$ 1 1 1 m - ；置( 争 ( 2 4 1 ) r 取脉冲宽度为l o n s ，则e - l o - s o o l 5 埘) ，其频谱分析( f - 1 0 ，f ) ，如图2 1 0 所示 图2 1 0 激光脉冲信号的频谱 对于激光脉冲信号而言，它的频谱具有一般周期信号频谱的共同特点，它们的频谱是 离散的各谱线的幅度按包络线疋e 的规律交化在一芋( 万一土1 ，灿) 的处， 包络为零，其相应的的谱线，亦即相应的频率分量也等于零。激光脉冲信号包含无限 多条谱线，也就是说，它可分解为无限多个频率分量信号的基波频率为 1 8 q - 垄t ! 。1 0 3 x 幼一幼x 1 0 3 万r a d j 。实际上，由于各分量的幅度随频率的增高而减小， 其信号的能量主要集中在第一个零点珊垄! 内但这只是理论值，通常我们根据工程 经验，激光信号的上限截止频率可由公式a f 。o 3 5 洲 f 根据对激光脉冲信号频谱的分析，在电路设计时，对于器件的选择，在保证信号 没有过多失真和器件性能允许的情况下，选择合适的放大器频带宽度即可 1 9 第三章激光告警系统的设计 3 1 系统的总体方案 一般的激光告警系统通常由传感器、放大电路及处理电路、计算机接口电路等组 成。论文的系统组成如下所述： 一、激光信号探测与处理系统的硬件部分 1 接收系统 接收系统是激光告警系统与外界联系的窗口，负责接收从外界入射的激光脉冲信 号，并进行光电信号的转换，为后续处理电路提供可用信号。 本系统主要由光学组件，如滤光片、透镜，光电传感器组成通过选择合适的滤 光片，滤除背景光干扰，实现对一定波长范