基于偏振编码的激光告警机光纤天线的研究

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【摘要】在激光告警中基于偏振编码的光纤天线测量方法，其结构简单、稳定，并且能够保证在一定精度的情况下实现全方位角度探测。这种方法是将不同起偏角的偏振片放置在不同位置然后进行编码，再经准直透镜组将合并成一束的由各条光纤射出的光线射入解偏光路中，然后再由判断电路对其进行分析，便得到了激光的入射方向。在通过计算经过偏振片以后的激光能量衰减，并仿真了能量衰减的效果，求解电路能检测到激光最弱幅值与能量最大偏振衰减时激光引起的响应电流之间的幅值关系，得到了激光角分辨率在30°时满足探测需求。在实验中得知，为了实现激光方向全方位的探测，需要在偏振角度划分为每20°时将最小识别电压设定为20mv。

【关键词】激光告警;偏振编码;光纤天线;传能光纤

1.引言

激光侦察、测距以及激光制导武器等在军事上的成功应用加速了世界上各军事强国和集团对激光预警接收系统的研制和应用。而为了能够有效预防激光制导武器对目标的精确打击，新型激光预警接收器系统的研制成为了急需研究的课题。并且，光电对抗也在现代战争中发挥着越来越重要的作用，而光电侦察与告警技术则是光电对抗及其重要的组成部分，作为激光告警中的重要组成，来袭激光方向的探测已被广泛的研究。

目前成像型、掩模编码型和多窗口探测型成为了激光方向测量方法三种通常方法。三种方法各有优缺点，成像型方法采用多源面阵探测器，但反应速度慢，且测量精度还会受到探测器是否均匀的制约掩模编码型方法易受大气影响，且探测范围的大小只能小于受大气影响的菲涅尔尺度;而多窗口探测型方法的光学窗口与探测器较多，仪器体积大，信号处理与设备维护比较复杂。

2.方案设计

2.1 基本原理

偏振编码型光纤天线是采用多窗口探测大视场的形式，结合简单稳定的结构思想，通过大数值孔径的传能光纤将两种方法结合起来形成的。这种方法是将不同起偏角的偏振片放置在不同的方向上然后进行编码，通过聚焦准直透镜组将耦合成一束光纤的各方向上光纤射出的经过偏振片激光变为大致平行的光，将对某一波长反射程度较高的反射镜放置在平行光上，在该反射镜后面放置一对该波长的1/2分束镜将反射光束分成两束，将两片偏振方向互相垂直的偏振片各放置在两束光后，并在其后面各放置一个探测器。这样来袭激光的方向就可以由经过运算电路进行偏振解码的探测器输出信号得知。

图1 偏振编码光纤天线的探测原理示意图

2.2 结构设计

如图1所示为偏振编码光纤天线，天线顶部的各个方向上有一个特定的偏振片作为编码方向与激光的入射角度形成一一对应关系;为了使光纤的视场与探测视场能够进行匹配，偏振片需要与对应角度为±27.38o的大数值孔径（0.46±0.01）传能光纤进行耦合;再由探测器1、2分别检测经双折射棱镜进行分光的由16根光纤耦合并与准直透镜组耦合射出的近似平行光光强，激光入射方向最终经判断电路分析得知。

为了使每个方向的来袭光都会有一个相应的偏振方向与之对应，需要利用偏振片对各个窗口上的来袭激光进行偏振编码，当激光从某一个方向来袭时，两个探测器将会分别有两种不同的光（一束为寻常光一束为非寻常光）从涡拉斯顿棱镜中射入。

2.3 对探测器灵敏度的分析

探测器选用了包含激光告警中几个重要的探测器波长（0.85um，1.06um）的YSPD728-G型PIN光电二极管，响应光谱为500nm-1600nm。响应时间为满足通用脉冲激光脉宽要求10ns的1ns。对5km远处发散角为2mrad的激光器（功率为1MW）发出的激光进行告警，则在单位面积功率为12700W、光敏面为300um的探测器上得到初始入射的激光功率为3.59mW，根据0.85A/W的探测器响应度，可得知当探测器上接收到激光直接照射时，得到的响应电流为3.05mA。由上式可知，当加入偏振片后能量衰减最强位置的能量约为出始能量的1/4，这时可以得到大约为0.765的响应电流，判断电路能够将其进行区分。

3.实验

3.1 实验系统的描述

若室内有自然光，将偏振片放置在传能光纤顶端，让光纤尾部射出的激光透过透镜照射在探测器上，观察与探测器输出引脚相连的示波器是否有探测波形显示出来，选用波长为的850nm激光器，更换不同偏振角度的偏振片重复多次实验。

3.2 结果与分析

若偏振片的起偏角度发生变化（从0o到360o），为了验证这种方法的可行性，观察并找到与偏振角度对应的电检测器输出时的电压变化范围，观察并找到与偏振角度对应的电检测器输出时的电压变化范围，若所有的电压变化都超过了一定的阈值电压则认为任意方向上的偏振光都可以被检测到。

对于采集的电压信号的波形完整性这里并不需要保证其完整，而只需要检测到有相应的脉冲信号即可，因为电路本身只需要有相应的高电平就可以对激光信号的有无进行判断，所以对偏振角度、激光方向等情况造成的信号失真情况并不关心。表1为探测该波长激光器对应的各个偏振角的探检测电压。

表1中的“-”表示没有采用的偏振角度，也就是2.1中提到的激光能量衰减最强的位置，在任意光源中都能找到一对衰减区域最强的对称位置，将其舍去，并以此位置为原点分别向左右各旋转20o作为起偏角的起始和结束位置。从上表中可以看出电压变化率较慢的是在接近最弱和最强的位置时，而变化较快的是中间位置，接近正弦变化。偏振角度每变化10o与之对应的电压就变化1020mV，并且奇异点的变化并不明显。在能量最强衰减偏振角度附近的电压除660nm在0o和220o的两组数据低于20mV外（分别为19.45mV和19.89mV），其余各组均高于20mV，但这两组数据也都近似于20mV，所以当系统最小的识别电压为20mV时，偏振光都可以在任何入射方向时被检测到。两组实验中YSPD728-G型光电探测器在850nm处的光谱响应优于660nm处光谱响应，是850nm激光器的探测效果略优于660nm激光器的效果的主要原因。

综上所述，由以上实验表明若在最小识别电压为20mv的条件下，能量衰减最强处仍然能够检测到一个大于阈值电压的信号，激光告警机的光接受部位才会采用基于偏振编码的光纤天线。

4.结论

本文提出了基于偏振编码原理的光纤天线型激光方向测量方法。对激光方向的辨别方法进行了分析，并推导出偏振角和激光能量两者间的函数关系。并通过模拟验证了在每20°偏振角度（共18组）的编码，除去一组最弱的对称值外，得到的其它16组光强响应仍大于一定阈值。实验显示，为了证明这种方法的可行程度，需要满足在能量衰减最强位置附近的两组电压值都基本处于20mV的阈值范围，并且其他位置的数值全部大于此值。

参考文献

[1]程玉宝，李庆，刘上乾，等.一种激光定向的多窗口设计[J].应用光学，2005，26（6）：53-56.

[2]李树山，孙春生，韩小兵，等.激光辐射方位的确定技术[J].海军工程大学学报，2003，15（2）：30-34.

[3]刘智超，张记龙，阎鹤.一种投影式激光方向测量方法[J].光学学报，2008，28（8）：1518-1522.