一种提高外场重频激光光斑测量距离的方法
【技术领域】
[0001] 本方法设及窄脉宽激光信号时序测量、外场重频激光光斑图像远距离拍摄和摄像 机精确控制技术等多个领域。本方法适用于外场远距离摄像测量照射在祀标上的重频激光 光斑。本发明属于光电探测和信号处理技术领域。
【背景技术】
[0002] 半主动激光制导武器通过追踪照射在目标上的激光光斑实现对目标攻击，因此激 光指示精度不仅体现了激光指示器的性能，也影响激光制导弹的命中精度，是一项关键指 标，需要精确测量。挂载于飞机的激光指示吊舱，用于识别、跟踪地面目标并对目标连续照 射激光，受跟踪精度和激光指示器光轴一致性误差影响，激光指示位置相对预定瞄准位置 是有一定偏差的。在外场通常用摄像法测量照射在祀标上的激光光斑位置，计算激光指示 误差。祀标反射特性影响反射的激光光斑能量值分布，因此测试时使用均匀漫反射材料制 成的平面祀，W便提高测试精度。
[0003] 目前通用激光指示器的激光波长为1. 064ym，太阳光在此波段的福射也很强。设 激光脉冲能量为lOOmJ，束散角为0. 5皿ad，脉宽20ns，脉冲频率20化，照射距离10km，平面 祀架设倾角60°，阳光直射祀面，航路高度5km时大气衰减率估为20 %，则祀面上每个激光 脉冲能量均值约为4. 076mJ/m2。W国内北缔45°平原地区为例，地面此波段太阳光谱能量 最大值约为0. 6W/m2/nm，为抑制激光附近波段太阳光干扰，提高激光光斑信噪比，测量摄像 机需要加装窄带滤光片。设滤光片带宽为20nm，测量摄像机为CCD像机（CCIR制式），每帖 积分时间40ms，晴天正午阳光直射祀面时，可计算出每帖图像对应祀面上太阳光能量约为 480mJ/m2,每帖图像测量一个激光光斑，由此可知每帖图像对应祀面上激光光斑的信噪比 约为0. 072地，CCD像机不能对激光光斑有效成像。目前的工艺水平若进一步降低滤光片带 宽，透过率也随之下降，降低探测器接收到的激光光斑能量，将减小激光光斑测量距离。我 们目前使用有外触发功能的CCD像机，设置CCD像机工作在外触发模式，通过控制快口曝光 时间减小每帖图像积分时间，降低CCD像机每帖图像接收的太阳光能量，另外，为保证激光 光斑录取率，也需要控制CCD像机工作在外触发模式。
[0004] 为提高半主动激光制导武器的抗干扰性能，目前使用的激光指示器采用精确频率 码对激光脉冲的发射时间进行精确控制，按照等时间间隔发射激光脉冲，导引头也按照约 定的编码时序探测激光脉冲。利用半主动激光制导武器激光照射的时域特性，是外场提高 重频激光光斑图像信噪比的有效途径。我们现在采用的是预测法，该测量方法是W第1~3 个激光脉冲作启动信号，计算相邻激光脉冲间隔时间，从第4个激光脉冲开始，W前一个激 光脉冲的照射时刻为基准，按照设定的间隔时间在下一个激光脉冲照射前开启CCD像机快 n，曝光时间100yS。晴天正午阳光直射祀面时，该测试方式每帖图像对应祀面上太阳光能 量约为1. 2mJ/m2,祀面上激光光斑的信噪比约为16地。该型号CCD像机的快口开启时刻误 差约为30ys，在摄像前设置曝光时间，在摄像过程中不能改变每帖图像的曝光时间，考虑 激光指示器发射激光脉冲的时序抖动和生成CCD像机快口启动方波信号的时序误差，为保 证激光光斑录取率99. 9%的测量要求，每帖图像100ys的曝光时间是一稳妥控制参数，近 一步减小曝光时间会降低激光光斑录取率。CCD像机接收到的激光脉冲能量反比于测量距 离的平方，增加测量距离对激光脉冲能量衰减很大，因此目前使用的测量系统有效测量距 离约为300m~500m，该测量系统对于固定目标的测量是可W满足使用要求的。随着半主动 激光制导武器的发展，激光制导弹具备了攻击运动目标的能力，需要实时监测激光指示吊 舱对运动祀标照射过程中的激光指示误差，考虑运动祀标的行进路线，完成运动祀标行进 过程中激光照射位置的全程测量，需要进一步提高激光摄像系统的有效测量距离到1500m。
[0005] 通过分析制约激光摄像系统测量距离的各种因素，确定了选用有外触发功能的高 灵敏度摄像机和精确控制曝光时间的方案，验证试验表明该方法在满足激光光斑录取率的 同时，有效提高了激光摄像系统的测量距离，且可自适应激光照射时序波动和激光脉宽抖 动。该方法选用某型高灵敏度短波制冷红外摄像机，针对其外触发控制特性，设计一种实时 高精度控制摄像机快口曝光时序的方法，在提高激光光斑探测灵敏度的同时，显著增加了 重频激光光斑图像的信噪比，大幅度提高了激光光斑摄像系统的测量距离，解决了昼间外 场远距离测量祀标上重频激光光斑位置的难题，为评定激光指示吊舱对运动目标的照射性 能提供了依据。
【发明内容】
[0006] 由外场摄像法测量祀标上的重频激光光斑原理可知，提高激光摄像系统测量距离 的方法大约有五种，一是减小窄带滤光片带宽，降低阳光背景干扰；二是减小摄像机曝光时 间，降低阳光背景干扰；=是选用高灵敏度摄像机；四是增加摄像机光学系统的相对孔径 值/F)，提高摄像机的光通量，五是使用弱信号识别技术。从目前窄带滤光片的工艺水平分 析，显著降低窄带滤光片带宽近期难W实现；受目前近红外光学系统设计水平和加工工艺 制约，增加摄像机光学系统的相对孔径成本巨大，不符合测量系统的设计要求；弱信号识别 技术适用于测量后的图像处理，不满足激光指示性能试验中对激光光斑的实时监测要求； 因此第二种和第=种方法是我们考虑的重点。目前使用的CCD像机对1. 064ym激光的探测 灵敏度较低，快口控制精度差，因此我们选用了某型高灵敏度的短波制冷红外摄像机，该像 机对1. 06ym光谱量子效率约50%，是在用测量系统中CCD像机灵敏度的6~8倍。采用 与在用测量系统类似的光学系统、窄带滤光片及曝光时间等参数条件，按照前述的激光指 示器的照射条件进行激光光斑测量试验，有效测量距离约增加20%~30%，与预期效果差 距很大。在夜间进行同样的激光光斑测量比对试验，有效测量距离增加约4~5倍，运说明 对于2000m测量距离，该型红外摄像机的灵敏度是够用的，白天不能对激光光斑清晰成像， 是因为太阳光产生的背景干扰造成激光光斑图像信噪比下降，因此在摄像机灵敏度达到一 定值后，仅仅提高摄像机灵敏度对提高激光光斑测量距离的作用已不明显，此时增加激光 光斑图像信噪比是进一步提高激光光斑测量距离的最佳途径。
[0007] 根据我们上述分析及验证试验结果，本发明提出了一种提高外场重频激光光斑测 量距离的方法，并给出了测量系统的设计方案。首先选用高灵敏度短波制冷红外摄像机，该 摄像机具备外触发控制模式，可实时精确控制快口的开启、关闭；其次使用具有外触发控制 模式的图像采集卡，同步采集红外摄像机测量的激光光斑图像；再次设计了高精度的激光 脉冲时序测量和摄像机快口控制系统，实现了摄像机快口的精确控制；最后根据激光指示 吊舱照射在目标上的激光脉冲时域特性，设计了摄像机曝光时序的最优控制策略，自适应 激光照射时序波动和激光脉宽抖动，显著提高了激光光斑图像信噪比，解决了昼间远距离 测量祀标上重频激光光斑位置的难题。
[0008] 本发明提出的激光光斑测量系统的组成及工作原理如图1所示。光电探测模块 (1)接收到激光脉冲信号后，输出电脉冲信号到运算放大模块（2)，放大处理后送到信号处 理模块（3)进行比较和整形处理，生成与激光脉冲上升沿和下降沿对应的方波信号，输出 到时码钟（4)和激光光斑测