五波段目标辐射便携式激光模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及一种五波段目标辐射便携式激光模拟装置及方法，属于光电测试技术领域。

背景技术

作为精确制导武器的导弹对作战飞机(战斗机、预警机、轰战机、大型无人机及直升机等)构成严重威胁，为了提高作战飞机在现代战争中的生存能力，设法免遭导弹攻击，现有各种作战飞机均装备有机载导弹逼近报警系统，通过探测敌方导弹尾焰流场辐射、测距激光辐射等，判定是否有导弹来袭。为了判定机载导弹逼近报警系统的可靠性，需要对其进行测试，如果采取实弹方式测试，成本高、周期长，且无法多次快速开展试验。鉴于此，在现有技术中出现了一种导弹目标辐射模拟系统。公开号为CN109489506A的一件发明专利申请提出了“一种多波段目标辐射模拟系统”。该方案采用碳化硅加热棒作为辐射源；采用滤光片在碳化硅加热棒的全谱段即0.15μm～14μm中截取0.2μm～0.28μm、3.7μm～4.2μm和4.4μm～4.8μm波段的辐射；通过百叶窗在开闭之间的调整来改变辐射的时间特性，如辐射强度变化。实现了对多波段目标辐射的模拟。但是，所述方案存在一些技术问题：1、所述辐射源是一种热辐射源，且具有全谱段辐射，但是只有三个特定波段(一个紫外、两个中红外)用做辐射模拟，得到利用的辐射能量只占全谱段的百分之几到千分之几，90％以上的辐射能量被浪费；2、所述热辐射源体积较大，很难采用通常的光学系统将其辐射角度压缩到较小的范围内，从而使其等效为点源，仅就所述三个波段而言，因辐射分散造成进一步的辐射能量浪费；3、通过控制百叶窗的开闭来模拟导弹发动机点火时的辐射时间特性，由于百叶窗的开闭为机械式的，速率通常为毫秒量级，再加上中红外波段较强的衍射特性，这种方式的模拟时间分辨率较低；4、所述模拟系统十分笨重，移动布设十分不便，因此，为了变换地形，实际操作起来会十分困难；5、该模拟系统缺乏对测距激光的模拟，例如，1064nm或者1550nm高频脉冲激光，而测距激光是来袭导弹向作战飞机一方主动发射的较强光束，自身暴露明显。

发明内容

为了解决所述现有技术存在的技术问题，本发明提出了一种五波段目标辐射便携式激光模拟装置及方法，由对应波长的激光器模拟目标辐射，根据目标辐射的时间特性控制激光器发光，现有技术存在的各种问题随之得到解决。

本发明之五波段目标辐射便携式激光模拟装置其特征在于，如图1所示，尾焰辐射源包括紫外辐射源、第一红外辐射源、第二红外辐射源，测距辐射源包括第一测距红外辐射源、第二测距红外辐射源；所述尾焰辐射源、测距辐射源均由半导体激光器发出光辐射；所述半导体激光器由辐射源电源模块提供工作电流；所述尾焰辐射源、测距辐射源均与主控模块连接，由主控模块提供半导体激光器的工作温度参数和驱动电流参数，主控模块还为测距辐射源提供脉冲频率参数；主控模块还与跟踪模块连接，主控模块为跟踪模块提供被测作战飞机类型信息；尾焰辐射源、测距辐射源、电源模块、主控模块以及跟踪模块中的其他组成部分均安装在跟踪模块中的手持式二维转台上，所述尾焰辐射源、测距辐射源中的准直单元的光轴与跟踪模块中的成像系统的光轴平行，跟踪模块能够保持其成像系统与被测作战飞机的瞄准关系。

本发明之五波段目标辐射便携式激光模拟方法其特征在于，如图1、图3～图5所示，首先，主控模块将用户设定的被测作战飞机类型信息、用户需要模拟的测距辐射的脉冲频率参数以CAN总线通讯方式分别发送给跟踪模块、测距辐射源，根据用户需要模拟的尾焰辐射和测距辐射的光波长、光功率将半导体激光器工作温度参数、驱动电流参数以D/A转换方式发送给尾焰辐射源和测距辐射源；其次，跟踪模块运用ATP技术实现对被测作战飞机的动态跟踪，并将跟踪状态以CAN总线通讯方式反馈给主控模块；第三，由辐射源电源模块为尾焰辐射源、测距辐射源供电，如图1、图2、图4、图5所示，由尾焰辐射源沿与跟踪模块成像光路平行的方向发射所需光波长和光功率的尾焰辐射，由测距辐射源沿与跟踪模块成像光路平行的方向发射所需光波长、光功率以及脉冲频率的测距辐射，尾焰辐射源、测距辐射源以A/D转换方式分别将尾焰辐射、测距辐射的实时半导体激光器工作温度参数、驱动电流参数反馈给主控模块。

本发明其技术效果在于：

1、在本发明中，由于不论是模拟尾焰辐射还是测距辐射，辐射源都是半导体激光器，并且，根据模拟辐射的波段不同，选用发光波段与之对应的半导体激光器，同时，半导体激光器具有非常窄的发光光谱宽度，例如，尾焰辐射源选用量子级联激光器作为红外辐射源，其发光光谱宽度只有100～200nm，相比于现有采用碳化硅加热棒的导弹目标辐射模拟系统，本发明能耗降低了2～3个量级，可见，本发明几乎不存在辐射能量的浪费，再加上半导体激光器具有非常高的发光效率，因此，本发明大幅提高了辐射能量的利用率；2、本发明以半导体激光器作为辐射源，作为一种点状辐射源，光束质量高、发光面积小，采用小口径的光学准直系统就能够压缩束散角，将几乎全部辐射以准直的状态发射出去，进一步提高了辐射能量的利用率；3、半导体激光器的电光响应速率极高，电流/发光强度响应迅速，在尾焰辐射模拟方面，通过控制半导体激光器的驱动单元，如具体实施方式中的恒流驱动单元，快速调整半导体激光器的发光强度，调整延时可低至纳秒量级，真实模拟导弹发动机点火时的辐射时间特性，这种方式的模拟时间分辨率明显提高；因此还伴随产生一个附带技术效果，即相比于现有采用百叶窗遮挡的辐射时间特性模拟，本发明的辐射源并不是始终开着，而是开或者关，所以，避免在这一环节中发生辐射能量的浪费；4、在本发明之模拟装置中，除了小巧的半导体激光器，其他组成部分多为微电子器件和少数几个小型光学元件，整体的体积小、重量轻，能够手持使用，具有便携特点，方便布设，使用和操作非常容易；5、本发明不仅设立尾焰辐射源，还专门设置测距辐射源，扩大了模拟范围，能够满足模拟来袭导弹测距辐射需要。

最后还有一个附带的技术效果。在本发明中尾焰辐射源、测距辐射源相对独立，平行工作，并且，不论是尾焰辐射源还是测距辐射源，还可以平行设置多个，如分设紫外辐射源、第一红外辐射源、第二红外辐射源共3个尾焰辐射源，两个红外辐射源的辐射中心波长不同，再如分设第一测距红外辐射源、第二测距红外辐射源，两个红外辐射源的辐射中心波长不同，各个辐射源能够分别控制、独立工作，从而根据需要开启其中某个或者某几个，而不必全部开启，即使开启几个，也还可以根据预定的光强比发射所需辐射，在避免辐射能量浪费的前提下，模拟不同类型导弹的红外、紫外辐射。

附图说明

图1是本发明之五波段目标辐射便携式激光模拟装置整体结构框图，该图同时作为摘要附图。图2是本发明之五波段目标辐射便携式激光模拟装置中的辐射源电源模块结构框图及辐射源电源模块与各辐射源结构关系框图。图3是本发明之五波段目标辐射便携式激光模拟装置中的主控模块、跟踪模块各自的结构框图及主控模块与跟踪模块结构关系框图。图4是本发明之五波段目标辐射便携式激光模拟装置中的主控模块、尾焰辐射源各自的结构框图及主控模块与尾焰辐射源结构关系框图。图5是本发明之五波段目标辐射便携式激光模拟装置中的主控模块、测距辐射源各自的结构框图及主控模块与测距辐射源结构关系框图。

图1～图5同时以箭头连线的方式示意本发明之五波段目标辐射便携式激光模拟方法。

具体实施方式

本发明之五波段目标辐射便携式激光模拟装置其具体实施方式如下所述。

在所述尾焰辐射源中，如图4所示，准直单元位于半导体激光器的出射光路上，半导体激光器固定在热沉上，温度传感器、半导体制冷器分别与热沉接触，温度传感器、温度控制单元、半导体制冷器依次电连接，恒流驱动单元与半导体激光器电连接。作为紫外辐射源的尾焰辐射源，所述半导体激光器为紫外半导体激光器，中心波长为280nm；准直单元为透射式准直单元，口径为25mm；作为第一红外辐射源、第二红外辐射源的尾焰辐射源，所述半导体激光器为量子级联激光器，第一红外辐射源中的量子级联激光器的中心波长为3.5μm，调整范围为3.35μm～3.65μm，第二红外辐射源中的量子级联激光器的中心波长为4.7μm，调整范围为4.55μm～4.85μm；准直单元为反射式准直单元，具体为卡塞格林光学系统，其中的主镜、次镜均为双曲面反射镜，光学系统的口径为50mm。

导弹尾焰流场辐射的红外辐射波段为2～5μm，具体包括2.5～2.8μm、3.4～3.6μm、4.2～4.4μm、4.6～4.8μm，由于2.5～2.8μm波段、4.2～4.4μm波段的大气透过率很低，因此，实际上导弹对外辐射有两个较强的辐射峰，即3.4～3.6μm、4.6～4.8μm波段，本发明据此设置第一红外辐射源、第二红外辐射源，中心波长分别为3.5μm、4.7μm。

第一红外辐射源、第二红外辐射源中的量子级联激光器发光模式为单模，光束质量好，与之配合的准直单元能够达到近衍射极限，所采用的卡塞格林光学系统50mm的口径即可实现准直，相比于透射式准直单元，焦距短、重量轻。

在所述测距辐射源中，如图5所示，准直单元位于半导体激光器的出射光路上，半导体激光器固定在热沉上，温度传感器、半导体制冷器分别与热沉接触，温度传感器、温度控制单元、半导体制冷器依次电连接；恒流驱动单元、偏置调制器、半导体激光器依次电连接；隔离收发器、信号发生器、偏置调制器依次电连接；所述半导体激光器为红外半导体激光器，第一测距红外辐射源、第二测距红外辐射源中的红外半导体激光器的中心波长分别为1.06μm、1.55μm；所述准直单元为透射式准直单元，口径为25mm。

所述尾焰辐射源、测距辐射源中的热沉材质为紫铜，半导体激光器、温度传感器、半导体制冷器与热沉之间涂覆导热硅脂。所述尾焰辐射源、测距辐射源中的温度传感器为一种热敏电阻，常温下阻值为10kΩ。在所述尾焰辐射源、测距辐射源中，由温度传感器、温度控制单元、半导体制冷器、热沉构成闭环温控回路，温控精度为±0.1℃；改变半导体制冷器的工作电流方向，半导体制冷器的工作状态在制冷、制暖之间切换。

在辐射源电源模块中，如图2所示，开关式降压单元输入端外接市电，如220V交流电，开关式降压单元输出端有多个，每个输出端接一个降压稳流单元；一个辐射源电源模块能够同时为多个尾焰辐射源、测距辐射源中的半导体激光器提供驱动电流。

在主控模块中，如图3、图4或者图5所示，主控单元分别与通信单元、数模转换器、模数转换器连接；主控单元由一个微控制器担当，如STM32F67型微控制芯片，这是一个采用Cortex-M7架构的ARM处理器；在通信单元中，内置一个隔离CAN(Controller AreaNetwork)收发器，如CTM1051M型通用CAN隔离收发芯片；数模转换器具体是一个DAC8532型芯片，具有多路输出，采样精度为16位；模数转换器具体是一个ADS1256芯片，具有多路输入，采样速率为30ksps，采样精度为24位；所述数模转换器、模数转换器通过GPIO接口与主控单元相连接。

在跟踪模块中，如图3所示，光电探测器的感光面位于成像系统的像面处；微控制器分别与光电探测器、隔离收发器、电机驱动器电连接，电机驱动器还与手持式二维转台中的驱动电机电连接；所述微控制器具体是一个STM32F67型微控制芯片，所述电机驱动器具体是一个LV8726型电机驱动芯片，所述隔离收发器具体是一个CTM1051M型通用CAN隔离收发芯片。

辐射源电源模块中各个降压稳流单元分别与紫外辐射源、第一红外辐射源、第二红外辐射源、第一测距红外辐射源、第二测距红外辐射源中的恒流驱动单元连接，如图2、图4、图5连接。

主控模块中的通信单元分别与用户、跟踪模块、测距辐射源建立CAN总线通讯关系；所述通信单元与跟踪模块中的隔离收发器连接，实现主控模块中的主控单元与跟踪模块中的微控制器之间的通信，如图3所示；所述通信单元与测距辐射源中的隔离收发器连接，实现主控模块中的主控单元与测距辐射源中的信号发生器之间的通信，如图5所示。

主控单元中的数模转换器、模数转换器均与尾焰辐射源、测距辐射源中的恒流驱动单元、温度控制单元连接，如图4、图5所示。

本发明之五波段目标辐射便携式激光模拟方法其具体实施方式如下所述。

用户以CAN总线通讯方式通过主控模块中的通信单元向主控模块中的主控单元发送用户指令，包括设定的被测作战飞机类型信息、需要模拟的测距辐射的脉冲频率参数、需要模拟的尾焰辐射和测距辐射的光波长、光功率，如图3～图5所示；由主控单元对所述光波长、光功率进行换算处理，分别生成半导体激光器工作温度调整量数字控制信号、驱动电流调整量数字控制信号，然后，如图4、图5所示，通过主控模块中的数模转换器：一是将工作温度调整量数字控制信号转换为模拟控制信号，之后发送给尾焰辐射源、测距辐射源中的温度控制单元，二是将驱动电流调整量数字控制信号转换为模拟控制信号，之后发送给尾焰辐射源、测距辐射源中的恒流驱动单元；由主控单元通过通信单元以CAN总线通讯方式：一是经跟踪模块中的隔离收发器将被测作战飞机类型信息发送给跟踪模块中的微控制器，如图3所示，二是经测距辐射源中的隔离收发器将测距辐射脉冲频率参数发送给测距辐射源中的信号发生器，如图5所示。

操控手持式二维转台使被测作战飞机进入跟踪模块成像系统视场，如图3所示，将被测作战飞机成像于光电探测器中，由光电探测器将被测作战飞机图像发送给微控制器，微控制器判定被测作战飞机类型与用户指令设定的被测作战飞机类型一致，微控制器运用ATP技术(捕获、对准、跟踪技术)处理图像，计算得到手持式二维转台在俯仰、方位两个方向上需要调整的角度，通过电机驱动器驱动手持式二维转台转动，实现对作战飞机的动态跟踪，同时能够消除模拟装置小幅晃动对跟踪的影响。

在测距辐射源工作过程中，如图5所示，信号发生器根据接收到的测距辐射脉冲频率参数产生脉冲调制信号并发送给偏置调制器，由偏置调制器将该脉冲调制信号作为一种偏置信号添加到来自恒流驱动单元的驱动电流上生成直流驱动信号，驱动半导体激光器发出测距辐射。

在尾焰辐射源或者测距辐射源工作过程中，如图4、图5所示，恒流驱动单元根据用户指令向半导体激光器提供驱动电流，半导体激光器发出的尾焰辐射或者测距辐射经准直单元准直后沿与跟踪模块成像光路平行的方向发射，所述尾焰辐射或者测距辐射的束散角与跟踪模块成像系统的视场角重合；温度传感器自热沉处取得半导体激光器实时工作温度信息，并传送给温度控制单元，由温度传感器与用户指令对比，如有偏差则驱动半导体制冷器制冷或者制暖，通过热沉保持半导体激光器工作温度不变；尾焰辐射源或者测距辐射源中的恒流驱动单元、温度控制单元将半导体激光器实时工作温度模拟信号、驱动电流模拟信号传送给主控模块中的模数转换器，经A/D转换后发送给主控单元，再由主控单元解算出尾焰辐射或者测距辐射的波长和光功率后，通过通信单元反馈给用户。

半导体激光器工作温度不变，其效果一是所发出的尾焰辐射的波长不变，二是器件内阻不变；由于半导体激光器属于电流驱动器件，驱动电流不变，出射光的光功率原本也恒定，但是，如果器件温度发生变化，器件内阻也会随之变化，最终引起光功率发生变化，不过，本发明能够保持器件温度大致恒定，因此，发出的尾焰辐射或者测距辐射的光功率大致不变。