[发明专利]一种提高外场重频激光光斑测量距离的方法

说明书

技术领域

本方法涉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靶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

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靶标上的激光光斑位置，计算激光指示误差。靶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靶，以便提高测试精度。

目前通用激光指示器的激光波长为1.064μm，太阳光在此波段的辐射也很强。设激光脉冲能量为100mJ，束散角为0.5mrad，脉宽20ns，脉冲频率20Hz，照射距离10km，平面靶架设倾角60°，阳光直射靶面，航路高度5km时大气衰减率估为20％，则靶面上每个激光脉冲能量均值约为4.076mJ/m²。以国内北纬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)，每帧积分时间40ms，晴天正午阳光直射靶面时，可计算出每帧图像对应靶面上太阳光能量约为480mJ/m²，每帧图像测量一个激光光斑，由此可知每帧图像对应靶面上激光光斑的信噪比约为0.072dB，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，通过控制快门曝光时间减小每帧图像积分时间，降低CCD像机每帧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。

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，该测量方法是以第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，以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像机快门，曝光时间100μs。晴天正午阳光直射靶面时，该测试方式每帧图像对应靶面上太阳光能量约为1.2mJ/m²，靶面上激光光斑的信噪比约为16dB。该型号CCD像机的快门开启时刻误差约为30μs，在摄像前设置曝光时间，在摄像过程中不能改变每帧图像的曝光时间，考虑激光指示器发射激光脉冲的时序抖动和生成CCD像机快门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，每帧图像100μs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以满足使用要求的。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靶标照射过程中的激光指示误差，考虑运动靶标的行进路线，完成运动靶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。

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门曝光时序的方法，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靶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