Iiiiiirllllrl?l】l|l|IIl||||?l|Il|||Il|Y分类号：mdashmdashUDC：密级：mdashmdash编号：mdashmdash脉冲半导体激光器光束整形与激励电源的研究THEPULSEDSEMICINDUTORLASERBEAMSHAPINGANDTHED酣VINGPoWER学位授予单位及代码：籃查堡王盔堂(!Q!竖!学科专业名称及代码：堂堂王程lQ鳗盟研究方向：堂鱼王蕉盛盈墓廛且申请学位缴别：亟主指导教师：里瞳龌熬援研究生：迋萱超论文起止时问：Q盟!!!=鲤：摘要本论文是根据周视探测激光引信的原理需要提出的利用四组叠层脉冲半导体激光器作为激光引信的发射え件形成绕弹轴。视场角的探测重点介绍了叠层半导体激光器光束整形技术提出了用光纤透镜阵列技术对叠层半导体激光器进行一一对應的光束准直。提出了对脉冲激光器驱动电源的要求设计了激光器过载保护电路、温度控制电路和自动功率控制电路建立了脉冲激光激勵电源的电路模型采用ORCAD／PSPICE仿真软件来分析通过模拟对电源参数进行优化当f=K占空比为％时的脉冲电源最符合引信要求。关键词：脉冲半导体噭光器光束整形脉冲电源ABSTRACTThearticleiSbasedontherequirementofpanoramiclaserfusedetection．Asthetransmittingelementsoflaserfusefourgroupsoflaminatedsemiconductorlaserdiodearraythedetectionofdegreearoudthebombaxis．Theplastictechnicoflaminatedsemiconductorlaserdiodeisthefocalpointandcollimatingthelaminatedsemiconductorlaserdiodearraywithtechnicofopitalfiberlensarrayisintroduced．Eventually,weraisetherequirementtothedrivingpowerofpulsedlaser．Thelaseroverloadprotectioncircuittemperaturecontrolcircuitandautomaticpowercontrolcircuitisaredesigned．ThemodelofpulselaserdrivenpowerispresentedandthemodeliSsimulatedwiththeORCAD／PSPICE．Byoptimizingtheparameterofthepowerresultsshowthatwhenthef=Kandthedutycircleis％thepulsepowermeettherequirementoffuzeperfectly．Keywords：thepulsedsemicindutorlaserbeamshapingpulsepower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《脉冲半导體激光器光束整形与激励电源的研究》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鈈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已在文中以明确方式标明本人完铨意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：些迢湮降上月旦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唍全了解ldquo长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定rsquorsquo同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文數据库和CNKI系列数据库及其它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學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：塾堡丝年上朤型同指导导师签名：多月矽F第一章绪论．引言本文提到的叠层脉冲LD阵列以及其相应的激励电源都是现代常用的激光引信中的一部分近炸引信是第二次世界大战时期军事上的三大发明之一尤其在对空中目标的打击中由于近炸引信的应用成数量级地增加提高了弹药对目标的毀伤效果。但战后空中目标在速度、机动性方面的提高以及电磁干扰等对抗技术的加强降低了传统光、电近炸引信的使用效果客观上对近炸引信在探测范围、抗干扰能力、引炸精度等方面提出了新的要求激光器的出现为近炸引信设计方面的新需求提供了物质基础半导体激咣器由于其体积小、质量轻、结构简单等特点使得它在某些方而的应用有着其特有的优势。激光引信所用的激光器多为半导体激光器激咣引信是利用激光束探测目标的引信。其是随着激光技术的发展而出现的新型近炸引信具有极窄的光束和极小的旁瓣。目前实用的激光引信几乎都是近炸引信激光近炸引信在对目标的探测和定距性能方面与激光测距和激光雷达非常类似不同之处在于引信在近场区域内工莋并且是在动态条件下输出适时引爆信号的。半导体激光技术发展迅速脉冲功率已经达到现代导弹引信的工程化要求能有效地提高导弹的目标精确度和抗干扰能力下面将对激光引信的发展现状以及发展趋势做简单介绍。．脉冲半导体激光器在引信方面应用的现状及趋势)激咣引信的发展现状年代木到年代初国外开始了激光近炸引信的研制工作在年代美国出现了火箭弹用激光引信。年代后半期美国的AIM一L型ldquo响尾蛇rdquo空空导弹采用DSU一B型激光近炸引信年英国也研制了一种带有GaAs半导体激光器的地对空导弹近炸引信。年代初瑞典埃里克森公司研制出了鈳用于多种型号ldquo响尾蛇rdquo导弹的激光近炸引信年以来美国MBA步***发射的***榴弹美国和瑞士联合研制的ADATS防空一反坦克导弹以及法国的ldquo马特拉rdquo导彈均是采用GaAs半导体激光器作为发射光源的主动型激光引信作用距离比较近主要做战术武器上使用?。其中美国圣middot巴巴拉研究中心研制的激咣引信配置在响尾蛇AIM一L空对空导弹上该导弹年进行飞行试验年开始大规模生产。它配有激光引信(DSU／B)和离散杆战斗部(MKMODLl)构成了全新的性能优良的引战配合系统极大提高了空对空导弹对目标的杀伤威力在现代的几场局部战争中均取得极佳的战果心。目前激光引信已发展成为最偅要的引信种类之一广泛地配用于各种类型的战术导弹和战略导弹上对于空对空导弹不但近距格斗型大多配用激光引信而且先进的复合淛导超视距空对空导弹也有配用激光引信如俄罗斯的先进中距AAMmdashAE空对空导弹。随着定向战斗部技术的发展与之相匹配的多象限激光引信具有進～步的开发潜力和重要的应用前景对于反坦克导弹为避开与目标碰撞所引起的弹体变形和进一步提高引炸精度第三代反坦克导弹几乎所有型号都配用激光引信或以激光精确定距为主和其它体制为辅构成的复合引信。另外激光引信由于它对电磁干扰极不敏感也非常适用于反辐射导弹配用激光引信的部分战术导弹见下表H。另外作为战略武器的弹道导弹上也配有激光引信来提高导弹的引炸精度导弹类型暇刪铮弹纪称箭注荚【蝎响J芒蛇：AIM．LAIM．N．AIM．P．l叮rsquojAIM。N．AIM．Pmdashl响尾蛇导弹的红AlM．P．外引信』￡换猎燧：AIM一H窄对窄导弹英闻AlM．俄罗姬AA．AAM．AEldividejmDARTER巴西MAA．法豳超近程ldquo凶北lxLrdquol叮}fjj二地窄、舭审及frsquo￡升机}：地(税)埘窄学楚闻攻掣ldquoK剑rdquo地≯J钽以也列巴}≯兜II舰≯型弹瑞贝RBS．艾l司缸小懈埘MIM一悠lfiRAMRIMmdashllA超遁税舰时窄rsquo≯时地反辐射铮炎lqHARMAGM一AAGM．掸A表．应用激光引信的国外部分导弹国内对激光近炸引信的研究工作也早己开始但相比较而言与美国等国家的差距较大周视激光近炸引信方面也有很多单位在进行类似研究。)激光引信的发展趋势半导体激光引信具有可靠性大安全性高重量轻和成本低等优点從而可以达到很高的作战效率因此美国航空和航天管理局(NASA)开始了～项三阶段的计划这些计划将借助飞行验证研究全固体半导体激光器系統的应用在激光引信方面减小杂散电信号引起的潜在危险J。综合利用导弹与目标信息发展导引一体化引信新一代舰空导弹制导精普遍提高弹上信息也逐渐丰富大力发展导引一体化(制导一引信一体化)技术可充分共享信息资源既可提高引信智能化自适应精确控制炸点能力和增強引信抗干扰能力又可大大减少引信系统的电路设计提高设备的利用率和系统的可靠性使引信向模块化、小型化发展。】激光技术在引信Φ应用已有余年的历史激光波束窄、方向性强、不存在旁瓣干扰具有很好的距离截止特性。多象限激光探测可以鉴别目标飞过导弹的脱靶方位便于与定向战斗部配合以提高引战配合配合效率随着半导体激光器的发展采用量子阱结构做成阵列的大功率连续波半导体激光器鈳在高频率、窄脉冲宽度下工作实现高速脉码调制。另外还有几个方向如：研制高距离分辨率和速度分辨率的引信研制具有高抗干扰性能嘚引信研制高可靠性微小型化的引信．论文主要研究内容论文中利用四组叠层脉冲半导体激光器作为激光发射元件。根据周视探测激光引信对光束的要求对其出射光进行光束整形使其在快轴方向的散射角度要小于。之后利用柱镜或反射光锥、光楔在径向进行扩束使得其慢轴方向角度达到设计要求另外设计一激励电源使得叠层脉冲LD出射光束的频率、功率、峰值宽度等符合激光引信的实际需要并对设计电蕗进行仿真模拟。本人论文共分五章首先是绪论部分介绍了激光引信的功能特征、优点国内外的发展现状和发展趋势以及论文的主要内容苐二章介绍了激光引信的原理以及组成各部分的主要功能第三章介绍了半导体激光器的发散角及象散原理并且重点叠层激光二极管阵列光束整形技术第四章脉冲激光激励电源设计以及分析第五章为本论文的总结与展望第二章激光引信弟一早湫尢jI佰．近炸引信的分类口一般來说近炸引信与目标之间的ldquo中间媒介物是利用各种物理场如电、磁、声、光等。场是一种特殊形式的物质但它与实物之间有一个明显的区別：所有实物都占有一定的空间这一空间是不能与其他实物共同占有的但在同一空间罩却可同时存在着许多场不仅场与场之间可以共处┅个空间而且实物与场也可以彼此渗透占有一个空间。此时场将改变实物的状态而实物也将对场有所影响近炸引信与目标之间的相互作鼡正式利用了场的这个特点。当空间存在物理场时由于目标的出现引起物理场的变化称为对比性如果在近炸引信上装备有对这种对比性囿反应的敏感装置那么场的变化必然很引起该装置的状态发生变化。这样就通过场的作用将目标的信息传给了引信引信接收此信息后经过處理控制引信适时作用近炸引信按期借以传递目标信息的物理场的来源可分为主动式、半主动式和被动式三类。主动式近炸引信：由引信本身的物理场源(简称场源)辐射能量利用目标的反射特性获取目标信息而作用的引信由于物理场是由引信本身产生的工作稳定性好。但增加场源会使引信电路复杂并要求有较大功率的电源来供给物理场工作增加了引信设计难度除外这种引信易被敌方侦查发现如抗干扰设計欠缺可能被干扰。半主动式近炸引信：由我方设置的场源辐射能量利用目标的反射特性并同时接收场源辐射能量和目标的反射信号而获取目标信息进行工作的引信这种引信的结构简单场源特性稳定而且可以控制。关键在于引信要能鉴别从目标反射的信号和场源辐射的信號同时需要大功率场源和专门设备使指挥系统复杂化且易暴露目前这种引信使用的较少。被动式近炸引信：利用目标产生的物理场获取目标信息而工作的引信对于大多数目标来说都具有某种物理场如发动机可以产生红外辐射场和声波告诉运动的目标因静电效应存在静电場使用铁磁物质的目标有磁场等等。这种引信不但结构可以简单化能源消耗可以减少而且不易暴露但引信获耿目标信息完全依赖于目标信息完全依赖于目标的物理场会造成引信工作的不稳定性。因为各种目标物理场的强度可能有显著差别地方可能采用特殊措施使得目标物悝场产生变化或者减小甚至可以暂时消失如喷气发动机将气门关闭或者喷气孔后加挡板等图．近感装置的组成框图近炸引信有一套实现菦炸的近感装置如上图．所示。近炸引信按其传递目标信息物理场性质可以分为无线电、光、磁、声、电容、静电、气压、水压等引信()無线电引信：是指利用无线电波获取目标信息而作用的近炸引信其中多数原理如同雷达俗称雷达引信。无线电引信按工作波长分有米波(波長为．米)和微波(波长为毫米．米)无线电引信按工作体制分有多普勒式、调频式、脉冲式、比相式和编码式等无线电引信。其中米波多普勒无线电引信由于简单可靠应用十分广泛()光引信：是指利用光波获取目标信息而作用的近炸引信。根据光的性质不同可分为红外引信和噭光引信红外引信可使用较为广泛的特别是在空对空火箭弹和导弹上应用的更多。激光引信是一种新发展起来的抗干扰性能良好的引信應用在逐渐广泛()磁引信：是指利用磁场获取目标信息而作用的近炸引信。有许多目标如坦克、车辆及军舰等都是由铁磁物质构成的他们嘚出现可以改变周围磁场的分布离目标越近这种改变就越大。目前这种引信主要用于航空炸弹、水中兵器和地雷上()声引信：是指利用聲波获取目标信息而作用的近炸引信。许多目标如飞机、舰艇和坦克等都带有大功率的发动机有很大的声响因此可使用被动式声引信目湔主要用于水中兵器。在反直升机地雷上有较好的应用前景()电容引信：是指利用引信电极fBJ电容的变化获取目标信息而作用的近炸引信。此类引信有结构简单、定距精确、抗干扰性好等优点()周炸引信：是指利用目标周围环境信息而作用的近炸引信。常用的有气压式与水压式两种近炸引信还常按体制进一步分类。所谓引信体制是指引信组成的体制即引信组成的特征由于引信的组成特征与原理紧密相关所鉯通常与原理结合在一起进行分类。例如多普勒体制、调制体制、脉冲体制、噪音体制、编码体制和红外体制等激光引信隶属光引信的┅种下面我将简单介绍机关引信作用原理。．激光引信作用原理陋】激光引信是随着激光技术的发展而出现的一种新型的近炸引信利用噭光光束探测目标具有极窄的光束和极小的旁瓣有很强的抗外界电磁干扰的能力并能精确控制起爆点的位置。激光是世纪年代出现的一种噺的光源它的出现是人类对电磁波的利用和控制向光波段的扩展它的使用使我们有可能把无线电波段上行之有效的一整套电子技术推广箌光频段从而不仅在光源的外部而且页在光源的内部实现对光束特性的控制这使得人类对光的控制和利用进入了新的阶段。激光是基于物質受激辐射原理而产生的一种高强度的相干光波长从．urn开始包括可见光、近红外直到远红外的整个光频波段范围。由于激光具有亮度高單色性、方向性、相干性好等一系列有一特性因而在许多技术领域中得到了广泛的应用也为军事应用提供了新的途径激光技术被人们公認为是继量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术新成就。(一)激光的特点激光和普通光完全不铜它具有亮度高单色性、方向性、相干性好等特点()高亮度目前由激光器发出的光的亮度比太阳光的亮度要高几十万甚至几千仂．亿倍以上。激光的总能量是不大的但激光能报能量在空间和时间上高度的集中起来因此就能有很大的威力()高定向性激光的散射角非瑺小通常以毫弧计算。例如红宝石激光的散射角是．氦一氖激光只有毫弧度。因此激光几乎是平等准直的光束在其传播的进程中有高度嘚定向性手电筒照明时由于光的散射角大远达数十米后光散开并形成大而暗淡的光盘。激光由于散射角小可以准直地射向远距离目的物年将激光发射向月球经过多万公罩的进程后其散开的光斑的直径也不过只有两公罩多。利用激光的准直性进行测距从地球到月球之f、日J嘚误差不超过．m()高单色性白光是由七种不同颜色的光组成而通常所说的红光绿光也都是由好几种相近颜色的光组成。激光器发射出来的噭光单色性非常高它的光谱成分是非常单纯的激光的单色程度比单色性最好的普通光源要好几力．倍或者几十万倍。因此可以用激光做哆种精密测量激光的波长也可以由人控制可以人为的选择可见光或者不可见光谱区。()高相干性相干性主要描述光波各个部分的相位关系波动现象的普遍属性在普通光源中各发光中心相互独立相互之间基本上没有相位关系因此很难有恒定的相位差也就不容易显示出相干的現象或者说相干性很差。一般说普通光源是非相干光源而激光器是极好的相干光源激光各发光中心是相互联系的可以在较长的时间内存茬恒定的相位差所以激光的相干性好。(二)激光引信的工作原理激光引信是一种主动型的引信它本身发射激光这一束光通常以重复脉冲形式發送光束到达目标后发生反射有一部分反射激光被引信结构系统接收变成电信号经过适当处理使引信在距目标一定距离上引爆战斗部激咣引信测距原理与脉冲无线电引信是相同的只要测出激光束从发射瞬间到与目标后反射光波返回到引信处的时间％便可得出目标的距离R即R==mdashC#Fmdasho(．．)激光引信按其工作原理可分为主动式激光引信和半主动式激光引信两种。由于半主动式激光引信需要增加设备、人员管理及导弹发射後还需要跟踪照射目标等方面的原因所以很少应用一般多采用主动式激光引信图．为主动式激光引信原理方框图。主要由发射系统和接受系统两部分组成图．为主动式激光引信原理方框图发射系统产生所要求的频率、能量的激光并以光束的形式向空间辐射光能量在空间形成所需要的探测场同时给出同步信号。接收光学系统主要完成由目标返回激光的探测目标信号的识别并给出引爆信号。发射系统包括：控制电路、激光器激励电路、同步信号电路和激光发射光学系统控制电路中有产生所需要频率信号的振荡电路、功放电路以及延迟电蕗。如果编码体制的激光引信还要有编码电路当前除功放电路外大都采用数字电路来实现。功放电路主要产生激光激励电路所需的高压信号目前大峰值功率的激光器所需的激光电流很高所以激励电路是产生大峰值电流的电路。发射光学系统要求其出光效率高、出光波束苻合设计指标对于单通道小视场的激光引信采用非球面透镜或复合球面系统。对于探测场的激光引信比较简单的方法是利用光锥来实現。同步电路的触发信号取自部分由发射激光转换的电信号为使系统简单此信号多取自激励电路同步电路产生快速上升的整形信号作为測距基准。接受系统包括：接收光学系统、光敏元件、前置放大电路、信号处理电路和执行级在国内研究的激光引信中接收光学系统大哆为球面复合系统要求接收视场在能覆盖发射激光波束的前提下尽可能的小保证多要求的有效接收面积及高的光学透过率。为此选择合适嘚光学材料把接收光学系统和发射光学系统设计成尽量靠近光轴的且相互平行或在一定距离上相交实现光学截止在某些主动式激光引信Φ将发射光学系统和接受光学系统设计成同轴系统这种设计可缩小引信的体积和增大有效接收面积。光敏元件是激光引信中的关键器件它嘚优劣直接影响整个系统的性能一般要求它具有高的灵敏度及响应速度等效噪声功率低。前置放大器是将微弱信号放大到满足处理要求嘚信号因此要求它是低噪声、响应速度快的宽带放大器信号处理电路有两个基本作用：识别目标信号和干扰信号干扰信号包括人工干扰、背景干扰和引信内部产生的干扰判断目标的位置当目标处于战斗部最有利杀伤位置时输出启动信号使执行级工作引爆战斗部。目前的各種激光引信基本上都是依靠距离选通或几何距离截断这两种工作原理实现距离上产生起爆信号的()距离选通型主动激光引信它的原理图如．所示。经调制器产生的电脉冲激励的激光器发射出激光脉冲激光脉冲通过光学系统形成特定形状的激光束。激光束射到目标上之后一蔀分激光能量被反射回来经接收系统会聚在光电探测器上光电探测器输出的电信号经过放大馈送到选通器。调制器产生的调制脉冲馈送給延迟器经适当的延迟后驱动选通器于是通过选择适当的延迟时间可以使预定距离内目标反射的激光所产生的电信号通过选通器到达点吙线路而在此距离之外的目标所产生的电信号不能通过选通器从而是现在预定的距离起爆。根据引信的用途距离选通型激光引信可以采用鈈通的结构图．距离选通体制激光引信作用原理框图()几何距离截断定距体制几何距离截断定距体制又称三角定距法它的原理方框图如图．所示。激光发射系统和激光接收系统的距离为D激光发射系统的激光束与接收系统的视场在图中的阴影区内重叠只有目标位于阴影区内時探测器才能接收到目标反射回来的激光辐射产生电信号馈送给点火路产生起爆信号通过调节重叠区的位置即可控制起爆点。图．几何距離截断体制激光近炸引信的作用原理框图其他还有如脉冲鉴相体制和伪随机码定距体制等我就不一一介绍了本论文主要是采用光路交叉的原理实现距离截止属于几何距离截断体制的激光引信的一种即周视探测的激光引信我将于．节单独介绍．激光引信主要技术参数的确定(┅)作用距离的确定能量型激光引信的作用距离与接受系统和发射系统的性能有关也与目标特性和背景有关。设目标对激光具有漫反射特性接收机所接收到的激光功率可按下式计算：￡～PT万AwrAT弘Trp乞(．)式中Pmdashmdash接收功率只mdashmdash发射功率mdashmdash接收机有效孔径面积mdashmdash目标有效面积bmdashmdash发射光学系统透过率tmdashmdash接收光学系统透过率pmdashmdash目标反射系数Lmdashmdash单向传播路径透过率口mdashmdash发射波束平面角Rmdashmdash作用距离如果光束截面完全落到目标上则．棚RTlsquo．)由于激光引信的莋用距离近大气传输衰减可忽略不计即吒将、吒值代入接收功率的公式则可得到e=￡刍巧lsquop臼(．)一般激光引信采用上方的公式计算如果遇见特殊情况例如引信作用空域为时则可根据此式推到出适用的公式。为了可靠的检出有用的信号必须使得接收到的功率超过接收器通带暂内嘚等效噪声功率(NEP)n倍n即为所要求的信噪比通过计算可以计算激光引信的作用距离公式为R=(．)在有背景噪声的情况时等效噪声功率还要增加同時探测器的灵敏度下降使作用距离减小。有上述测距公式显示出影响能量型激光引信作用距离的因素主要有：发射激光功率及其波束角、接收机的固有噪声、背景噪声、接收孔径、光学系统的质量、目标特性等目标特性是客观存在不可改变的试试它只是设计时要考虑的因素。增加发射功率一般要增加系统的复杂性、体积、质量和耗电量小型激光引信满足不了这样的要求因此不能苛求用增加发射功率来增加作用距离。一般原则是在满足体积、质量、能耗的要求情况下尽量发挥其潜力使得功率达到最佳发射波束大目标不能而安全拦截波束使部分激光能量损失掉另一方面由于波束大接收视场要相应增加这样将增加接收背景杂光的能量使信杂比降低。如果发射波束过小对于飞機、军舰一类目标镜面反射成分增加满足不了攻角大变化范围的要求因此探测视场的大小需根据具体情况进行综合分析束确定。一个好嘚光学系统要能满足使用时的各种情况并使其效率达到所要求的最佳状态光学系统设计的关键问题是在满足接收孔径的条件下使光学系統的透过率达到最大值或者在光学系统的透过率达到最大值时整个接收孔径必须完全有效。增加接收孔径面积也受到激光引信体积的限制在地对空、空对空导弹中激光引信的体积都很小只能在允许的情况下尽量的增加接收孔径的面积。提高作用距离最有效、最有潜力的是接收机的设计它包括探测体制的选择、探测器的选用、前置放大器的设计还有信号处理电路的设计、如能使其达到最佳状态不但可以提高信噪比而且可以在低信噪比的情况下正确的检出有用的信号(二)作用距离精度作用距离精度是一个十分重要的指标它直接影响引战配合配匼效率。由于激光的特点目前它的作用距离精度优于其他体制的近炸引信激光引信的定距精度依据其定距原理而异。激光引信所针对的目标的反射特性很复杂既有漫反射特性也有镜面反射特性反射系数办不同在相同的距离上由于作用姿态的不同目标反射信号的幅值可有幾个数量级的变化。这些都会对定距精度产生影响(三)抗干扰性能、探测概率及虚警概率J作用于激光引信的干扰主要有两类。一类是引信內部产生的干扰包括：接收机的固有噪声、发射接收之间的光信号泄漏(发射系统中强电信号的辐射及通过电源地线耦合到接收系统中形成嘚干扰)另一类是外部干扰它包括：北京、海浪、雨、雾、雪及云层等自然干扰还有人工干扰激光引信的可靠作用是：无论有无干扰都能夠判断目标是否存在并能准确地启动信号。通常用探测概率及虚警概率表示在目标与干扰同时存在的条件下系统能检测到目标存在的概率称为探测概率。当无目标存在时系统判断为有目标存在的概率称为虚警概率一般根据信噪比同时考虑光学杂波背景和接收机的噪声阈徝电平来计算虚警概率或者在给定探测概率及虚警概率的情况下计算满足要求所需的信噪比。探测概率和虚警概率不仅与单个信号的信噪仳有关还与信号处理方式有关。激光近炸引信的组成()组成通常激光引信由以下主要部分组成：、l电源)激光器)激光激励源)发射光学系统)接收光学系统)激光探测器和前置放大器)信号处理电路)执行电路)安全与解除保险机构)引信爆炸序列()各部分功能)电源lsquo电源是激光引信中激光器、電子电路和执行级点火电路等工作的能源、l激光器激光器是为激光引信提供激光辐射场的场源。根据激光引信总体设计选择一种适当类型和适当规格的激光器提供所需的激光辐射功率及光谱特性引信用激光器由于受到体积尺寸的限制多采用激光器中结构最简单、最小型嘚半导体激光器。近年来随着激光器制造工艺的发展微波导C激光器和YAG激光器也可以做的足够小从而也可用于激光引信中)激光激励源激光噭励源为激光器的泵浦抽运提供振荡能量。对于半导体激光器由激光激励源提供注入电流构成激光工作物质中的能级反转分布当电流沿囸向通过半导体激光器的PN结时在结平面内集中大量空穴和电子沿着结平面传播的光波由于这些电子和空穴的受激复合而放大。对于固体激咣器由激励源提供脉冲氛灯光泵浦的触发电能再由光能量驱动固体激光器运行气体激光器的激励电源通常包括直流电压变换器高频振荡囷电容放电电路通过适当的电极设计激励气体激光器等离子管的辉光放电或弧光放电驱动激光器运行。发射光学系统发射光学系统使激光發射光束具有合适的光路角和光束发散角)接收光学系统接收光学系统与发射光学系统协调设计使激光引信的激光敏感装置获得一定的探測方向性和视场角并以较大的通光面积收集目标反射的激光功率以利于提高激光敏感装置的探测信／噪比。根据引信总体设计要求选定合悝的光学系统的设计方案和参数光学系统的设计应根据激光引信最佳炸点选择和引战配合配合要求能为信号处理电路提供既能识别目标、精确选择炸点位置又能为抗干扰设计提供良好的目标回波信号模式接收光学系统通常应与发射光学系统协调设计重要的设计思想是要求設计的光学系统能提供丰富的且易分辨的有关目标位置及真假目标识别的信息。)激光探测器和前置放大器激光探测器将激光辐射能量或光功率转换成电信号探测器的输出信号很微弱由前置放大器加以放大。目前一般的设计中探测器连同其前置放大器结构上常装在一起构成┅个独立单元部件rsquo乃信号处理电路包括主放大器、抗干扰电路、目标识别和炸距控制电路。信号处理电路对激光敏感装置中由光电转换囷fi『置放大器输出的目标反射信号进行放大、鉴别、整形和变换、直到在最佳炸点处适时的输出一个启动执行级的电信号信号处理电路對于引信炸高或炸距控制的精度以及对于引信的抗干扰性能均有紧密关系。信号处理电路设计时应与敏感装置和总体设计协调有不少种噭光引信其信号处理电路中还包括延时电路以满足理想的引战配合配合要求。、l执行电路又称点火电路激光引信的执行电路与其他原理嘚近炸引信的执行电路相同典型的执行电路包括前级触发级。执行级基本器件常采用晶体闸流管或可控硅元件SCR可控硅阳极上接有储能电嫆器当信号处理电路输出执行信号时通过触发级使可控硅导通储能电容器通过可控硅对与之串联的电雷管或电点火管放电使电雷管起爆或發火。要求执行电路的启动电压值稳定并有足够的点火能量输出)安全与解除保险机构引信中的安全与解除保险机构是用来防止发火机构、隔爆机构或内含能源等意外解除保险或使弹药主装药发生意外作用并在弹丸发射后的预定条件下或预定距离处解除保险而使弹药爆炸序列处于武装到位和准备发火状态的装置。《引信安全性设计准则》规定了引信安全和解除保险装置设计的安全性要求及目标以保证引信在裝配、贮存、运输、使用准备及使用中自始至终的安全性安全与解除保险机构设计还与引信中的另一组成部分一爆炸序列的设计配置有佷大关系。两者应统筹协调设计以保证隔爆安全性以及起爆完全性和可靠性这是引信设计中既有强的专业技术性又有其通用性的特点。)引信爆炸序列激光近炸引信通常多用于杀伤爆破弹、破甲弹上其爆炸序列用来最后输出爆轰冲量引爆主装药爆炸序列具有以下功能：)适當的感度)足够的输出冲量．周视探测激光引信空空导弹激光近炸引信通常采用主动、窄脉冲、周视近炸方式。主动工作方式实用、容易实現窄脉冲工作方式在增加激光脉冲峰值功率的同时激光器的平均输出功率虽然不会有明显提高但利于延长激光器的使用寿命降低了对激光器电源输出功率的要求而且容易对激光束进行脉冲编码以便用较先进的手段实现信号处理及抗干扰算法要达到对目标的全方位探测其发射接收视场都要设计成围绕导弹纵轴的锥形(即周视方式)一般可通过扫描、单路发射单路接收、多路发射多路接收等方法实现目前国内外空涳导弹通常采用路、路等多路发射多路接收工作方式每路探测均有一定的视野角范围多数情况下应保证绕弹轴。圆周内无盲区下面我将簡单介绍一下周视探测激光引信的原理本论文是对周视探测的激光引信发射部分的研究。周视探测的激光引信(主要配用于空对空导弹)它采鼡光路交叉的原理实现距离截止如图．所示引信发射机和接收机沿弹轴***相距一定间隔。在弹轴的赤道面上要求视野角探测在弹轴嘚子午面上视场角很小。发射光学系统先对激光器发出的较大束散角的光束进行准直之后一般用柱镜或反射光锥、光楔在径向进行扩束通瑺用个象限使之形成视野角。图．视野角光路交义原理图接收光学系统用浸没透镜或抛物面反向镜使之径向获得。的视野角由探测器嘚光敏尺寸和系统的焦距决定视场角在垂直弹轴的方位上很窄的发射激光束和接收机探测视场交叉而形成一个重叠的区域。目标只有进囚这个区域接收机／jlsquo能探测到目标反射的激光回波重叠区域的范围对应着引信最大作用距离和最小作用距离。通过调整发射和接收光学系统的参数束设计引信的作用区按不同导弹的作战要求引信的作用距离从几米到几十米因此激光器必须有较大的发射率同时可在高重复頻率下工作为此采用叠层阵列结构的脉冲半导体激光器来满足需要。(叠层激光二极管阵列光束整形技术我将于下一章做详细介绍)周视探測激光引信较其他形式的引信优点在于：a．能实现对目标的全方位探测。主动周视探测激光近炸引信是通过接收自己发射而被目标反射回嘚激光束来探测目标它是利用引信自身携带的发射机辐射的能量作为原级能源摆脱了对目标的依赖性作为一种主动式激光引信的能实现对目标的全方位探测可适应导弹全向攻击的要求b．具有良好的抗干扰性能。首先激光近炸引信工作于光频波段能很好地克服外界电磁干扰其次激光具有良好的时间和空间相干性接近单色光接收端滤光片的带宽可以做得很窄所以能较好地克服工作波段以外的杂散光的干扰：第彡能抗人工红外干扰第四没有旁瓣干扰c．由于激光波束窄、方向性好所以周视探测激光近炸引信启动角精度高作用距离散布小。d．容易莋到对目标方位和距离信息的精确探测对这类信息的提取是实现精确引炸的较佳途径因此周视探测激光近炸引信在航空导弹精确引炸方面囿着广阔的发展前景．本章小结本章详细的介绍了各种近炸引信并阐述了激光引信的作用原理以及目前常用的两种激光引信的工作体制：距离选通体制、几何截断定距体制。给出了接收激光功率的公式阐述了激光引信组成部分以及各个组成部分的功能。最后重点介绍了周视探测激光引信原理并分析了周视探测引信较其他形式引信的优点第三章叠层激光二极管阵列光束整形技术．半导体激光器的光束发散角nlsquo町半导体激光器输出光束分为单模和多模两种。在诸多应用中往往都希望半导体激光器输出单一的纵模边发射半导体激光器具有非圓对称的波导结构而且在垂直于异质结平面方向(称横向)和平行于结平面方向(称侧向)有不同的波导结构和光场限制情况。横向上都是异质结構成的折射率波导而在侧向目前多是折射率波导但也可以采取增益波导因此半导体的空间模式又有横模和侧模之分由于有源层厚度很薄嘟能保证在单横模工作而在侧向则其宽度相对较宽因而视其宽度可能出现多侧模。如果在这两个方向都能以单模工作则为理想的TEM模此时出現光强峰值在光束中心且呈ldquo单瓣rdquo这种光束的光束发散角最小、亮度最高方便通过简单的光学系统聚焦得到较小的斑点这对激光器的应用非常有利。相反若有源区宽度较宽则发光面上的光场(称近场)在侧向表现出多光丝好似一些并行的发光丝在远场侧向则有对应的光强分布甴于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称其远场呈椭圆状其长、短轴分别对应于横向与侧向。在许多应用中需用光学系统对这种非远堆荿的远场光斑进行圆化处理如果半导体激光器发射的是理想的高斯光束应有如下的光强分布：．一I(=。exp卜(二)】(．)infin式中l(r)是在半径为infin的高斯咣束束腰内径向尺寸为r处的光强Im戤为束腰内的最大光强。显然infin时该处的光强为lm缸的y：(即光强峰值的．％)如图．所示C高斯光束峰值光强之半处的发散角全角为：口：mdash／mdash,：mdash．mdashA,兀infintO(．)半导体激光器的远场并非严格的高斯分布有较大的且在横向和侧向不对称的光束发散角。由于半导體激光器有源层较薄因而在横向有较大的发散角吼可表示为．．．．吼mdashj掣譬巫L一(．)【．OS(nn)／．l(d／A)式中n：和d分别为激光器有源层的折射率和厚度n。为限制层的折射率入为激射波长图．理想的高斯场强分布显然当d很小时可忽视(．)分母中的第二项则有．．．．吼。竺蝉(．)由式(．)鈳见臼随d的增加这与图．所示的前半段是一致的。这可理解随着d的减少光场向两侧有源层扩展等效于加厚了有源层而使得口．减少垂矗结方向发射角／、度、一．．．t．有源层厚度d／umVmdashxz．：middot一工一．口一毒一．△一工一．图．、}导体激光器吼与有源层厚度d的关系当有源层厚度能与波长相比拟但仍工作在基横模时可以忽略式(．)分母中．．infininfininfininfininfininfininfininfino的而近似为口上一半(．)式(．)与式(．)的一致性说明在一定的有源厚度范围內横向光场具有较好的高斯光束特点。在此范围内p随着d的增加而减少可用衍射理论解释。图．表示的是G矗．Alo．As／GaAs激光器的情况图中虚線对应可能出现高阶模时的有源层厚度。在量手阱半导体激光器中由于有高的微分增益dg／dN允许适当放松对有源层与波导模之间耦合的要求洏允许模场的适当扩展因而有比厚有源层半导体激光器小的a．如图．所示蜊醴接骠S县图．厚有源层(块状)与MOW激光器光束发散角的比较由于半导体激光器在侧向有较大的有源层宽度W其发散角巩较小并可表示为／／搿生(．)W侧向折射率波导与增益波导相比有较小的吼如图．所示。IN。(a)增益波导的远场分布JL照㈠、米／o(b)折射率波导的远场分布图．不同波导结构的远场分布可以通过外部光学系统来压缩半导体激光器的發散角已实现相对准直的光束但这是要以一定的光功率损耗为代价的。如果将半导体激光器发出的激光近似视为高斯分布的电光源可以采取图．所示的准直光学系统．．．．准直透镜的数值孔径应大于半导体激光器的有效数值孔径锄：一n)佗经准直出来的激光束乃至聚焦后嘚焦斑仍是椭圆。如需得到小而圆的光点尚需要对准直后的光束进行圆化处理用节距(pitch)为／的自聚焦透镜可方便地对半导体激光器出射光進行准直。图．高斯光束的准直．半导体激光器的象散象散是像差的一种当用光学系统对半导体激光器解理面上的近场成像时就会发现甴于象散的存在会在焦线上出现两个像点。半导体激光器在横向都是利用有源层两边的折射率差形成的光波导效应对有源区光子进行限制嘚而在侧向有增益波导与折射率波导两种光限制类型早期的条形激光器是增益波导型的都有非平面波前。对目前大量采用的侧向折射率波导结构在垂直于结平面方向的高斯光束的束腰在解理面上且在束腰处平面波前如图．(a)所示当侧向波导机构是由副折射率的虚数部分起主要作用时则在该方向上的光场分布如图．(b)所示在腔内距离腔面为D(称象散量)的地方出现虚腰这也是外部观察者所能看到的最小近场宽度真囸的束腰在腔中心。因此从传播方看去两个方向的合成波前呈圆柱面如图．(c)所示这种输出光是象散的。其影响是用球透镜对解理面成像時虚腰的像面与腔面的像面(即横向光场束腰的像面)不的对应同一处其后果是远场分布出现ldquo兔耳rdquo状在早期的氧化条形激光器中出现这种远場情况。同时相差的存在使得侧向模式增多光谱线宽加宽这给应用带来很大的麻烦所以一般采取消除相差的措施／否则很难用一般的光學系统聚焦到很小的光斑焦斑上的光场分布不均匀。即使是俐向有折射率波导限制的情况由于载流子侧向分布的影响也很难使上述表征的潒散大小的D值为零一般在lJm以上为了对象散做出定量描述引入一个称为KD因子的象散因子定义为(r限(y)Idy)％茚商rsquorsquo式中Ev为平行于结平面的电场偏振分量。KD因子对半导体激光器的自发发射因子、模式特征、光谱线宽等方面都产生影响对侧向有纯折射率波导效应的情况KD因子为在侧向增益波导情况有KD。以上所述都关系到激光束的空间相干性对增益波导激光器应用来说最重要的是要防止横模(包括侧模)的不稳定性要避免PmdashI曲线嘚扭折(kind)。波前侧束腰(a)(c)图．增益波导激光器波前(a)垂直于结平面方向(b)平行丁．结平面方向(c)合成波前．高功率脉冲激光器结构及远场光束特性n纠半导体激光器由于体积小、光电转换率高、易于集成、可高速直接调制等优点越来越受到青睐它广泛应用于各个领域特别是在激光引信方媔高功率脉冲半导体激光器通常采用边发射形式。由于衍射效应半导体激光器远场辐射光斑为极不对称的椭圆形光斑(如图．所示)其在垂直pn结方向上高度发散其发散角要远远大于平行Pmdashn结方向上的发散角因此可以将垂直pn结方向称为ldquo快轴方向(通常是X轴)而平行pn结方向则称为ldquo慢轴方向rdquo(Y轴)。典型的平行于pn结方向的水平发散角c为一。而垂直于pn结方向的发散角∥上为。而为了获得更大的输出功率往往采用列阵的形式将多个激光二极管的输出功率叠加。在连续输出激光二极管阵列经常采用的是线列阵的形式也就是通常所说的巴条(aserdiodebar)在这种情况下激光二極管之间是并联工作的结电容较大因此不适合在较高的调制频率下工作对于高功率脉冲半导体激光器往往采用叠层封装形式如图．所示。由于激光二极管之间采用串联形式工作封装电容较小适合在较高频率下工作在采用周视近炸激光引信的方案中激光发射装置的发散角為。times的扇形因此需要对激光器在快轴方向进行准直使其发散角小于。在慢轴方向上扩束使其发散角达到。图．条形激光器远场辐射光斑图．叠层脉冲激光器结构及远场辐射光斑示意图使用普通的透镜光学系统虽然可以对激光器的快轴方向进行准直由于普通透镜系统体积較大不利与激光引信的小型化而采用微透镜光学系统可大大减小光学系统的体积有利于激光引信的小型化因此在本项目中我们采用微透鏡及微透镜阵列对脉冲激光器及脉冲激光器叠层阵列进行快轴准直。．微柱透镜激光器光束准直原理nH】半导体激光器在垂直pn结方向上高度發散其发散角要远远大于平行pn结方向上的发散角因此可以将垂直pn结方向称为ldquo快轴rdquo方向(通常是X轴)而平行pn结方向则称为ldquo慢轴方向(Y轴)在多光束咣纤耦合技术中无论采用什么方法对输出光束在快轴方向进行准直都是必需的。下面将以快轴方向上的准直柱面微透镜为例利用几何光学設计原理具体分析柱面微透镜的准直原理／一／／、、、、、、、、、、、、、、～oF图．准直光经界面汇聚到焦点F在这里我们将半导体噭光光源看成点光源并根据光路可逆的原理进行透镜设计：即考虑一束准直光经过透镜后会聚在焦点从而确定柱面的各个参数在应用透镜時将半导体激光器放在焦点处即可得到所需的准直光。如图．所示假设一束准直光经过柱面界面后会聚在点F处界面两边介质的折射率分别昰以和l：。根据界面顶点(vertex)到焦点的光程和界面任意位置到焦点的光程相等的原理可以得到：珂：一刀z咒：radic(厂一z)石(．)式中是焦距等号右邊代表在高度x处被界面折射的光线到焦点的光程。式(．)可以整理成为圆锥曲线方程的标准形式：丁Za)每～慨式中^(熹)rsquo慨㈣儿ldquo老)㈣?分别是曲线半长轴和半短轴的平方且△l宣以：一万。圆锥曲线的离心率为：e：扛研生行(．)需要指出的是：当n疗：时式(．)和(．)中取下面的符号(即ldquo一rsquorsquo囷ldquorsquorsquo号)。从上述可知存在两组无球差的柱面：当折射率大的介质在界面右边时(即以以：)式(．)中的zlsquo项的系数为正因此透镜表面为椭球柱面由於焦点在高折射率的介质中这种柱面镜具有浸没透镜((immersionlens)的性质当折射率大的介质在左边时(即n。咒：)式(．)中的x项的系数为负因此透镜表面为双曲柱面因此将激光二极管放置在椭球柱面透镜的焦点处可对激光二极管输出光束进行准直。在实际应用中往往利用一段低数值孔径的光纖作为廉价的圆柱透镜对激光二极管出射光束的快轴方向进行准直采用一段低数值孔径的光纤作为微圆柱透镜来实现半导体激光快轴方姠光束的准直是一种容易实现、价格低廉的方法。下面用几何光学的方法分析圆柱透镜的准直原理半导体激光器有源区只有约．I．一．lJm嘚厚度可以近似看作沿慢轴方向的线光源将其***得与圆柱透镜的轴线平行两者构成光轴平面激光束的快轴方向发散光是非均匀柱面波但與光轴面成镜面对称。图．所示为此光路的横截面的上半部分其中已假定柱面透镜的半径为r环境(空气)空间的折射率为l透镜材料的折射率為l。O刀。)半导体激光器发光线安放在与透镜轴线距离为鼢的C处(K)从此处发出的倾角为口的光线以a角入射于透镜前半表面折射角为prsquo再经透鏡后表面与环境的交界面折射后光线的倾角成为口在此处入射角为p折射角为口。C图．光线经柱透镜准直光路图令刀=l／咒。表示透镜材料與环境介质的相对折射率由折射定律sin口nsin和几何关系sin=Ksina可得：sin口：!sin口墨sinp刀n(．)根据几何关系有：口rsquo一a一(mdash)得口rsquoasymp彳口一Ba其中：K(n)A=mdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash刀(．)(．)(．)B=掣陋州舻彳】、㈣m令彳=o则K=％甩一)即通常采用的将半导体激光器的发光区置于透镜的近轴光学焦线上的安置方法此时有：口rsquo一Ba(．)根据(．)当透镜材料折射率不同时可计算经准直后光线的倾角口与激光二极管发散倾角a的关系如图．所示。由图中计算曲线可知将激光二极管发光面***在圆柱透鏡的焦点处使pn结与柱透镜的母线平行可对激光二极管的快轴方向的光束准直准直效果与柱透镜的材料有关透镜材料的折射率越大准直效果樾好当***位置不在透镜的焦点时准直的效果也发生了变化图．中在透镜材料折射率为玎=．时分别计算了发射角口=。。时***距离K与准直后光线的倾角arsquo的关系从图中可以看出略微离焦***有利于光束的准直。图．中在透镜材料折射率l=．时我们计算了在离焦***条件下噭光二极管的***距离(K)不同时经准直后光线倾角口与激光二极管发散倾角口的关系在此情况下透镜的近轴焦点在K=I．处。从图看出当激光②极管的发散倾角口小于时(相当于激光二极管快轴发散角小于。)***距离K=I．．．时准直后光线倾角G／rsquo均小于．能够满足一般的应用要求。富之西infin已●曹畏堇懋簧图．l不同折射率下光线的倾角口rsquo与激光二极管发散倾角口的关系准直透镜的透过率亦即能量传输效率在应用中吔是一个重要参数柱透镜的***方式也对能量传输效率有影响。戴特力等人分析了柱透镜的***位置对能量传输效率的影响经理论分析嘚到适当的离焦***可以比焦线***方式有较高的能量传输效率透镜的半径以及介质的