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激光告警设备用于对来袭激光威胁源的及时判别及预警。影响此类设备性能的是其对多波长和多编码激光信息的识别能力, 其检测设备需要尽可能准确、全面地模拟来袭激光的波长及其编码方式，以准确反映激光告警设备的性能。
目前，国内外针对激光告警检测设备的研究情况如下：美国TEXTRON公司设计研发了飞行器保全系统集成测试仪(integrated tester for aircraft survivability systems，ITASS)，装置能发射波长905 nm、1550 nm的激光对激光告警设备进行测试，工作距离达20 m。国内HOU[1]采用多脉冲位置编码(multi-pulse position modulation，MPPM)，设计的编码激光器实现1064 nm激光的4位编码输出，脉冲输出能量达12 mJ；CHEN[2]提出了一种基于现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)的多编码方式激光模拟源，可以实现5种编码方式的输出，平均误差达到1 μs以下；CHEN等人[3]提出一种多波长激光告警模拟检测装置，基本实现了对多波长多编码激光源的模拟，但采用5×1光开关切换各激光器单独出射，效率较低且不能够模拟多波长合束出射时的激光源。
总之，目前的激光告警检测设备的编码激光较为单一，通常只带有一种编码方式，且波长单一，不能很好地体现错综复杂的环境。现有的激光告警检测领域需要有能够实现多种波长多种编码方式合一的综合检测用模拟激光源。
本文作者运用激光编码技术和激光合束技术，基于STC8H单片机的脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)信号输出功能，输出3种调制信号对激光器进行编码处理，同时基于二向色镜的滤波特性，使3束激光合束后输出。输出的激光束可以各携带3种不同的编码信息，3种波长激光束可混合出射，也可单独出射。激光输出模式多样，满足不同检测需求，为激光告警检测设备的进一步改进提供更多的思路，在满足检测要求的基础上提高检测作业的工作效率。
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激光告警威胁源主要包括激光制导、激光测距、激光目标指示等[4-6]。参考战场上现有的多种激光类应用，主要的激光参数有：波长、光功率、束散角等。目前常用的激光告警波长范围主要分布在近红外波段，包括650 nm、780 nm、808 nm、1064 nm、1550 nm等[7]。
出射激光的光功率大小基于应用场景的不同有很大的差距，一般光功率都达到毫瓦量级，部分高功率激光应用能达到百瓦甚至千瓦级别[8]。本装置拟采用毫瓦量级激光器，同时由于可以合束出射，在需要的时候可以实现更高的光功率输出。
激光束散角表征激光光束出射后的发散程度[9]，束散角过大会导致激光传输过程中的能量损耗增加，原则上应尽量控制激光束的束散角。
基于以上考虑，本文中选用的激光器波长分别为650 nm、808 nm及905 nm，较好地覆盖常用的激光波段，光功率输出最大可达150 mW，束散角最小可达4 mrad，同时激光器带有PWM调制线，只需输入相应调制信号即可实现编码激光输出。
采用二向色镜作为合束元件，其基本原理是利用不同中心波长的激光入射二向色镜时反射率和透射率不同，将两束不同波长激光合为一束输出[10]。本文中采用长波通型二向色分光滤光片，只需调整激光束45°入射镜面即可实现多束激光合束输出。
综合上述，本系统的总体方案如图 1所示。
图 1 系统总体方案
Figure 1. Overall system scheme
图 1中，由单片机生成3路编码信号，驱动3路激光器输出带有编码信息的激光光束。3路激光射入以二向色镜为核心激光合束光学系统，从而实现多波长编码的激光束输出。
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本激光源预设的编码方式有3种，包括精确频率编码、变占空比编码以及变间隔编码，拟采用内调制的方式进行编码。内调制方式是指加载调制信号在激光振荡的过程中进行，即以调制信号变化规律去改变激光器的振荡参数，从而改变激光的输出特性[11]。
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精确频率编码指设置固定的精确频率对激光脉冲进行调制，属于一种周期性编码[12-14]，主要是按照周期T来产生激光脉冲，并要求脉冲精度为固定值，同时要求系统同步精度也要固定不变。本设计拟实现168 Hz频率调制及50%占空比调制，其中由于激光器存在上升时间及下降时间，为使波形较为完整，需尽量增大周期，即频率选择最小。由于STC8H单片机16位高级PWM寄存器最高计数值ρmax可达到65535，故其最低调制信号频率fmin为：
$ f_{\min }=f_0 / {\rho}_{\max } $
(1) 式中，单片机工作频率f0=11.0592 MHz，可得最低调制信号频率fmin=168 Hz。脉冲示意图如图 2所示。
图 2 精确频率编码示意图
Figure 2. Schematic diagram of fine coding pulse
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常见的制导设备其激光脉冲占空比约为1 ∶1，即50%左右，而相同波长的激光测距仪占空比则小于此值[15]。为更好地覆盖被测设备的应用范围，本文中设计的脉冲激光占空比可以从10%~ 50%连续变化，其示意图如图 3所示。
图 3 变占空比编码示意图
Figure 3. Schematic diagram of variational space coding pulse
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变间隔编码由精确频率编码发展而来，主要是调制编码周期使其规律性变化。比如编码波形输出循环的大周期为T，一个大周期T包含多个小周期t，可任意设置小周期的间隔以及个数，大周期由小周期及其个数决定[16]，其中周期数及大周期值可根据实际要求设置，本文中实现了50个小周期的编码输出，其示意图如图 4所示。
图 4 变间隔编码示意图
Figure 4. Schematic diagram of variational duty coding pulse
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电子系统的构成如图 5所示。其中上位机用于提供人机界面以控制激光编码类型以及各项参数的设置，W5500网络通信模块用于实现上位机与单片机之间的通讯，STC8H单片机用于实现各种模式的编码，其内部的高级PWM模块包括PWM 1和PWM 2两组高级PWM，各有4个通道，每个通道均可独立输出。激光驱动模块接收由上位机发送的驱动信号及单片机编码模块发送的调制电信号，驱动激光二极管(laser diode，LD)产生编码激光光束。
图 5 电子系统构成框图
Figure 5. Block diagram of electronic systems
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本文中为基于PWM调制的编码系统，主要通过STC8H单片机的16位高级PWM模块实现。
当上位机发送编码类型为精确编码时，自动重装载寄存器(auto reload register，ARR)写入周期值，捕获/比较寄存器(capture/compare register，CCR)写入占空比值，计数器频率由分频后的主时钟源决定，本编码软件分频系数设为1。计数器设定为向上计数，即从0开始计数，计数至重装载值时计数溢出，进入下一周期。设定PWM 1模式，即计数值小于CCR的内容时，输出高电平，计数值大于CCR的内容时，输出低电平。
当编码类型为变占空比编码时，ARR写入预设的周期值，CCR写入起始占空比值，输出一个周期后产生更新中断，中断程序中由正弦函数数值表提供读表数据，首先判断读表指针是否大于表格数据个数即数值点数，未大于数值点数则根据读表指针将数值表数据写入CCR，指针+1;若大于数值点数则指针清零，完成一个周期的占空比调制。
当编码类型为变间隔编码时，ARR写入起始周期值，CCR写入预设占空比，输出一个周期后产生更新中断，将读表数据写入ARR，完整读完一个正弦函数数值表即输出一个大周期，数值点数代表小周期个数。
程序流程图如图 6所示。图中，IER(interrupt enable register)是中断使能寄存器。
图 6 软件流程图
Figure 6. Flow chart of software
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本装置采用半导体激光器输出激光。由于半导体激光器是以载流子直接注入而工作的，对驱动电流的稳定性有较高的要求，故需要以恒电流驱动。同时需要设置相应的电流缓冲模块，以消除电路中可能存在的浪涌，防止浪涌现象烧坏LD。
恒电流输出一般采用负反馈的控制方法，恒流驱动电路原理如图 7所示。包括调制信号输入电路、电压-电流转换电路、恒流输出电路及反馈电路。电路中，运算放大器A1起比较器作用。运算放大器A2与电阻R4、R5构成同相比例运放，可通过调节电阻R4与R5的阻值来控制取样电压VR3的放大倍数。电阻R2与电容C2组成运算放大器A1的输出缓冲模块，以防上电瞬间的产生浪涌冲击LD。
图 7 驱动电路示意图
Figure 7. Schematic diagram of driving circuit
PWM调制信号输入时，单片机高电平信号电压VPWM经过由电阻R1与电容C1组成的1阶低通滤波器，滤波后进入运放A1的同相输入端，将运放A2放大后的取样电压VR3与高电平信号电压VPWM进行比较，当VR3大于同相端电压时，运放A1输出负电压，三极管Q1截止，LD电流减小，从而导致取样电压VR3减小。当取样电压VR3减小到低于同相端电压时，运放A1输出正电压，三极管Q1导通，则LD电流重新增大。因此整个闭环反馈电流处于动态平衡的状态，保持LD的恒电流驱动，同时实现PWM的电路开关调制。
本装置采用的3种波长的LD型号为HGLD-650TO5、HGLD-808TO5、HGLD-905TO5。由于不同波长LD阈值电流及工作电流不同，需针对不同LD设置不同取样电阻。基于同相比例运放电路，取样电阻R3上的电压VR3=VPWM，则计算公式[17]为：
$ I_{\mathrm{LD}}=\frac{V_{\mathrm{PWM}}}{R_3} $
(2) 式中，ILD为LD驱动电流值; VPWM为单片机高电平电压值; R3为取样电阻阻值。
为验证电路可行性，将650 nm型号LD接入驱动电路，其阈值电流为30 mA，150 mW输出时工作电流为50 mA，相关参数设置为：供电电压VCC=5 V，单片机高电平信号电压VPWM≈4 V，则取样电阻R3=80 Ω。得到的激光波形图如图 8所示, 其输出特性基本满足实验需求。
图 8 测试激光波形图
Figure 8. Waveform of testing laser
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本设计中利用二向色镜的截止滤光特性，将符合反射波段的激光束与符合透射波段的激光束合为一束激光后出射。二向色镜对比其它合束方式，其实现方式简单，抗颠簸能力强，易于调校，合束效率高，适用于野外测量[18]，较好满足激光告警实际装备的测量要求。
光路示意图如图 9所示。
图 9 二向色镜合束示意图
Figure 9. Diagram of dichroic mirror combining
二向色镜根据各合束激光的波段进行参数设计，根据各合束激光的要求，选用的二向色分光滤光片，其型号为HGMP-750及HGMP-850。为了解二向色镜对各波段的透过率特性，提供二向色镜的产品测试数据曲线，如图 10所示。由图 10a可以看到，HGMP-850型二向色镜对905 nm波长的激光透过率约为95%，对808 nm波长激光透过率约为5%。图 10b中的HGMP-750型二向色镜对808 nm激光透过率约为92%，905 nm激光透过率也约为92%，对650 nm激光透过率接近1%。故HGMP-850型二向色镜能实现透射905 nm激光束，反射808 nm激光束。HGMP-750型二向色镜能实现透射808 nm、905 nm激光束，反射650 nm激光束。
图 10 二向色镜曲线图
Figure 10. Graph of dichroic mirrors
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出射激光的光束质量测试指标包括激光能量，合束光束束散角和合束光斑重合度。本文中选用的激光器为脉冲激光，激光器能量公式[19]为：
$ P_{\mathrm{avg}}=Q f_{\mathrm{req}} $
(3) 式中，Pavg为脉冲激光平均功率; Q为单脉冲能量; freq为脉冲重复频率。所选激光器平均功率为150 mW，调制后的激光器脉冲重复频率为168 Hz，故由理论推算单路激光脉冲能量约为0.89 mJ，则合束激光脉冲能量为2.67 mJ。用激光能量计测量3路激光独立出射的激光能量以及通过合束光路后的激光能量，其数据如表 1所示。
表 1 激光能量测试实验结果
Table 1. Result of laser energy testing
number of detections pulse laser energy of 650 nm /mJ pulse laser energy of 808 nm /mJ pulse laser energy of 905 nm /mJ pulse laser energy of combined laser beam/mJ 1 1.19 0.81 1.09 2.37 2 1.10 0.82 1.14 2.46 3 1.17 0.80 1.10 2.51 4 1.11 0.83 1.12 2.45 5 1.14 0.80 1.11 2.38 6 1.09 0.85 1.12 2.44 7 1.17 0.83 1.08 2.52 8 1.15 0.82 1.11 2.39 由表 1可知，合束光路的激光能量损失率约为20%，合束后单脉冲激光能量约为2.45 mJ，与理论值误差约为8%，并且激光器输出激光能量会略大于理论值，这是因为激光能量输出还与供电电压相关，故实际输出激光能量与理论值有一定出入，但基本符合系统设计要求。
合束光斑重合度与光束束散角的检测可采用离轴抛物面反射式平行光管装置，其特性是可以将焦点处的光源模拟至无穷远处出射，利用其光路及逆光路可分别检测合束光斑重合度及光束束散角。
激光束散角测量采用透镜聚焦法[20]，即使用聚焦透镜对合束激光进行聚焦，测量在焦面上的光斑直径，然后再由束散角测量公式计算出束散角。实验装置中平行光管起聚焦元件的作用，束散角测量公式有：
$ \tan \theta=d / f^{\prime} $
(4) 式中，离轴抛物面反射镜焦距f′=800 mm; 10次测量后获得的平均光斑直径为d=3.42 mm。由计算可知，激光束散角θ=4.27 mrad，符合设计要求。
可采用离轴抛物面反射式平行光管装置的逆光路测量合束光束重合度，实现方法是将激光器置于系统焦面处，在系统出射端模拟激光器无穷处照射效果，以905 nm激光束作为基准光束，根据其它子激光束形成的光斑位置与905 nm激光光束的偏差来确定合束重合度[21]。其中实验用激光模组出射激光光束直径为6 mm，为保证多束激光的重合度，将在平行光管后的靶纸上预置一个直径为6 mm的圆形区域，调整合束激光限制在这个圆形区域内即同轴调整完成。
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采用示波器来探测激光编码后的波形，实验装置如图 11所示。从左到右分别为光电探测器、衰减片及激光器。
图 11 编码波形探测的实验装置
Figure 11. Setup of the encoded waveform detection
将调制电信号接入激光模组，查询光电探测器说明书可知，其能接收的饱和光功率为5 mW，故采用衰减片将150 mW光功率的激光光束衰减至2%，即3 mW的光功率后照射探测器感光面，光电探测器的输出接入示波器通道得到脉冲激光波形。实验结果如图 12所示，3个小图中, 上列波形为编码模块输出的调制电信号波形，下列波形为激光信号波形。
图 12 脉冲激光编码波形
Figure 12. Waveform of coding pulse laser
图 12a中精确频率编码的频率为168 Hz，占空比为50%，其中占空比调制精度为0.1%，周期调制精度为0.5 μs；图 12b中变占空比编码中占空比变化范围为10%~50%；图 12c中变间隔编码频率变化范围为168 Hz~337 Hz，共有50个小周期，每个周期频率平均相差10 Hz，一个大周期为150 ms，激光器脉冲上升时间及下降时间约为250 μs，其中占空比精度为0.1%，频率精度为0.5 Hz。实现了较好的激光编码效果。
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设计了一种新型的激光告警模块检测光源，较好地实现了多波长编码和多光束合束的功能以及相应的指标。本文作者设计了用于激光告警接收设备的检测装置，能基本满足常见激光威胁源的参数指标，使得激光告警设备的测试更加全面和准确。
一种多波长多编码合束输出的新型激光源研究
Research on a new type of laser source with combined multi-wavelength and multi-coding beam output
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摘要: 为了模拟复杂条件下的激光威胁源, 设计了一种基于多波长多编码合束输出的新型激光产生装置, 用于检测相应的激光告警设备。采用3路波长分别为650 nm、808 nm和905 nm的激光, 以STC8H单片机为核心构成编码模块, 输出调制后的编码激光, 通过二向分色镜将3路激光光束合成一束出射, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 合束的脉冲激光能量最高达到2.45 mJ, 光束直径为6 mm, 频率调制精度达到0.5 Hz, 占空比调制精度达到0.1%;该装置能够实现携带不同编码信息的、不同波长的激光合束出射。该研究为激光告警设备提供了一种新的检测装置, 对检测手段的改进有一定的参考意义。Abstract: In order to simulate the laser threat in complicated condition, a new type of laser source with combined multi-wavelength and multi-coding beam out was presented. Three wavelengths of 650 nm, 808 nm and 905 nm were adopted here. The microcontroller STC8H was selected as core of the coding module to modulate laser beams. By dichroic mirrors, three channel lasers were combined to one channel laser output. And relevant theoretical analysis and simulation verification were carried out. The results show that the energy of pulse laser is up to 2.45 mJ, the diameter of beam is 6 mm. It can modulate laser driving signal in the precise frequency coding, the variational duty cycle coding and the variational space coding. The precision of frequency and duty cycle are 0.5 Hz and 0.1%. The device can provide laser beam with different coding messages in different wavelengths. This research presents a new detection device of laser warning devices, which has reference for the improvement of detection.
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表 1 激光能量测试实验结果
Table 1. Result of laser energy testing
number of detections pulse laser energy of 650 nm /mJ pulse laser energy of 808 nm /mJ pulse laser energy of 905 nm /mJ pulse laser energy of combined laser beam/mJ 1 1.19 0.81 1.09 2.37 2 1.10 0.82 1.14 2.46 3 1.17 0.80 1.10 2.51 4 1.11 0.83 1.12 2.45 5 1.14 0.80 1.11 2.38 6 1.09 0.85 1.12 2.44 7 1.17 0.83 1.08 2.52 8 1.15 0.82 1.11 2.39 
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