張 欣 李延勝

(1.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 青島 266041)(2.92727部隊(duì) 長(zhǎng)治 046001)

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新型選通成像激光告警技術(shù)的發(fā)展*

張 欣1李延勝2

(1.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 青島 266041)(2.92727部隊(duì) 長(zhǎng)治 046001)

論文提出了一種基于選通成像技術(shù)的激光告警系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的分辨率。同步選通成像可以抑制背景噪聲,大幅度提高了信噪比。從工程應(yīng)用需求考慮,進(jìn)行了實(shí)用性設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)估算,靈敏度約為μW/cm2水平,并具有mrad量級(jí)的二維空間分辨率。最后,分析了選通成像激光告警技術(shù)的在光電對(duì)抗方面的作戰(zhàn)應(yīng)用前景。

激光告警; 選通成像; 短波紅外

Class Number TN971

1 引言

成像探測(cè)型激光告警是當(dāng)前獲得空間高角度分辨率的主要技術(shù)體制,它采用與激光威脅波長(zhǎng)相匹配的成像探測(cè)器配置成像光學(xué)系統(tǒng)。例如,美國(guó)研制的高精度激光告警接收機(jī)(HALWR),其覆蓋范圍為方位角30°,俯仰角為20°,靈敏度為0.28mW/cm2,而測(cè)量角精度接近1mrad,有效地防范了外來(lái)激光武器襲擾。本文就新型選通成像激光告警技術(shù)及其發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行研究和探討[1]。

2 新型選通成像激光告警系統(tǒng)及性能特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)組成

選通成像激光告警技術(shù)是一種新型成像激光告警技術(shù),確切的說(shuō)是于來(lái)襲時(shí)刻同步曝光的成像探測(cè)技術(shù)。選通成像型激光告警系統(tǒng)通常由接口電路、圖像處理模塊和選通成像探測(cè)器組成[2]。

典型的短波紅外波段光電探測(cè)器材料是InGaAs和MCP(HgCdTe)。這兩種探測(cè)器的曝光時(shí)間最短可達(dá)到數(shù)十納秒,比激光目標(biāo)指示器等激光威脅脈沖寬度大一到兩個(gè)數(shù)量級(jí),適合對(duì)威脅點(diǎn)源目標(biāo)選通成像。從響應(yīng)速度方面考慮,InGaAs材料的探測(cè)器要略快些,且主要適于0.9μm～1.7μm波段探測(cè),MCP材料探測(cè)器對(duì)于1.7μm～2.5μm響應(yīng)更好。如果選用Xenics公司生產(chǎn)的InGaAs材料640×512面陣探測(cè)器,配12.5mm焦長(zhǎng)鏡頭,有效孔徑約為9mm,視場(chǎng)為55.6°×42.5°,其分辨率可達(dá)2.8mrad。

2.2 系統(tǒng)工作過(guò)程

選通成像激光告警系統(tǒng)的工作過(guò)程可以分為三個(gè)階段:

1) 系統(tǒng)初始化完成,選通門關(guān)閉,不進(jìn)行同步選通成像。同時(shí)探測(cè)器面向大致來(lái)襲方向,令激光威脅進(jìn)入視場(chǎng)。

2) 啟動(dòng)選通成像,令威脅激光進(jìn)入相機(jī),選通門超前于威脅脈沖開(kāi)啟,持續(xù)時(shí)間略大于威脅脈沖寬度,使背景輻射等其他的干擾光盡可能少進(jìn)入相機(jī),這樣形成的目標(biāo)圖像主要與選通時(shí)間內(nèi)的威脅激光及光背景噪聲有關(guān)。

3) 最后進(jìn)行SWIR圖像處理,濾除圖像上的噪聲,基于特定的判別算法標(biāo)準(zhǔn),提取威脅點(diǎn)源目標(biāo)。

2.3 同步選通控制技術(shù)

同步選通控制是選通激光成像系統(tǒng)的核心技術(shù),直接關(guān)系到能否得到目標(biāo)的選通圖像。

對(duì)于10ns級(jí)脈沖寬度激光,若不進(jìn)行同步積分,可能導(dǎo)致激光脈沖落入CCD積分時(shí)間區(qū)以外,探測(cè)不到目標(biāo)反射回來(lái)的激光信號(hào)。由于常規(guī)CCD成像的積分時(shí)間為幾十毫秒,即使探測(cè)到激光回波信號(hào)也包含大量背景噪聲,信噪比低下。因此,必須實(shí)現(xiàn)同步的超短積分,即激光威脅信號(hào)到達(dá)時(shí)刻與成像探測(cè)器積分高度同步,在這種工作模式下,積分模式獲得的增益接近跨阻模式。

2.4 性能特點(diǎn)

與傳統(tǒng)成像型激光告警器相比,選通成像系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)包括:低頻的背景噪聲獲得大幅度抑制,大氣閃爍對(duì)探測(cè)概率影響小,無(wú)場(chǎng)曲和畸變,曝光時(shí)間極短可抑制多徑散射等,而且具有接收靈敏度高、信噪比高的性能特點(diǎn)[3]。

1) 接收靈敏度仿真分析

天空背景是最主要的噪聲源,假定光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)譜段為0.9μm～1.2μm,其天空背景輻射量估算為

其中:Ar為接收鏡頭有效面積,取6.36×10-5m2(9mm口徑);θr為單像素分辨率,即單像元對(duì)應(yīng)的方位或俯仰角度范圍,取1.6mrad;T為接收光學(xué)系統(tǒng)的效率,取0.80;Pλ為背景光譜輻射亮度。

該波段范圍的光譜背景輻射亮度較好,利用Modtran軟件計(jì)算,在(白天)23km的能見(jiàn)度,平視條件下,0.9μm～1.2μm波段天空背景噪聲光譜輻射亮度為7.89W/m2sr。

根據(jù)上述公式計(jì)算不同探測(cè)俯仰角度下,系統(tǒng)接收到的總天空背景輻照量,其平視條件下的天空背景輻射最強(qiáng)。

計(jì)算接收到的總天空背景輻照量為9.23×10-10W(探測(cè)器NEP為1.5×10-13W)。若以400ns為積分時(shí)間,以20倍天空背景噪聲確定探測(cè)閾值(即閾噪比為20),則最低可探測(cè)靈敏度相當(dāng)于μW/cm2量級(jí)(假定威脅源脈沖寬度為10ns)。

2) 信噪比分析

選通成像使得光電流積分模式獲得的增益接近跨阻模式,并有效抑制了噪聲,形成高信噪比:

由于威脅信號(hào)脈沖寬度小于探測(cè)器積分時(shí)間,可假定Et與積分時(shí)間無(wú)關(guān);Ee.n取決于諸多工程因素,通常很小。

SNR主要由背景輻射能量決定,因此積分時(shí)間越短,背景輻射能量越低,信噪比越大。

對(duì)于傳統(tǒng)的CCD成像激光告警探測(cè)器而言,若采用雙機(jī)交替積分,其中任意單機(jī)幀頻為100Hz,則積分時(shí)間為10ms;采用同步選通,積分時(shí)間可達(dá)100ns;假定忽略電學(xué)系統(tǒng)和瞬時(shí)光學(xué)噪聲的等效噪聲總和,SNR差異100000倍。

3 發(fā)展與應(yīng)用

3.1 發(fā)展

1) 美國(guó)陸軍開(kāi)發(fā)直升機(jī)激光威脅告警系統(tǒng)。美國(guó)《軍事與航空航天電子學(xué)》2013年8月23日?qǐng)?bào)道:美國(guó)陸軍航空專家需要激光檢測(cè)系統(tǒng)以保護(hù)直升機(jī)免受使用激光測(cè)距儀、激光指示器和激光致盲武器的防空武器的威脅。專家們?cè)诿绹?guó)UTC航空系統(tǒng)公司ISR系統(tǒng)分部找到解決方案。陸軍合同司令部宣布向UTC航空公司授予2.085億美元多年合同,用于開(kāi)發(fā)陸軍/海軍有人駕駛飛機(jī)/可視化和可見(jiàn)光/接收、無(wú)源檢測(cè)(AN/AVR-2B)激光檢測(cè)系統(tǒng)(LDS)[4]。

AN/AVR-2激光檢測(cè)直升機(jī)航電系統(tǒng)是一個(gè)接收、處理和顯示威脅信息的被動(dòng)激光告警系統(tǒng),當(dāng)直升機(jī)被激光照射到時(shí)以提醒機(jī)組人員采取回避行動(dòng)。短程防空導(dǎo)彈和防空火炮通常使用激光制導(dǎo)。激光檢測(cè)系統(tǒng)(LDS)顯示座艙內(nèi)AN/APR-39A(V)1雷達(dá)檢測(cè)裝置指示器的威脅信息。系統(tǒng)有一個(gè)接口單元比較儀和四個(gè)相同的傳感器單元。

能夠裝載AN/AVR-2激光檢測(cè)裝置的直升機(jī)包括美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的AH-1F眼鏡蛇武裝直升機(jī)、陸軍AH-64阿帕奇攻擊型直升機(jī)、陸軍MH-60K和EH-60A黑鷹直升機(jī)、MH-47E重型運(yùn)輸直升機(jī)和OH-58D基奧瓦武裝偵察直升機(jī)。

AN/AVS-2B(V)型激光檢測(cè)系統(tǒng)采用的技術(shù)源于被取消的RAH-66科曼奇項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)技術(shù)。該系統(tǒng)與先前的AN/AVR-2A(V)型相比體積減小40%,重量減輕45%,功耗減少45%。系統(tǒng)提供增強(qiáng)的威脅檢測(cè)和數(shù)據(jù)接口能力,并且驗(yàn)證可靠性增強(qiáng)500%。其模型已在2004年服役。

2) 法國(guó)研發(fā)新一代激光指示吊艙。法國(guó)《宇航防務(wù)》網(wǎng)站2014年1月10日?qǐng)?bào)道:法國(guó)國(guó)防采購(gòu)局(DGA)已授予泰勒斯公司一份合同,開(kāi)發(fā)新一代激光指示吊艙(PDL NG)。最近的里程碑是2013年風(fēng)險(xiǎn)降低階段的后續(xù),系列生產(chǎn)預(yù)計(jì)將于2018年啟動(dòng)[5]。

泰勒斯公司將開(kāi)發(fā)PDL NG,該吊艙將為法國(guó)空軍提供復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下新的晝夜成像和交戰(zhàn)能力,旨在集成到陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)和幻影2000D戰(zhàn)斗機(jī)上。

在風(fēng)險(xiǎn)降低階段,任何方案開(kāi)發(fā)的第一步就是確定系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),其高水平的功能集成、可靠性和發(fā)展計(jì)劃。

此項(xiàng)合同的授予證實(shí)了未來(lái)空戰(zhàn)系統(tǒng)中光電的重要性,認(rèn)證了泰勒斯公司在過(guò)去40年在激光偵察和指示系統(tǒng)方面擁有的技術(shù)和業(yè)務(wù)專業(yè)知識(shí)。

泰勒斯公司負(fù)責(zé)光電業(yè)務(wù)的副總裁吉爾·米謝林表示,國(guó)防采購(gòu)局和法國(guó)空軍選擇我們開(kāi)發(fā)這一新系統(tǒng),我們感動(dòng)非常驕傲。新一代激光指示吊艙是規(guī)范細(xì)則制定者、用戶和泰勒斯公司密切和建設(shè)性合作的結(jié)果,它將為空軍提供一個(gè)有效、有競(jìng)爭(zhēng)力的系統(tǒng)。這項(xiàng)開(kāi)發(fā)合同的授予表明了法國(guó)政府對(duì)機(jī)載光電業(yè)務(wù)和其工程及工業(yè)能力的支持。

3) 美海軍首次部署機(jī)載激光探雷系統(tǒng)。美國(guó)海軍網(wǎng)站2014年8月6日?qǐng)?bào)道:美海軍已在第五艦隊(duì)負(fù)責(zé)區(qū)域首次部署機(jī)載激光探雷系統(tǒng)(ALMDS)。ALMDS是激光傳感器系統(tǒng),可用于探測(cè)、分類并定位漂浮水雷和靠近水面的系留水雷[6]。

8月4日,美海軍第26直升機(jī)海上作戰(zhàn)分隊(duì)第2分遣隊(duì)在第五艦隊(duì)的責(zé)任區(qū)域,開(kāi)始對(duì)首次部署的ALMDS系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)與演示驗(yàn)證。ALMDS部署于MH-60S直升機(jī)上,可對(duì)近海水域、密閉海峽、阻塞點(diǎn)的水雷威脅提供快速的廣域偵察和評(píng)估。美海軍官員米勒中將表示,美海軍第五艦隊(duì)重點(diǎn)在其所轄區(qū)域內(nèi)減輕?；自斐傻耐{,這一行動(dòng)十分必要,ALMDS在該戰(zhàn)區(qū)的部署將提高美海軍的反水雷能力,同時(shí),美海軍部署的ALMDS及其它反水雷系統(tǒng)還將確保海上通道的開(kāi)放。

直升機(jī)激光探雷系統(tǒng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人西奧多少校表示,ALMDS是由激光驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng),其工作原理類似于雷達(dá):系統(tǒng)向水中發(fā)射激光,激光遇到障礙物后發(fā)生反射,系統(tǒng)接收到反射回來(lái)的信息、進(jìn)行暫存,并利用該數(shù)據(jù)信息生成視頻圖像,以便于地面技術(shù)人員對(duì)水中的目標(biāo)物體進(jìn)行判定。

多年以來(lái),美海軍第五艦隊(duì)及其它艦隊(duì)在執(zhí)行機(jī)載探雷任務(wù)時(shí),一直廣泛使用其最大的MH-53E海龍?zhí)栔鄙龣C(jī)。而較小型的MH-60S直升機(jī)一直是執(zhí)行反水面戰(zhàn)、作戰(zhàn)支援、人道主義救災(zāi)、戰(zhàn)斗搜索與營(yíng)救、空中醫(yī)療后送、及特種作戰(zhàn)等任務(wù)的平臺(tái)。ALMDS部署于較小的MH-60S直升機(jī)上,使得美海軍將機(jī)載反水雷技術(shù)部署到更小型的直升機(jī)平臺(tái)上,這些直升機(jī)可在更小型的艦艇上部署飛行,從而確保美海軍將反水雷技術(shù)應(yīng)用到此前無(wú)法靠近的區(qū)域,擴(kuò)展海軍反水雷任務(wù)的執(zhí)行能力。

4) 美國(guó)空軍為不同型號(hào)C-130訂購(gòu)LAIRCM激光導(dǎo)彈對(duì)抗系統(tǒng)。軍事宇航網(wǎng)站2014年9月26日?qǐng)?bào)道:根據(jù)本月宣布的一項(xiàng)價(jià)值2800萬(wàn)美元修正合同,諾斯羅普·格魯門公司導(dǎo)彈防御專家將為28架美國(guó)空軍C-130四發(fā)渦輪螺旋槳飛機(jī)安裝基于激光的導(dǎo)彈對(duì)抗系統(tǒng)[7]。

美國(guó)空軍全壽命管理中心官員正要求諾斯羅普·格魯門公司電子系統(tǒng)工程師將光學(xué)大型飛機(jī)紅外對(duì)抗系統(tǒng)(LAIRCM)安裝到飛機(jī)上。根據(jù)修訂合同,諾斯羅普·格魯門公司將為一個(gè)C-130空軍大隊(duì)裝備LAIRCM成套設(shè)備,其中11套配備給AC-130H,12套配備給MC-130U,另外5套配備給EC-130J心理戰(zhàn)飛機(jī)。

5) 諾·格公司將為美國(guó)海軍研制機(jī)載激光水雷探測(cè)系統(tǒng)。軍事航空航天電子學(xué)網(wǎng)站2014年12月30日?qǐng)?bào)道:諾斯羅普·格魯曼公司稱,根據(jù)一份總價(jià)值1.636億美元的合同,該公司將為美國(guó)海軍提供一種直升機(jī)機(jī)載的激光水雷探測(cè)系統(tǒng),用于探測(cè)海洋中水面和水下的水雷[8]。

該系統(tǒng)名為AN/AES-1機(jī)載激光水雷探測(cè)系統(tǒng)(ALMDS),是為美國(guó)海軍近海戰(zhàn)斗艦搭載的MH-60S直升機(jī)研制的機(jī)載光電系統(tǒng),使用條紋管成像光探測(cè)和測(cè)距(LIDAR)傳感器來(lái)探測(cè)、分類和定位水面和靠近水面的水雷。

美國(guó)海軍官員稱,該系統(tǒng)提供了一種革命性的、高區(qū)域覆蓋率的能力,將成為遠(yuǎn)征艦隊(duì)和航母打擊群的有機(jī)組成部分。該系統(tǒng)將作為美國(guó)新型近海戰(zhàn)斗艦水雷反制措施(MCM)任務(wù)包的一部分,旨在對(duì)沿海水域、海港、狹窄的海峽、瓶頸地區(qū)、可能發(fā)生兩棲突擊的地區(qū)等航母與遠(yuǎn)征打擊群的必經(jīng)之地的反艦水雷進(jìn)行快速的大面?zhèn)刹炫c評(píng)估。

該系統(tǒng)的脈沖激光器和條紋管接收器安裝在MH-60直升機(jī)的外置吊艙當(dāng)中,對(duì)從水面到水下約12m的位置進(jìn)行掃描,該區(qū)域的水雷最具威脅性且為反水雷的聲吶系統(tǒng)探測(cè)效果最為薄弱之處。該系統(tǒng)會(huì)對(duì)可能藏有水雷的整片水層進(jìn)行成像,向水中發(fā)射538nm寬的藍(lán)綠色激光束,并以每秒大于100次的頻率采樣。該系統(tǒng)可以在不依賴拖曳設(shè)備的情況下全天時(shí)工作,并能夠通過(guò)飛機(jī)向前移動(dòng)來(lái)獲得圖像數(shù)據(jù),而無(wú)需復(fù)雜的掃描機(jī)制。

該系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“炸彈架單元-14”底座與MH-60直升機(jī)相連,并通過(guò)一根主電纜和一根副電纜與操作員控制臺(tái)相連。該系統(tǒng)與所有的MH-60直升機(jī)機(jī)載反水雷系統(tǒng)共用同一個(gè)操作員控制臺(tái),獲得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)大容量存儲(chǔ)器之中。

該系統(tǒng)使用了VMETRO公司的中央電子底盤,該底盤是結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和威力芯片處理器的液體冷卻空氣運(yùn)輸架系統(tǒng),擁有CSW1 6U VXS型交換卡和VPF1型四核處理器載荷卡。包含了這兩種組件的主板可對(duì)高速串行通信的圖像傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)的處理。

3.2 應(yīng)用

激光告警技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)激光威脅源的精確定向,以便在一些系統(tǒng)中引導(dǎo)有源干擾或火力反擊[9]。

1) 研發(fā)全向凝視型激光告警系統(tǒng)。常規(guī)的激光威脅主要是波長(zhǎng)為1.06μm、1.54μm和1.57μm的激光測(cè)距機(jī)和激光目標(biāo)指示器,因此,發(fā)展全向凝視型激光告警系統(tǒng)是必然趨勢(shì)。

2) 反輻射引導(dǎo)。激光反輻射是一種專門摧毀敵軍激光目標(biāo)指示器的末端防御武器。選通成像激光告警系統(tǒng)可跟蹤、鎖定目標(biāo),并可共享精確目標(biāo)圖像至導(dǎo)彈作為尋的藍(lán)本,實(shí)現(xiàn)對(duì)激光反輻射導(dǎo)彈引導(dǎo),快速摧毀激光威脅源。

3) 干擾或致盲引導(dǎo)。激光眩目、干擾或致盲探測(cè)器已經(jīng)成為一種實(shí)用有效的武器,采用選通成像激光告警系統(tǒng)精確引導(dǎo)激光裝備干擾或摧毀敵激光目標(biāo)指示器。

4) “貓眼”功能?！柏堁邸蹦繕?biāo)的激光主動(dòng)探測(cè),激光光點(diǎn)追蹤。例如,選通成像工作模式利于在“貓眼”探測(cè)應(yīng)用中抑制后向散射;而SWIR波段有多種波長(zhǎng)供可用于編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)時(shí)目標(biāo)指示。

5) 短波紅外夜視。短波紅外激光成像探測(cè)器分辨率高,穩(wěn)定性好。

4 結(jié)語(yǔ)

選通成像型激光告警技術(shù)是具有mrad量級(jí)的空間分辨率,靈敏度高且反應(yīng)快速,可使激光告警直接引導(dǎo)火控、激光干擾、激光武器甚至激光反輻射武器成為可能;可以說(shuō),選通成像激光告警是一種頗具發(fā)展前景的激光告警技術(shù),具有快速、精確的轉(zhuǎn)守為攻的戰(zhàn)術(shù)潛力[10]。

[1] 任國(guó)光,黃裕年.戰(zhàn)術(shù)高能激光武器的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)[J].激光與紅外,2002,32(4):211-217.

[2] 竹孝鵬,劉繼橋,賀巖,等.532nm激光距離選通成像系統(tǒng)[J].紅外與激光工程,2012,41(2):358-362.

[3] 王建軍,張沛露,李巖,等.激光告警內(nèi)場(chǎng)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程,2010,18(9):1936-1942.

[4] 美國(guó)陸軍開(kāi)發(fā)直升機(jī)激光威脅告警系統(tǒng)[N].每日防務(wù)快訊,2013-09-02.

[5] 法國(guó)研發(fā)新一代激光指示吊艙[N].每日防務(wù)快訊,2014-01-20.

[6] 美海軍首次部署機(jī)載激光探雷系統(tǒng)[N].每日防務(wù)快訊,2014-08-19.

[7] 美國(guó)空軍為不同型號(hào)C-130訂購(gòu)LAIRCM激光導(dǎo)彈對(duì)抗系統(tǒng)[N].每日防務(wù)快訊,2014-10-17.

[8] 諾格公司將為美國(guó)海軍研制機(jī)載激光水雷探測(cè)系統(tǒng)[N].每日防務(wù)快訊,2015-01-08.

[9] 李達(dá),李云霞,蒙文,等.低慢小目標(biāo)面陣推進(jìn)式激光成像探測(cè)方法研究[J].激光技術(shù),2014,38(1):44-48.

[10] 李達(dá),李云霞,蒙文,等.激光主動(dòng)成像技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展[J].電光與控制,2013,20(9):59-63

Development of New Type of Gated Imaging Laser Warning Technology

ZHANG Xin1LI Yansheng2

(1. Naval Aeronautical Engineering Institute Qingdao Branch, Qingdao 266041) (2. No. 92727 Troops of PLA, Changzhi 046001)

A gated imaging laser warning system, which can improve the high resolution is put forward in this paper. Synchronous gated imaging can restrain background noise, significantly improves the signal-to-noise ratio. Considering engineering requirements and application, the practical design is done. According to the estimation of design parameters, the scale of mrad two-dimensional spatial resolution is gotten. Finally, the gated imaging laser warning technology in the aspects of combat application prospect is analyzed.

laser warning, gated image, SWIR

2014年12月7日,

2015年1月24日

張欣,女,碩士,副教授,研究方向:雷達(dá)及信號(hào)處理。

TN971

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.004