一種提高外場重頻激光光斑測量距離的方法
【技術領域】
[0001] 本方法設及窄脈寬激光信號時序測量、外場重頻激光光斑圖像遠距離拍攝和攝像 機精確控制技術等多個領域。本方法適用于外場遠距離攝像測量照射在祀標上的重頻激光 光斑。本發明屬于光電探測和信號處理技術領域。
【背景技術】
[0002] 半主動激光制導武器通過追蹤照射在目標上的激光光斑實現對目標攻擊，因此激 光指示精度不僅體現了激光指示器的性能，也影響激光制導彈的命中精度，是一項關鍵指 標，需要精確測量。掛載于飛機的激光指示吊艙，用于識別、跟蹤地面目標并對目標連續照 射激光，受跟蹤精度和激光指示器光軸一致性誤差影響，激光指示位置相對預定瞄準位置 是有一定偏差的。在外場通常用攝像法測量照射在祀標上的激光光斑位置，計算激光指示 誤差。祀標反射特性影響反射的激光光斑能量值分布，因此測試時使用均勻漫反射材料制 成的平面祀，W便提高測試精度。
[0003] 目前通用激光指示器的激光波長為1. 064ym，太陽光在此波段的福射也很強。設 激光脈沖能量為lOOmJ，束散角為0. 5皿ad，脈寬20ns，脈沖頻率20化，照射距離10km，平面 祀架設傾角60°，陽光直射祀面，航路高度5km時大氣衰減率估為20 %，則祀面上每個激光 脈沖能量均值約為4. 076mJ/m2。W國內北締45°平原地區為例，地面此波段太陽光譜能量 最大值約為0. 6W/m2/nm，為抑制激光附近波段太陽光干擾，提高激光光斑信噪比，測量攝像 機需要加裝窄帶濾光片。設濾光片帶寬為20nm，測量攝像機為CCD像機（CCIR制式），每帖 積分時間40ms，晴天正午陽光直射祀面時，可計算出每帖圖像對應祀面上太陽光能量約為 480mJ/m2,每帖圖像測量一個激光光斑，由此可知每帖圖像對應祀面上激光光斑的信噪比 約為0. 072地，CCD像機不能對激光光斑有效成像。目前的工藝水平若進一步降低濾光片帶 寬，透過率也隨之下降，降低探測器接收到的激光光斑能量，將減小激光光斑測量距離。我 們目前使用有外觸發功能的CCD像機，設置CCD像機工作在外觸發模式，通過控制快口曝光 時間減小每帖圖像積分時間，降低CCD像機每帖圖像接收的太陽光能量，另外，為保證激光 光斑錄取率，也需要控制CCD像機工作在外觸發模式。
[0004] 為提高半主動激光制導武器的抗干擾性能，目前使用的激光指示器采用精確頻率 碼對激光脈沖的發射時間進行精確控制，按照等時間間隔發射激光脈沖，導引頭也按照約 定的編碼時序探測激光脈沖。利用半主動激光制導武器激光照射的時域特性，是外場提高 重頻激光光斑圖像信噪比的有效途徑。我們現在采用的是預測法，該測量方法是W第1~3 個激光脈沖作啟動信號，計算相鄰激光脈沖間隔時間，從第4個激光脈沖開始，W前一個激 光脈沖的照射時刻為基準，按照設定的間隔時間在下一個激光脈沖照射前開啟CCD像機快 n，曝光時間100yS。晴天正午陽光直射祀面時，該測試方式每帖圖像對應祀面上太陽光能 量約為1. 2mJ/m2,祀面上激光光斑的信噪比約為16地。該型號CCD像機的快口開啟時刻誤 差約為30ys，在攝像前設置曝光時間，在攝像過程中不能改變每帖圖像的曝光時間，考慮 激光指示器發射激光脈沖的時序抖動和生成CCD像機快口啟動方波信號的時序誤差，為保 證激光光斑錄取率99. 9%的測量要求，每帖圖像100ys的曝光時間是一穩妥控制參數，近 一步減小曝光時間會降低激光光斑錄取率。CCD像機接收到的激光脈沖能量反比于測量距 離的平方，增加測量距離對激光脈沖能量衰減很大，因此目前使用的測量系統有效測量距 離約為300m~500m，該測量系統對于固定目標的測量是可W滿足使用要求的。隨著半主動 激光制導武器的發展，激光制導彈具備了攻擊運動目標的能力，需要實時監測激光指示吊 艙對運動祀標照射過程中的激光指示誤差，考慮運動祀標的行進路線，完成運動祀標行進 過程中激光照射位置的全程測量，需要進一步提高激光攝像系統的有效測量距離到1500m。
[0005] 通過分析制約激光攝像系統測量距離的各種因素，確定了選用有外觸發功能的高 靈敏度攝像機和精確控制曝光時間的方案，驗證試驗表明該方法在滿足激光光斑錄取率的 同時，有效提高了激光攝像系統的測量距離，且可自適應激光照射時序波動和激光脈寬抖 動。該方法選用某型高靈敏度短波制冷紅外攝像機，針對其外觸發控制特性，設計一種實時 高精度控制攝像機快口曝光時序的方法，在提高激光光斑探測靈敏度的同時，顯著增加了 重頻激光光斑圖像的信噪比，大幅度提高了激光光斑攝像系統的測量距離，解決了晝間外 場遠距離測量祀標上重頻激光光斑位置的難題，為評定激光指示吊艙對運動目標的照射性 能提供了依據。
【發明內容】
[0006] 由外場攝像法測量祀標上的重頻激光光斑原理可知，提高激光攝像系統測量距離 的方法大約有五種，一是減小窄帶濾光片帶寬，降低陽光背景干擾；二是減小攝像機曝光時 間，降低陽光背景干擾；=是選用高靈敏度攝像機；四是增加攝像機光學系統的相對孔徑 值/F)，提高攝像機的光通量，五是使用弱信號識別技術。從目前窄帶濾光片的工藝水平分 析，顯著降低窄帶濾光片帶寬近期難W實現；受目前近紅外光學系統設計水平和加工工藝 制約，增加攝像機光學系統的相對孔徑成本巨大，不符合測量系統的設計要求；弱信號識別 技術適用于測量后的圖像處理，不滿足激光指示性能試驗中對激光光斑的實時監測要求； 因此第二種和第=種方法是我們考慮的重點。目前使用的CCD像機對1. 064ym激光的探測 靈敏度較低，快口控制精度差，因此我們選用了某型高靈敏度的短波制冷紅外攝像機，該像 機對1. 06ym光譜量子效率約50%，是在用測量系統中CCD像機靈敏度的6~8倍。采用 與在用測量系統類似的光學系統、窄帶濾光片及曝光時間等參數條件，按照前述的激光指 示器的照射條件進行激光光斑測量試驗，有效測量距離約增加20%~30%，與預期效果差 距很大。在夜間進行同樣的激光光斑測量比對試驗，有效測量距離增加約4~5倍，運說明 對于2000m測量距離，該型紅外攝像機的靈敏度是夠用的，白天不能對激光光斑清晰成像， 是因為太陽光產生的背景干擾造成激光光斑圖像信噪比下降，因此在攝像機靈敏度達到一 定值后，僅僅提高攝像機靈敏度對提高激光光斑測量距離的作用已不明顯，此時增加激光 光斑圖像信噪比是進一步提高激光光斑測量距離的最佳途徑。
[0007] 根據我們上述分析及驗證試驗結果，本發明提出了一種提高外場重頻激光光斑測 量距離的方法，并給出了測量系統的設計方案。首先選用高靈敏度短波制冷紅外攝像機，該 攝像機具備外觸發控制模式，可實時精確控制快口的開啟、關閉；其次使用具有外觸發控制 模式的圖像采集卡，同步采集紅外攝像機測量的激光光斑圖像；再次設計了高精度的激光 脈沖時序測量和攝像機快口控制系統，實現了攝像機快口的精確控制；最后根據激光指示 吊艙照射在目標上的激光脈沖時域特性，設計了攝像機曝光時序的最優控制策略，自適應 激光照射時序波動和激光脈寬抖動，顯著提高了激光光斑圖像信噪比，解決了晝間遠距離 測量祀標上重頻激光光斑位置的難題。
[0008] 本發明提出的激光光斑測量系統的組成及工作原理如圖1所示。光電探測模塊 (1)接收到激光脈沖信號后，輸出電脈沖信號到運算放大模塊（2)，放大處理后送到信號處 理模塊（3)進行比較和整形處理，生成與激光脈沖上升沿和下降沿對應的方波信號，輸出 到時碼鐘（4)和激光光斑測