許鵬程，王科偉，楊 進(jìn)，方宇耀，邊文昆，沈曉兵

(1.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019；2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)航空軍代室，陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著以信息技術(shù)為核心的新軍事變革在全球范圍內(nèi)興起，信息裝備領(lǐng)域的新秀——軍用光電系統(tǒng)已經(jīng)成為了一種與雷達(dá)及聲學(xué)系統(tǒng)并駕齊驅(qū)的高技術(shù)裝備。軍用光電探測(cè)技術(shù)仍然是一門飛速發(fā)展且具有廣闊前景的高新技術(shù)。未來(lái)，探測(cè)距離更遠(yuǎn)、探測(cè)精度更高、覆蓋譜段更寬、空間分辨率更高、反應(yīng)速度更快、適應(yīng)能力更強(qiáng)、智能化與信息化水平更高的光電探測(cè)裝備將會(huì)是戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的重要威脅之一[1]。

而如何對(duì)抗這一軍事威脅，提高戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的生存能力成為必須思考的首要問(wèn)題。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率、小型化激光器逐步得到應(yīng)用，使得利用強(qiáng)激光飽和干擾或破壞光電探測(cè)系統(tǒng)成為可能，從而降低了目標(biāo)被光電探測(cè)發(fā)現(xiàn)的概率，提高了戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)生存概率。

1 激光干擾原理

激光對(duì)光電探測(cè)器干擾的目的是造成其功能性退化或暫時(shí)失效，其主要表現(xiàn)為光電探測(cè)器材料的溫升效應(yīng)和電飽和效應(yīng)。在實(shí)際軍事對(duì)抗應(yīng)用過(guò)程中，激光對(duì)光電探測(cè)器的破壞都是遠(yuǎn)距離的，而由于受到激光能量(功率)、大氣衰減以及傳輸距離等因素的影響，遠(yuǎn)距離干擾難以實(shí)現(xiàn)，干擾效果無(wú)法得到保證。并且，受到外場(chǎng)條件、實(shí)驗(yàn)手段等因素的影響，遠(yuǎn)距離干擾評(píng)估驗(yàn)證非常困難。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在內(nèi)場(chǎng)條件下，對(duì)激光干擾的效果、干擾閾值等進(jìn)行測(cè)量，再根據(jù)激光傳輸理論，推導(dǎo)遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的激光干擾效果。

2 激光干擾實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 干擾實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.1 CCD攝像機(jī)

實(shí)驗(yàn)中CCD采用三軸結(jié)構(gòu)，易調(diào)節(jié)，功耗低，散熱好，具有良好的色彩還原性及畫(huà)質(zhì)，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 CCD技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

2.2 半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 半導(dǎo)體激光器技術(shù)參數(shù)

2.3 激光功率計(jì)

綜合考慮各種因素以及任務(wù)要求，選擇了以色列OPHIR公司的功率計(jì)，外形如圖2所示，指標(biāo)參數(shù)如表3所示。

圖2 功率計(jì)圖

表3 功率計(jì)指標(biāo)參數(shù)

主要特點(diǎn)：(1)在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)(0.19～20 μm)光譜相應(yīng)平坦，故其功率∕能量響應(yīng)率不隨波長(zhǎng)而變，對(duì)工作波長(zhǎng)范圍任意波長(zhǎng)激光器均可測(cè)量，免除波長(zhǎng)校正的麻煩；(2)吸收表面可耐受強(qiáng)功率密度為1 kW/cm2，可直接測(cè)量強(qiáng)光；(3)高靈敏度，分辨率可達(dá)1 μW/1 μJ；(4)響應(yīng)速度好；(5)熱穩(wěn)定性好。

2.4 視頻采集卡

實(shí)驗(yàn)中采用的是QQDVR 4路USB高清視頻采集卡，詳細(xì)性能參數(shù)如表4所示。

表4 視頻采集卡性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)室條件下，按照如圖1所示實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，搭建好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，打開(kāi)CCD攝像機(jī)和顯示器，開(kāi)啟激光器電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)激光功率旋鈕，逐漸增加激光功率值。隨著激光功率值的增加，攝像機(jī)成像效果如圖3中的(a)～(d)的變化過(guò)程，當(dāng)出現(xiàn)(d)的成像效果時(shí)，停止增加激光功率值，此時(shí)CCD攝像機(jī)已經(jīng)被飽和干擾，打開(kāi)激光功率計(jì)，記錄激光功率值。計(jì)算CCD攝像機(jī)被飽和干擾的功率密度值為8.14×10-4W/cm2。

圖3 實(shí)驗(yàn)得到的激光飽和干擾CCD的效果圖

3 激光遠(yuǎn)距離干擾等效計(jì)算

3.1 激光遠(yuǎn)距離傳輸理論分析

激光通過(guò)大氣傳輸時(shí)，將產(chǎn)生2種效應(yīng)：一是大氣組分(各種分子和氣溶膠)對(duì)光波的吸收和散射作用而造成激光能量的衰減，稱為大氣衰減；二是大氣的湍流運(yùn)動(dòng)使大氣折射率具有隨機(jī)起伏的性質(zhì)，從而使光波參量——振幅和相位產(chǎn)生隨機(jī)起伏，造成光束的散射、彎曲、分裂、擴(kuò)展，空間相干性降低及偏振狀態(tài)起伏等，稱為大氣湍流效應(yīng)。本文估算只考慮大氣衰減效應(yīng)影響。

3.2 激光的大氣傳輸

大氣是由尺寸和成分不同的各種氣體的粒子復(fù)合而成。研究表明，水蒸汽(H2O)、二氧化碳(CO2)和臭氧(O3)在可見(jiàn)光和紅外區(qū)域有強(qiáng)烈的選擇性吸收作用，而大部分激光器工作于此頻段[2]。

大氣中除大氣分子外，還有大量粒度在0.33～2 000 μm之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，即塵埃、煙粒、微水滴、鹽粒以及微生物等。其中大多數(shù)固體微粒不但直接使大氣渾濁(氣象學(xué)稱之為霾)，而且常常是水蒸氣的凝結(jié)中心，對(duì)于形成云、霧、雨、雪具有很大作用。由于這些微粒在大氣中的懸浮呈溶膠狀態(tài)，所以通常統(tǒng)稱為大氣氣溶膠。

由于大氣氣溶膠與氣象學(xué)上的能見(jiàn)度有自然的聯(lián)系，因此常常用大氣能見(jiàn)度來(lái)描述氣溶膠衰減的程度。能見(jiàn)度定義為：在白天水平天空背景下，對(duì)0.55 μm光(人眼視覺(jué)最靈敏的波長(zhǎng))，正常人眼能分辨足夠大目標(biāo)的最遠(yuǎn)視程。能見(jiàn)度等級(jí)與大氣狀況的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5所示[3]。

表5 能見(jiàn)度等級(jí)

3.3 激光遠(yuǎn)距離傳輸公式推導(dǎo)

激光器發(fā)射激光遠(yuǎn)距離干擾光電探測(cè)器，圖4為激光遠(yuǎn)距離干擾無(wú)人機(jī)載光電探測(cè)器示意圖，θ為激光器光學(xué)鏡頭的發(fā)散角，L為激光傳輸?shù)侥繕?biāo)探測(cè)器的斜程距離。

圖4 激光遠(yuǎn)距離干擾光電探測(cè)器示意圖

當(dāng)激光在大氣中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，會(huì)因?yàn)榇髿鉅顟B(tài)的影響而造成不同程度的衰減。實(shí)際應(yīng)用中，一般常以下述經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估計(jì)激光在大氣中傳輸?shù)乃p系數(shù)：

(1)

式中:VM為大氣能見(jiàn)度距離值；λ為波長(zhǎng)；q為修正因子，按能見(jiàn)度不同而取不同的值。

當(dāng)VM<6 km能見(jiàn)度時(shí)，q取0.585×VM1/3；對(duì)于中等能見(jiàn)度，q取1.3；當(dāng)能見(jiàn)度特別好(VM>20 km)時(shí)，q取1.6[4-7]。

激光經(jīng)過(guò)大氣衰減后，傳輸L距離后剩余的功率為：

PL=P0e-μL

(2)

式中:P0為激光器的輸出功率；μ為衰減系數(shù)[8-9]。

激光到達(dá)目標(biāo)探測(cè)器時(shí)的功率密度為：

(3)

式中:θ為激光器光學(xué)鏡頭的發(fā)散角；Lθ為目標(biāo)探測(cè)器處光斑直徑的大小。

將Ps與目標(biāo)探測(cè)器的飽和干擾閾值Psth相比較：當(dāng)PsPsth時(shí)，則探測(cè)器被飽和干擾，不能正常工作；當(dāng)Ps=Psth時(shí)，通過(guò)式(3)求得的P0為在此條件下激光器可對(duì)目標(biāo)探測(cè)器實(shí)施飽和干擾的最小輸出功率，也是本次設(shè)計(jì)所要計(jì)算的數(shù)值。

3.4 仿真分析

本文分析輕霾(VM=5 km)、晴朗(VM=13 km)、很晴朗(VM=25 km)、特別晴朗(VM=50 km)4種條件下，飽和干擾時(shí)作用距離與所需激光功率之間的關(guān)系，如圖5～8所示。

圖5 輕霾狀態(tài)仿真結(jié)果

圖6 晴朗狀態(tài)仿真結(jié)果

圖7 很晴朗狀態(tài)仿真結(jié)果

圖8 非常晴朗狀態(tài)仿真結(jié)果

(1) 輕霾條件下的仿真結(jié)果

輕霾，VM=5 km條件下，飽和干擾10 km遠(yuǎn)的光電探測(cè)器需要激光器的功率大概為5 600 W，飽和干擾20 km遠(yuǎn)的光電探測(cè)器需要激光器的功率高達(dá)1.966 3×107W，這里未考慮光學(xué)透鏡的能量損失，否則需要激光器的功率會(huì)更高。因此，此氣象條件下，飽和干擾10 km之內(nèi)的光電探測(cè)器基本可以實(shí)現(xiàn)，但想作用更遠(yuǎn)的距離(20 km以上)，以目前的激光研制水平很難實(shí)現(xiàn)。

(2) 晴朗條件下的仿真結(jié)果

晴朗，VM=13 km條件下，飽和干擾20 km遠(yuǎn)的光電探測(cè)器需要激光器的功率相對(duì)VM=5 km的氣象條件下所需激光器功率有所降低，需要約3 770 W的激光功率。但是從仿真曲線可以看出，20 km之后，隨著距離的增加所需激光功率的變化曲線斜率基本為∞，所以，隨著距離增加，所需激光功率急劇增加。因此，在此氣象條件下，激光器基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)飽和干擾20 km之外的光電探測(cè)器。

(3) 很晴朗條件下的仿真結(jié)果

很晴朗，VM=25 km條件下，仿真曲線的拐點(diǎn)有3個(gè)：第1個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)在20 km前后，可以看出，在20 km之內(nèi)，曲線斜率較小，基本趨近于0。因此，在20 km之內(nèi)，飽和干擾時(shí)所需激光器功率隨距離增加變化不大，在此距離之內(nèi)飽和干擾所需激光功率也較低，飽和干擾20 km處的光電探測(cè)器所需激光功率為310 W。第2個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)在40 km前后，在20 km～40 km之間，曲線斜率有所增加。所以，隨著距離增加，飽和干擾時(shí)所需激光器功率隨距離增加變化明顯，飽和干擾40 km處的光電探測(cè)器所需激光功率增加到14 800 W。第3個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)在60 km前后，在40 km～60 km之間，曲線斜率明顯增大，60 km之后，斜率基本為∞。因此，隨著距離增加，飽和干擾時(shí)所需激光器功率隨距離增加開(kāi)始急劇增加，60 km處所需激光器功率高達(dá)400 kW。由仿真結(jié)果可得，在此氣象條件下，激光器能夠?qū)崿F(xiàn)40 km之內(nèi)的遠(yuǎn)距離飽和干擾；40 km之外，所需激光器功率太高，而且隨著距離進(jìn)一步增加，所需激光器功率也會(huì)急劇增加。

(4) 特別晴朗條件下的仿真結(jié)果

特別晴朗，VM=50 km條件下，仿真曲線的明顯拐點(diǎn)有4個(gè)：第1個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)在40 km前后，可以看出，在40 km之內(nèi)曲線斜率較小，基本趨近于0。因此，在40 km之內(nèi)，飽和干擾時(shí)所需激光器功率隨距離增加變化不大，所需激光功率也較低，飽和干擾40 km遠(yuǎn)的光電探測(cè)器所需激光器功率僅為1 230 W。第2個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)在60 km前后，在40 km～60 km之間，曲線斜率有所增加，所以，隨著距離增加，飽和干擾時(shí)所需激光器功率隨距離增加變化明顯，增加量基本可以接受，60 km處飽和干擾所需激光器功率為9 600 W。第3個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)在 80 km前后，在60 km～80 km之間，曲線斜率明顯增大，隨著距離增加，飽和干擾所需激光器功率急劇增加，80 km處所需激光器功率接近60 kW。第4個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)在100 km前后，100 km之后，變化曲線斜率趨于∞，這時(shí)隨著距離增加，飽和干擾時(shí)所需激光器功率隨距離增加開(kāi)始急劇增加，100 km處所需激光器功率高達(dá)320 kW。由仿真結(jié)果可得，在此氣象條件下，激光器遠(yuǎn)距離飽和干擾60 km之內(nèi)的光電探測(cè)器比較容易實(shí)現(xiàn)，如果干擾80 km遠(yuǎn)的光電探測(cè)器，所需激光器功率達(dá)到60 kW，這對(duì)激光器工藝要求較高(如激光器功率、體積、價(jià)格等等)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合上述仿真結(jié)果可以看出，氣象條件與衰減系數(shù)息息相關(guān)，而飽和干擾所需激光功率與衰減系數(shù)和傳輸距離呈指數(shù)關(guān)系。因此，氣象條件的好壞嚴(yán)重制約著激光飽和干擾的作用距離。在相同激光功率值條件下，想達(dá)到更遠(yuǎn)的飽和干擾距離，就必須降低衰減系數(shù)值，即需要在良好的氣象條件和能見(jiàn)度條件下使用。反之，如果需要在相對(duì)惡劣(衰減系數(shù)較大)的氣象條件下，飽和干擾更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，需要大幅提高激光器的功率值。隨著小型、高效率、大功率激光器的不斷發(fā)展，以及激光大氣傳輸技術(shù)不斷深入研究，未來(lái)中等氣象條件下的遠(yuǎn)距離激光干擾將成為可能。另外，根據(jù)本文分析，制約遠(yuǎn)距離激光干擾使用的最主要因素是大氣對(duì)激光束的衰減，而浩瀚的太空中基本沒(méi)有大氣衰減。根據(jù)大氣傳輸公式，影響激光面功率下降的因素就只有發(fā)散角，按照當(dāng)前工藝，激光發(fā)散角可以做到0.1 mrad，干擾100 km距離目標(biāo)，僅需要639 W的激光功率，干擾500 km遠(yuǎn)的目標(biāo)也只需大約16 000 W的激光功率。因此，研制星載激光干擾設(shè)備用以對(duì)抗星載光電偵察、紅外預(yù)警系統(tǒng)成為可能。

光電探測(cè)器由于受性能指標(biāo)、工作波段(波長(zhǎng))、光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、抗干擾保護(hù)等因素影響，其激光飽和干擾功率密度值應(yīng)有所差異。但本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析為光電有源干擾指明了方向，尤其是在太空大氣衰減影響較小的條件下，利用星載有源干擾對(duì)抗星載光電偵察、紅外預(yù)警等是非常有效的方法。