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内容简介

本书以作者十余年的科研成果为基础，介绍了激光近炸引信的脉冲激光近场目标探测的理论、方法和应用技术。全书共11章，系统地介绍了脉冲激光近场探测的理论基础，构建了脉冲激光探测系统模型，给出了各阶段脉冲激光探测系统的试验方法。同时，针对脉冲激光对近场目标距离与方位探测的问题，分别阐述了脉冲激光定距探测和方位探测的抗干扰作用体制与理论。此外，建立了LD激光发射系统模型，给出了驱动电路以及激光接收系统、信号处理与发火控制电路的设计方法；推导了超音速下激波对激光光束传输特性的影响，给出了激波的风洞模拟试验方法；对光学透镜材料及性能进行了分析，提出了抗冲击的缓冲方法与抗阳光的树脂镜片镀膜技术。
本书结构合理、模块化分解，可满足激光近炸引信与武器系统等相关学科和领域的科学工作者和工程技术人员的实际需要，也可供高等院校相关专业的研究生参考。

目　　录

序
前言
第1章绪论
1.1 脉冲激光引信目标探测的地位与定义
1.2 脉冲激光目标探测技术的军事需求
1.2.1 反坦克弹药的军事需求
1.2.2 常规弹药的军事需求
1.2.3 防空反导的军事需求
1.3 脉冲激光定距与方位探测系统相关技术
1.3.1 脉冲鉴相体制的定距技术
1.3.2 基于FPGA的高频计数器脉冲激光测距技术
1.3.3 窄脉宽大功率半导体脉冲激光电源技术
1.3.4 光学系统抗冲击技术
1.3.5 小型化、低功耗技术

序 前言 第1章 绪论 1.1 脉冲激光引信目标探测的地位与定义 1.2 脉冲激光目标探测技术的军事需求 1.2.1 反坦克弹药的军事需求 1.2.2 常规弹药的军事需求 1.2.3 防空反导的军事需求 1.3 脉冲激光定距与方位探测系统相关技术 1.3.1 脉冲鉴相体制的定距技术 1.3.2 基于FPGA的高频计数器脉冲激光测距技术 1.3.3 窄脉宽大功率半导体脉冲激光电源技术 1.3.4 光学系统抗冲击技术 1.3.5 小型化、低功耗技术 第2章 激光基础理论及目标反射特性 2.1 受激辐射 2.2 激光的特性 2.2.1 激光的空间相干性和方向性 2.2.2 时间相干性和单色性 2.2.3 激光的高亮度(强相干光) 2.3 激光的大气传输特性 2.3.1 概述 2.3.2 大气吸收的基本性质 2.3.3 大气散射 2.3.4 大气湍流对激光传输的影响 2.4 脉冲激光在雨滴中的光散射模型及传输衰减 2.4.1 近似椭球雨滴的光散射特性 2.4.2 激光在降雨中传输的能量衰减 2.5 激光目标反射特性 2.5.1 光滑表面 2.5.2 粗糙表面 2.5.3 定距与方位探测时目标反射特性的影响分析 第3章 脉冲激光定距与方位探测体制与理论 3.1 半导体激光器的工作原理及工艺 3.1.1 半导体激光器的工作原理 3.1.2 半导体激光器的工艺 3.1.3 典型PIN、雪崩光电二极管工作原理 3.2 脉冲激光定距探测的作用体制与理论 3.2.1 几何截断定距体制 3.2.2 脉冲激光测距机定距体制 3.2.3 距离选通定距体制 3.2.4 脉冲鉴相定距体制 3.2.5 几种作用体制的比较 3.3 脉冲激光方位探测的作用体制与理论 3.3.1 多辐射方位探测体制 3.3.2 分区探测体制 3.3.3 旋转扫描探测体制 第4章 脉冲激光方位探测类型及发射系统设计 4.1 激光方位探测类型 4.1.1 多窗口探测型 4.1.2 成像型 4.1.3 掩模型 4.1.4 相干型 4.2 LD激光发射系统模型 4.2.1 模型结构 4.2.2 模型PSpice分析 4.3 LD驱动电路的实现 4.3.1 LD物理结构与特性 4.3.2 定距用LD激光器种类分析 4.3.3 窄脉冲大电流LD电源驱动电路技术 第5章 激光接收系统与信号处理系统 5.1 激光接收系统 5.1.1 光电放大电路理论分析与设计 5.1.2 视频放大电路理论分析 5.2 系统用信号处理及发火控制电路设计 5.2.1 脉冲鉴相体制下的以MCU+DSP为核心的方案设计 5.2.2 脉冲测距机体制下的以FPGA为核心的方案设计 5.2.3 发火控制电路 5.3 系统的低功耗设计与软件抗干扰 5.3.1 系统的低功耗设计 5.3.2 软件抗干扰 第6章 超音速下激波对激光光束传输特性的影响 6.1 激波的形成与特点 6.1.1 超音速下激波的形成机理 6.1.2 弹头激波的数值仿真 6.2 超音速下激波对激光光束传输特性的影响 6.2.1 超音速下激波的光学特性 6.2.2 激波对激光定距系统光程影响的计算模型 6.3 激波的风洞模拟试验 6.3.1 试验方法 6.3.2 试验数据分析 第7章 光敏管、光学透镜及镀膜技术 7.1 激光接收用光敏管特性分析 7.1.1 电磁波谱分析 7.1.2 光敏器件主要性能参数 7.1.3 某系列光敏管特性分析 7.2 光学透镜材料 7.2.1 常用光学透镜材料 7.2.2 树脂光学透镜材料特性 7.3 镀膜技术 7.3.1 镀膜相关技术与实现方法 7.3.2 薄膜的光学性质 7.3.3 薄膜在脉冲激光探测上的光学应用 第8章 脉冲激光目标方位探测捕获率模型及弹目交会模型 8.1 坐标系选择与转换 8.2 脉冲激光目标方位探测及目标捕获率模型 8.2.1 脉冲激光目标方位探测目标捕获率模型 8.2.2 电动机转速、脉冲激光发射频率最佳匹配研究 8.2.3 典型目标被捕获情况仿真分析 8.2.4 目标捕获率误差分析 8.3 攻击典型目标弹目交会模型 8.3.1 攻击典型目标的最佳起爆延时和最佳起爆方位角模型 8.3.2 典型目标弹目交会仿真分析 第9章 单脉冲激光全向动态扫描技术 9.1 单脉冲激光全向扫描光路技术 9.1.1 高强度单级非球面透镜半导体激光束准直整形技术 9.1.2 高强度单级非球面透镜接收光束聚焦技术 9.1.3 发射、接收通道共用激光全向扫描技术 9.1.4 单脉冲激光全向动态扫描光路激光传输模型 9.2 高速动态条件下光学模块抗高过载技术 9.2.1 弹丸发射高速动态条件引信零件载荷特性分析 9.2.2 非线性有限元动力学分析方法 9.2.3 光学模块各元件材料参数 9.2.4 激光发射模块抗高过载性能分析 9.2.5 激光接收模块抗高过载性能分析 第10章 脉冲激光方位探测系统设计 10.1 脉冲激光自调节APD驱动电源技术 10.1.1 APD驱动电源工作原理 10.1.2 非隔离反激式DC-DC电源建模分析 10.1.3 驱动电源设计实现 10.2 基于数字电位器的自动增益控制技术 10.2.1 自动增益控制原理分析 10.2.2 自动增益控制的实现 10.2.3 自动增益效果分析 10.3 发射、接收模块抗电磁干扰技术 10.3.1 电磁干扰机理分析 10.3.2 辐射干扰抑制 10.3.3 传导干扰抑制 第11章 脉冲激光探测系统实验 11.1 原理样机简介 11.2 静态模拟实验 11.2.1 APD驱动电源电压自动调节效果实验 11.2.2 数字电位器自动增益控制效果实验 11.3 发射、接收模块电磁干扰抑制实验 11.4 发射模块准直光斑观测实验 11.5 方位角磁电检测精度实验 11.6 方位角检测准动态模拟实验 11.7 激光在降雨中的传输特性实验 11.7.1 水滴及模拟降雨发生装置 11.7.2 模拟雨滴的激光衰减仿真与实验测试 11.7.3 模拟降雨下的激光传输特性实验 参考文献

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第1章绪论
1.1 脉冲激光引信目标探测的地位与定义
脉冲激光目标探测属于近炸引信的范畴。近炸引信起源于20世纪30年代，它的出现大大提高了弹药的毁伤效能，普遍应用于现代各种弹药系统。1943年无线电近炸引信开始装备部队，在以后的较长时间内，无线电波成为近炸引信的主要探测手段，并得到广泛应用［1］。科技的飞速发展使得各种探测手段的理论与技术逐渐成熟，这为应用新的近炸探测技术奠定了坚实的基础。目前应用于近炸引信的探测技术主要包括无线电探测技术，声探测技术，磁探测技术，红外探测技术，激光探测技术，热辐射探测技术，静电探测技术，电感、电容探测技术及以上各种探测技术组合使用的复合探测技术。现代的战场环境复杂多变，对各种近炸引信的性能提出了越来越高的要求，除定距，还要求能够对目标精确定位，选择最佳起爆位置与起爆方向，具备较强的识别能力、抵抗自然干扰和人为干扰的能力等。然而由于各种弹药配用的近炸引信的作用环境、作用对象及要求和近炸引信提供的目标与环境信息的内容等各不相同，因而，目前的近炸探测方式难以满足大量不同常规弹药的战术技术要求，或难以得到较优的性能指标。
由于无线电近炸引信的工作波长较长、无线电波束的旁瓣较宽，因而其抵抗地、海杂波的能力较弱，角度和距离分辨率较低，并存在着较大的固有近程探测盲区。现今战场电磁环境的恶劣化程度加深，特别是人为电磁干扰使无线电近炸引信的可靠作用能力受到极大的威胁。为解决抗干扰问题而提出了新的无线电探测体制，如跳频无线电体制、频率捷变体制、伪随机编码体制等都是以增加复杂性和成本为代价的。因此，在一些场合常规弹药用无线电引信无法满足系统工作要求，不得不采用新的探测手段。
激光作为一种探测手段由于其发射波束窄，发射信号不易被敌方接收；接收视场有限，使人为干扰困难；发射峰值功率较大、方向性好，使激光探测作用距离较远；工作于光频段，波长极短，使其角度和距离分辨率极高；发射波束旁瓣小，对地、海杂波的干扰抵抗能力较强，以上优点弥补了无线电探测的不足。因而，应用激光作为探测手段的各种新系统在探测精度、探测距离、分辨率、抵抗自然和人为电磁干扰能力等方面均比无线电探测体制有较大幅度提高。当然，激光探测技术也有其自身的不足。

与无线电和毫米波探测相比，激光探测技术的主要缺点是穿透大气的能力不够。大气对激光的吸收和散射要比微波和毫米波大得多，因此，激光探测的性能对天气较敏感。另外，使用光学器件导致抗冲击能力差。但主动激光探测比被动光学探测系统的全天候能力好，因为主动激光探测技术可以通过距离或速度的选通、其他微弱信号探测和信号处理技术来拒绝接收已经被确定为杂乱波干扰的回波信号［2］。

第1章 绪 论
 1.1 脉冲激光引信目标探测的地位与定义
 脉冲激光目标探测属于近炸引信的范畴。近炸引信起源于20世纪30年代，它的出现大大提高了弹药的毁伤效能，普遍应用于现代各种弹药系统。1943年无线电近炸引信开始装备部队，在以后的较长时间内，无线电波成为近炸引信的主要探测手段，并得到广泛应用［1］。科技的飞速发展使得各种探测手段的理论与技术逐渐成熟，这为应用新的近炸探测技术奠定了坚实的基础。目前应用于近炸引信的探测技术主要包括无线电探测技术，声探测技术，磁探测技术，红外探测技术，激光探测技术，热辐射探测技术，静电探测技术，电感、电容探测技术及以上各种探测技术组合使用的复合探测技术。现代的战场环境复杂多变，对各种近炸引信的性能提出了越来越高的要求，除定距，还要求能够对目标精确定位，选择最佳起爆位置与起爆方向，具备较强的识别能力、抵抗自然干扰和人为干扰的能力等。然而由于各种弹药配用的近炸引信的作用环境、作用对象及要求和近炸引信提供的目标与环境信息的内容等各不相同，因而，目前的近炸探测方式难以满足大量不同常规弹药的战术技术要求，或难以得到较优的性能指标。
 由于无线电近炸引信的工作波长较长、无线电波束的旁瓣较宽，因而其抵抗地、海杂波的能力较弱，角度和距离分辨率较低，并存在着较大的固有近程探测盲区。现今战场电磁环境的恶劣化程度加深，特别是人为电磁干扰使无线电近炸引信的可靠作用能力受到极大的威胁。为解决抗干扰问题而提出了新的无线电探测体制，如跳频无线电体制、频率捷变体制、伪随机编码体制等都是以增加复杂性和成本为代价的。因此，在一些场合常规弹药用无线电引信无法满足系统工作要求，不得不采用新的探测手段。
 激光作为一种探测手段由于其发射波束窄，发射信号不易被敌方接收；接收视场有限，使人为干扰困难；发射峰值功率较大、方向性好，使激光探测作用距离较远；工作于光频段，波长极短，使其角度和距离分辨率极高；发射波束旁瓣小，对地、海杂波的干扰抵抗能力较强，以上优点弥补了无线电探测的不足。因而，应用激光作为探测手段的各种新系统在探测精度、探测距离、分辨率、抵抗自然和人为电磁干扰能力等方面均比无线电探测体制有较大幅度提高。当然，激光探测技术也有其自身的不足。
 
 与无线电和毫米波探测相比，激光探测技术的主要缺点是穿透大气的能力不够。大气对激光的吸收和散射要比微波和毫米波大得多，因此，激光探测的性能对天气较敏感。另外，使用光学器件导致抗冲击能力差。但主动激光探测比被动光学探测系统的全天候能力好，因为主动激光探测技术可以通过距离或速度的选通、其他微弱信号探测和信号处理技术来拒绝接收已经被确定为杂乱波干扰的回波信号［2］。
 由于战争中常规弹药攻击目标时在空中可能与目标以各种不同的情况遭遇，而且弹目相对运动速度较大，因此，要求激光引信系统必须具有全向探测、快速识别、准确定位、精确控制炸点的功能。要想实现上述功能，需采用大探测视场体制，有效提高光束照射到目标的可能性以及光束对目标的覆盖范围，以保证接收机有足够大的接收信号功率和信噪比。近年来激光技术的快速发展为大探测视场激光引信在军事领域的应用提供了保证。对激光近炸引信在实际应用中的要求，也从提供单纯的精密定距功能控制炸点，发展到利用激光束设定不同的空间布局方式，提供非常精确的目标距离和方位信息，实现全向探测，进而实现定向起爆、发挥弹药对目标的最大毁伤效能。
 激光探测分连续激光与脉冲激光两种探测体制。连续激光探测一般是指利用较高频率的三角波或其他波形调制的方法对激光光束的发射功率进行调制，在系统的接收端对包含距离信息的回波能量进行解调，从而得到相应的距离信息，如图1.1所示。由于连续激光采用相位调制的方式，因而测量相对静止的目标时，激光光束的回波能量受运动的影响很小，并且可以获得较高的测量精度。但测量运动目标特别是高速运动目标时，目标回波能量受高速运动影响较大，使得相位信息有着较强的运动干扰，因此不能获得较高的测距精度。
 
 图1.1 连续激光目标定距原理图
 脉冲激光探测目标主要采用定距体制，简单地说就是以脉冲激光技术为探测手段，指示目标是否进入预定距离，即通常所说的“定距”。这种“定距”与通常情况下测距机测距、雷达测距存在明显不同，前者只要求对处于特定空间点（或较小的空间段）上的目标敏感，而与目标在其他空间区域的信息在某种意义上是无关的。
 
 脉冲激光目标方位探测，是以脉冲激光技术为探测手段，在确定目标进入预定距离的基础上，获取目标相对于系统的方向信息，从而控制弹药在最佳炸点定向起爆，从而获得较大的毁伤效能。
 1.2 脉冲激光目标探测技术的军事需求
 脉冲激光目标探测技术包括目标距离探测和目标方位探测。通过目标距离探测控制炸点已在多型导弹中得到应用，而在常规弹药中，由于发射时会产生高过载（一般在几千到几万个重力加速度），光学器件的抗过载能力制约了其发展；另一方面，常规弹药提供给引信的空间有限，更加限制了其发展的速度；再者，脉冲激光目标探测常用于近程探测，信号快速处理技术也是亟需解决的难题。科学技术的发展和高价值弹药、常规弹药、防空反导弹药的需求，共同促进了脉冲激光目标探测系统对抗冲击、小型化和信号快速处理的技术突破，使该技术的应用取得极大进步。脉冲激光目标探测技术的军事需求如1.2.1小节~1.2.3小节所述。
 1.2.1 反坦克弹药的军事需求
 反坦克导弹、破甲弹、穿甲弹是用于击毁坦克和其他装甲目标的主要手段。随着装甲目标表层防护技术的发展，反坦克弹药面临新的困难。新型反应装甲已发展到第五代，严重威胁到反坦克弹药的生存，因此清除装甲目标表层防护是新型反坦克弹药的首要任务。采用何种方式清除表层防护以赋予反坦克弹药新的生命力，是当前各国研究的重要方向。其中一种方法是使用两级串联战斗部，前级战斗部使用近炸引信，探测距离在1~2m，测距精度控制在0.1m以内。前级战斗部击爆反应装甲，在一定时间后，后级战斗部主战斗部随进击毁目标，如图1.2所示。近炸引信可采用无线电、电容、激光等方式实现近炸作用，考虑到测距精度，激光探测技术为最佳方案。
 
 图1.2 串联战斗部反应装甲示意图
 
 
 1.2.2 常规弹药的军事需求
 常规弹药如迫弹、榴弹、火箭弹、航空炸弹等的合理炸高是对地面有生力量实现最大杀伤的必要条件。目前，常采用的近炸技术有无线电近炸技术、电容近炸技术、探杆式近炸技术、电磁式近炸技术、激光式近炸技术等，以上几种近炸技术各有优缺点，如对地面定高精确起爆，激光式近炸技术应是优选方案。特别是对航空云爆炸弹，炸高控制在1~3m，精度小于0.2m，采用激光定距起爆最佳。对于更大型的各类炸弹，炸高在1~100m，在一般云层之下，可采用激光近炸体制，发射或空投前以快速装定方式完成炸高设定，其精度可保证杀伤效能。
 迫弹激光近炸引信是各国发展的重要方向。目前，美国和欧洲的几个国家已
 开发了迫弹激光近炸引信，如挪威Noptel公司研制的NF2000为迫弹用多选择激光近炸引信。该引信采用测定光脉冲往返时间的脉冲定距体制，脉冲重复频率为500次／s，采用专门的智能判别电路设计，能消除烟、尘、雨、雾等各种干扰作用；其近炸指标为1~10m可选择装定，定距精度为0.5m。由挪威Noptel公司与美国JunghansFeinwerktechinik公司联合研制的PX581迫弹通用激光近炸引信，如图1.3所示，其采用主动式的工作方式，可预装定1m、2m、3m、4m、5m作用距
 离，设计符合1316D军标，安全距离≥100m，系统可靠性≥98%，采用侧进气涡轮物理电源，工作环境温度为-46~+63℃。
 国内对激光引信在常规武器弹药引信中的应用研究已开展多年。南京理工大学已开发出多种弹用脉冲激光近炸引信，如作用距离为1~9m可调的通用迫弹近炸引信样机（图1.4）、高精度破甲弹近炸引信样机（精度优于0.3m，定距距离5~9m，如图1.5所示）以及250kg航空燃烧弹激光近炸引信样机（图1.6）。
 
 图1.4 迫弹近炸引信样机
 
 
 
 图1.6 航空炸弹近炸引信样机
 1.2.3 防空反导的军事需求
 防空反导是第三世界国家国土防御的主要任务。目前近程防空可采用的手段是小口径高炮，利用高射速、引信定时或定距的高精度对导弹进行拦截。典型的如瑞士双35高炮，配AHEAD弹，弹丸出炮口时进行测速与快速装定，在500~2000m，反导效率可达90%。采用中大口径火炮弹药进行防空反导是当前各国正在研究的方向，由于其射速低，不可能采用小口径高炮的反导体制，如意大利“龙”式自行高炮和RBS-70系统的“火流星”便携式防空导弹，均采用简易制导的方式，配10m左右的近炸引信，可用于对抗机动性较好的亚音速和超音速导弹，如图1.7和图1.8所示。
 
 
 图1.8 RBS-70系统的“火流星”便携式防空导弹
 1.3 脉冲激光定距与方位探测系统相关技术
 在常规弹药引信激光近程探测系统中，激光应用的主要目的是如何精确控制炸点高度（如迫弹、破甲弹、航空炸弹等），对目标实施更精确的打击，充分发挥弹丸的威力。根据目前激光近程探测系统的研究情况，其关键技术主要包括以下几个方面。

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