8.3.2.1 超声探测
超声波是振动频率大于20 kHz的声波，其传播速度同其他声波一样，取决于介质密度和介质的弹性常数。空气中的超声波传播速度可近似地表示为：
式中，θ是空气介质的温度，单位为℃。超声波在空气中传播实际上是纵向振动的弹性机械波，其质点位移方程可表示为：
式中，s（t）表示质点的位移量；A0是初始振幅；ω为角频率；t为传播时间；x为声波的传播距离；α=Ae·f2为衰减系数；Ae为介质常数，在空气中Ae=2×10-11（s2/m）；k=ω/c为波数。由式（8.30）可知，声波的振幅将随着距离呈指数形式衰减，且频率越大，衰减得越严重。因此，超声波测距会根据探测距离的远近选用不同的工作频率，不同探测距离优先选用的超声波工作频率如表8.2所示。
表8.2 不同量程下超声波工作频率选择
由表8.2可以看出，超声波的工作频率越大，可适用的探测距离越短。工作在超声波频段的最大探测距离为50m，而对于＞50m的探测距离，工作频率只能在可听声音频率上。区域封锁子弹药的封锁指标是对子弹周围6m区域内的车辆目标进行感知定位，结合市场上使用最多的超声波测距模块，拟选用工作频率为40 kHz的超声波进行测距。
测距传感器的性能不仅取决于探测距离，还需要有良好的角度分辨率，否则传播路径周边环境反射的杂波将严重影响测距系统对目标的判断准确性。相比于20～20 000Hz的声音信号，超声波具有较好的束射性。目前普遍采用圆形的压电晶体作为超声波的发射与接收单元，因此超声波探头辐射可以被看成圆形活塞源的辐射问题。根据惠更斯原理，任何复杂声源可以被看作许多点声源的组合。本书的探测范围要求符合超声波声场的远场条件，因此对于半径为a的圆形活塞式超声波发射探头，其声场可用式（8.32）表示：
式中，ω表示声源振动的角频率；ρ为介质密度，a为探头半径；ua为声源振动时的速度振幅；k=2π/λ为波数，λ为波长；J1为一阶贝塞尔函数；r和θ分别表示待测点Q到探头的距离和方位角。远场指向性函数可表示为：
超声波波束角如图8.6所示，θ0称为锐度角，表示主波束两侧出现的第一个极小值之间的夹角；θ-3dB称为波束角或半功率夹角，表示功率下降到θ=0时功率的一半时的夹角，即式（8.32）等于
时的夹角。由图8.6可以看出，超声波探头的发射声场不仅有主波束，还有若干旁瓣，通常用旁瓣级来表示旁瓣方向上的能量占总辐射能量的大小，用最大旁瓣幅值的归一化声级表示。
图8.6 超声波波束角示意
超声波的束射性以及反射特性使利用声波主动测距成为可能。超声波测距的三个主要过程是超声波从探头发射过程、在介质中传播时与目标的作用过程，以及产生的回波被探头接收过程。超声波测距最常用的方法是渡越时间法（Time of Flight，TOF），即在声速已知的情况下，通过测量超声波回波所经历的时间来获取距离，典型的超声波回波信号如图8.7所示。
图8.7 超声波测距回波信号
图8.8所示为弹对超声波换能器车辆探测的示意图，图中r，θ分别为目标相对于换能器的距离和方位角，θ′是远场条件下发射换能器的锐度角的一半。
图8.8 超声波车辆探测示意
对于中心频率为40 kHz、辐射半径为6mm的发射探头，可计算出θ′=60°。回波振幅precv（r，θ）可由式（8.34）表示：
式中，ptrans（r，0）表示ptrans（r，θ，t）在θ=0时的幅值，则回波可被探测到的r、θ可由式（8.35）求得：
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式中，rmax表示在θ=0时最远稳定可测距离，由试验可知rmax=6m。所以precv（rmax，0）表示接收探头能接收到回波的最小声压幅值。
图8.9 超声波测距范围
如图8.9所示，曲面表示目标在（x，y）位置时的回波声压，平面表示超声波接收探头能够接收到的回波的最小声压值，那么曲面与平面交叉的区域为超声波的测距范围。将（x，y）转换为距离
，则超声波的测距范围可表示为图8.9（b）。从中可以看出，随着距离的增加，可测角度范围逐渐减小。当距离大于3m时，可测角度范围小于45°。
8.3.2.2 红外探测
红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强，能在一定程度上识别伪装目标，且设备体积小、重量轻、功耗低等特点，在军事上被广泛应用于红外夜视、红外侦察以及红外制导等方面。由于其不辐射能量，因而不可能被敌方侦察和定位，从而无从实施干扰和攻击。同时，坦克（包括隐身飞机）不可避免地辐射电磁能量和热量（红外线）、反射可见光，为探测和定位创造了条件。另外，由于无能量覆盖和杂波问题，理论上无探测盲区。这些都使得红外探测设备具备先天性的“四抗”能力。红外无源探测显示出了以下突出优势：
1）对目标的依赖性最小。从理论上讲，任何体温在绝对零度以上的物体都要辐射红外射线，温度越高，波长越短；体积越大，辐射越强。任何飞行器都离不开发动机，飞行速度越快，发动机动力越大，红外辐射越强。
2）对环境的依赖性最小。红外无源探测无论白天还是夜晚，无论晴天还是阴天皆可进行，仅仅是白天由于背景较强，效果比夜晚较差，阴天由于云层对红外线的衰减或吸收，效果比晴天较差。它具有全天候的工作能力。
3）探测视场角大。采用信号检测方式（非成像方式）工作的红外探测设备，在大于2 km的距离上和成本可以接受的前提下，仰角视场角可做到4°～6°。如果不计成本，则可以做得更大，如方位上采用360°扫描探测方式，这种红外探测设备的探测范围则是全空域的。
光电位置敏感器件（PSD）感光面上接收的是对象的光斑，对象发出的红外光是发散的，同时受到空气的散射；要会聚到感光面上，就必须通过透镜进行聚焦，形成大小和强度合适的光斑。由于PSD的线性度误差，我们希望光斑能够投影到A区（线性区），获得最小的误差，可以通过调整透镜的焦距实现。
加入透镜，可以将PSD的位移参数转换为我们所要的角度参数，因此，需要设计光路以完成红外光的收集和聚焦。其中，关键在于透镜焦距，以及光路结构设计。透镜焦距设计涉及聚焦后的红外目标光斑能否落在敏感面内，最好落在A区，以保证误差最小。光路结构设计决定透镜以及PSD器件的安装方式，同时决定视野的大小。光路原理如图8.10所示。
图8.10 光路原理
对于大多数的光电装置，光电器件需要通过检测电路才能实现光电信号的变换作用。通常，光电检测电路是由光电检测器件、输入电路和前置放大器组成。光电检测系统如图8.11所示。
输入电路是连接光电器件和电信号放大器的中间环节，它的基本作用是为光电器件提供正常的电路工作条件，进行电参量的变换（例如将电流和电阻转换为电压），同时完成和前置放大器的电路匹配。输入电路的设计应根据电信号的性质、大小、光学的和器件的噪声电平等初始条件，以及输出电平和通频带等技术要求来确定电路的连接形式和工作参数，保证光电器件和后级电路最佳的工作状态，并最终使整个检测电路满足下列技术要求：
图8.11 光电检测系统
1）灵敏的光电转换能力：使给定的输入光信号在允许的非线性失真条件下有最佳的信号传输系数，得到最大的功率、电压或电流输出。
2）快速的动态响应能力：满足信号通道所要求的频率选择性或对瞬变信号的快速响应。
3）最佳的信号检测能力：具有为可靠检测所必需的信噪比或最小可检测信号功率。
4）长期工作的稳定性和可靠性。
8.3.2.3 激光探测
根据激光测距的基本原理，激光测距技术可以分为激光飞行时间测距和非飞行时间激光测距两类，其中飞行时间测距根据所发射激光状态的不同，可分为脉冲激光测距和连续波激光测距，后者根据起止时刻标识的不同又分为相位激光测距和调频激光测距。非飞行时间激光测距技术是指在测距时并不像飞行时间测距法直接或者间接获得激光飞行时间，而是基于光子计数或者数学统计的方法来得到目标物距离。鉴于本系统对激光测距频率的要求，本系统采用脉冲激光测距的方法，而对于脉冲激光测距技术来说，其设计的关键和难点就是精度问题。
一个典型的激光测距系统应具备以下几个单元：激光发射单元、激光接收单元、距离计算与显示单元、准直与聚焦单元。系统工作时，激光由发射单元发射，碰到目标后反射回来，被接收单元接收，通过距离计算得到目标物距离。
目前，脉冲激光测距已获得广泛的应用，如地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪，以及人造卫星、地球到月球距离的测量等。脉冲激光测距利用激光脉冲持续时间极短、能量在时间上相对集中、瞬时功率可达兆瓦的特点，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程，在进行几公里的近程测距时，如果精度要求不高，即使不使用合作目标，只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得的反射信号，也可以进行测距。一个典型的脉冲飞行时间激光测距系统通常由以下5个部分组成：激光发射单元、回波接收单元、信号处理单元、高精度时间间隔测量单元和处理控制单元。激光发射单元在某时刻发射激光脉冲，其中一小部分脉冲信号直接进入接收通道，经时刻鉴别单元产生起始信号，启动时间间隔测量；另一部分向目标发射出去，经一定距离到达目标后被反射，接收通道的光电探测器接收到返回脉冲，经放大、整形后，产生一个终止信号，测量终止时间间隔，高精度计数单元把所测得的时间间隔结果输出到处理控制单元，最后得到距离。
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