激光對CCD導(dǎo)引頭的干擾仿真實驗*

王 領(lǐng)，張 斌，雷 威

（1空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，西安 710038；2 95321部隊，武漢 430200）

0 引言

激光干擾是對抗光電制導(dǎo)武器的有效手段，激光對導(dǎo)引頭的軟殺傷就是運(yùn)用激光照射導(dǎo)引頭中的光電器件，使之暫時致盲或失效，從而導(dǎo)致導(dǎo)引頭無法得到或無法完全得到目標(biāo)的位置信息，從而失去對目標(biāo)的跟蹤導(dǎo)致脫靶。相對于硬殺傷的高能激光武器，運(yùn)用低能激光實施軟殺傷很有使用價值。在實際應(yīng)用中，不同的照射方式和照射條件會對干擾效果產(chǎn)生不同的效果；視場外照射能否對CCD形成干擾，以及如何有效對CCD導(dǎo)引頭進(jìn)行干擾，是非常值得研究的問題。文中利用Simulink視頻和圖像模塊，建立了CCD目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的仿真模型，并利用不同參數(shù)激光對其干擾，以此得到激光對CCD成像導(dǎo)引頭的干擾效果。

1 視場內(nèi)激光垂直入射干擾CCD探測系統(tǒng)實驗

激光器采用1064nm波長半導(dǎo)體泵浦固體激光器 （DPSS），光束發(fā)散角1.4mrad，光束直徑0.7mm。記錄照射激光功率的裝置為激光功率計，功率計用來監(jiān)測激光輸出的功率，為保證實驗精確性分別采用兩種不同功率計測量。實驗光路中放置了分光鏡、衰減片組以減弱直射CCD光敏面上的激光能量，避免CCD產(chǎn)生硬損傷，分光鏡的透反比為1.89∶1。實驗前，需調(diào)整光學(xué)元件，以使光束穿過其幾何中心。實驗過程中對CCD探測器成功干擾的判斷依據(jù)是：照射前CCD探測器正常捕捉到模擬輻射光源，使用連續(xù)激光照射CCD探測器，在照射過程中探測器丟失目標(biāo)，不能正常截獲。為模擬導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)的過程，實驗中使用了視頻采集卡和Matlab中的Simulink進(jìn)行仿真。框圖組成如圖1所示。

圖1 視頻目標(biāo)跟蹤仿真系統(tǒng)示意圖

視頻數(shù)據(jù)通過From Multimedia File模塊載入，目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)通過Image From File模塊導(dǎo)入，經(jīng)過圖像計算和處理完成目標(biāo)的匹配和跟蹤。Draw Shapes模塊在輸出圖像上繪制波門標(biāo)記。為便于觀察CCD的像元飽和情況，輸出圖像根據(jù)灰度值采用偽彩色表示，白色表示灰度值大于240，紫色表示灰度值在16以下。

具體實驗步驟如下：

①開啟CCD面陣探測器；②打開光源；③通過視頻采集卡，將CCD中的圖像傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，再利用計算機(jī)Simulink中搭建的圖像處理程序，仿真導(dǎo)彈跟蹤目標(biāo)的截獲過程，使CCD捕獲光源目標(biāo)；④激光開始照射探測器，觀察能否正常跟蹤。

1.1 視場內(nèi)連續(xù)激光垂直入射干擾CCD探測系統(tǒng)

成像導(dǎo)彈利用CCD探測器發(fā)現(xiàn)并捕獲目標(biāo)，將其方位與導(dǎo)彈光軸進(jìn)行比較，計算出偏差，送到伺服機(jī)構(gòu)使舵機(jī)產(chǎn)生修正偏轉(zhuǎn)，引導(dǎo)導(dǎo)彈不斷飛向目標(biāo)。對CCD的干擾主要是在其視場內(nèi)造成局部干擾甚至飽和，使其無法穩(wěn)定截獲，從而丟失目標(biāo)，造成導(dǎo)彈脫靶。連續(xù)激光照射CCD干擾實驗裝置原理如圖2所示。

在本實驗條件下，連續(xù)激光照射下的CCD很容易進(jìn)入局部飽和狀態(tài)，一旦出現(xiàn)飽和，CCD就會丟失截獲的目標(biāo)，喪失繼續(xù)跟蹤的能力。實驗效果見圖3～圖4。

圖2 1064nm連續(xù)激光對CCD的照射干擾實驗裝置示意圖

圖3 干擾前正常截獲目標(biāo)

圖4 受到干擾后丟失目標(biāo)

上述實驗研究說明，CCD在該實驗條件下，即視場內(nèi)進(jìn)行干擾時極易達(dá)到局部飽和。

1.2 視場內(nèi)脈沖激光垂直入射干擾CCD探測系統(tǒng)

與連續(xù)激光相比，脈沖激光作用時間短?？梢栽O(shè)想，在實際應(yīng)用中，由于大氣折射率的無規(guī)則變化、湍流對光束波面的破壞、大氣散射與吸收等以及跟蹤裝置的震動和誤差導(dǎo)致的改變，照射在導(dǎo)引頭上的激光都會呈現(xiàn)出脈沖激光照射的特點(diǎn)，因此脈沖激光照射導(dǎo)引頭所產(chǎn)生的干擾效果更加貼近實際情況。

另外，當(dāng)激光干擾裝置在包含導(dǎo)彈可能的來襲方向的一定空域內(nèi)用激光束進(jìn)行掃描，每個掃描周期內(nèi)激光束都會照中導(dǎo)引頭，這時就近似于脈沖激光的干擾效果。為了了解脈沖激光干擾面陣CCD探測器的實際干擾過程，驗證脈沖激光對面陣CCD探測器的干擾效果，采用波長1064nm，脈寬10ns的脈沖激光，開展了脈沖激光干擾面陣CCD探測器實驗。實驗裝置如圖5。

圖5 脈沖激光對CCD照射干擾實驗示意圖

為模擬導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)的過程，實驗中使用了視頻采集卡和Simulink進(jìn)行半實物仿真。

在本實驗條件下，脈沖激光照射下的CCD在正常捕捉到目標(biāo)后，部分像元飽和，此時計算機(jī)就會捕捉到錯誤的目標(biāo)，喪失繼續(xù)跟蹤的能力。實驗效果見圖6。

圖6 視場內(nèi)脈沖激光干擾效果

2 視場外激光入射干擾CCD探測系統(tǒng)實驗

導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭要具有極靈敏的信號探測能力，因此在整個系統(tǒng)中也最易受到干擾，成為激光武器首要干擾的目標(biāo)。但是探測器距離觀測目標(biāo)很遠(yuǎn)，具有較小的視場角，激光對探測器的作用，往往只照射探測器光學(xué)窗口的表面，并不能完全進(jìn)入探測器的視場。激光直接進(jìn)入導(dǎo)彈紅外導(dǎo)引頭視場的概率較小，因此研究視場外激光照射探測器的干擾效果更具有實踐意義。

實驗中激光輸出功率不變，改變激光入射探測器的角度，通過計算機(jī)采集干擾圖像，并統(tǒng)計了CCD探測器靶面受干擾飽和面積與入射角度的關(guān)系。

2.1 視場外1064nm波長DPSS連續(xù)激光入射

采用輸出波長1064nm，輸出功率為200mW的DPSS激光作為干擾源，開展視場外連續(xù)激光入射干擾CCD探測器實驗。實驗裝置同圖2。入射的激光平均功率為94.2mW，將CCD探測器在5°～8°之間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，調(diào)整CCD探測器的位置，使激光束始終照射在探測器的鏡頭中心處（見圖7，圖8），在不同入射偏角下探測器受干擾程度如圖9所示。

圖7 激光實施干擾前

圖8 CCD受到干擾后

明顯看出：當(dāng)入射激光功率一定時，隨著入射角度的增大，對探測器的干擾能力會顯著降低。

圖9 CCD飽和區(qū)域比例與1064nm激光入射角度關(guān)系曲線

2.2 視場外1064nm波長DPSS脈沖激光入射

在確定CCD探測器的情況下，研究采用相同的峰值功率和不同的脈沖激光干擾頻率分別對CCD進(jìn)行干擾，分析CCD探測器的不同干擾效果。采用圖10所示的實驗裝置，取入射角15°，激光干擾頻率分別為1Hz、50Hz、100Hz。

圖10 脈沖激光視場外干擾CCD實驗裝置圖

圖11～圖14為CCD沒有受到干擾和受到三種不同頻率脈沖激光干擾后的成像效果圖。

圖11～圖14的實驗現(xiàn)象表明，對于場頻固定的面陣CCD探測器，在單脈沖能量相差不大的情況下，提高脈沖激光的重復(fù)頻率可提高對探測器的干擾效果。激光對CCD光電探測系統(tǒng)的視場外干擾原理比較復(fù)雜，其主要原因是激光散斑干涉效應(yīng) （激光自散射體的表面漫反射或通過一個透明散射體時，在散射表面或附近的光場中可以觀察到一種無規(guī)則分布的亮暗斑點(diǎn)的現(xiàn)象）等。激光照射到探測器鏡頭和內(nèi)壁，由于具有很好的單色性和方向性，將在探測器內(nèi)發(fā)生散射和衍射，結(jié)果在光敏面上形成較強(qiáng)的散斑干涉圖案，當(dāng)光強(qiáng)超過飽和閾值時，使CCD處于飽和狀態(tài)，圖像處理方法亦不能恢復(fù)處于全面飽和狀態(tài)的圖案。

圖11 未加激光干擾時成像效果

圖12 干擾頻率為1Hz的成像效果

圖13 干擾頻率為50Hz的成像效果

圖14 干擾頻率為100Hz的成像效果

該實驗現(xiàn)象說明脈沖激光視場外照射CCD探測系統(tǒng)時，亦能對面陣CCD探測器系統(tǒng)實現(xiàn)干擾，但是效果較視場內(nèi)干擾差。

3 激光干擾效果評估

根據(jù)制導(dǎo)原理，模擬仿真建立干擾前后的彈道方程，包括正常彈道的計算即未受干擾時按導(dǎo)引規(guī)律正常尋的飛行軌跡和干擾后的彈道計算，二者之差為偏航量，記為：

其中：UP（t）為干擾前的標(biāo)準(zhǔn)彈道方程；Ua（t）為干擾后的實際彈道方程。導(dǎo)引頭激光功率可由式（2）估算：

式中：λ為激光波長；β為光束質(zhì)量RI為激光器到導(dǎo)引頭的距離（km）；D 為激光有效發(fā)射口徑（m）；τ為大氣透過率，P0為激光輸出功率（W），其中τ可由式（3）計算求得：

式中：y為導(dǎo)引頭所處高度（km）；Rv為大氣能見度（km）。根據(jù)照射到導(dǎo)引頭上的激光功率和CCD飽和閾值關(guān)系，結(jié)合前面介紹的干擾機(jī)理，可以判斷激光是否是導(dǎo)引頭失效。

在進(jìn)行實驗時，用激光干擾導(dǎo)引頭跟蹤系統(tǒng)，記錄偏航量，若偏航量大于殺傷半徑R時，認(rèn)為干擾成功。改變激光波長、功率、工作方式、重復(fù)頻率、脈沖寬度等，以驗證不同情況下干擾效果。

以一種導(dǎo)彈為例，建立彈道模型進(jìn)行干擾仿真。圖15分別是導(dǎo)彈干擾前后的彈道軌跡和彈著點(diǎn)仿真結(jié)果。

圖15 導(dǎo)彈干擾前后的彈道軌跡和彈著點(diǎn)仿真

干擾前CEP＝6.0705m，干擾后CEP＝41.1966 m，由仿真圖與計算出的命中概率可知，干擾后的圓概率誤差大大增加，在單位面積上彈著點(diǎn)減少，說明干擾有效。

4 結(jié)束語

文中進(jìn)行了連續(xù)激光照射面陣CCD探測器實驗和不同頻率的脈沖激光照射面陣CCD探測器實驗，激光在一定角度下對CCD探測器實施視場外干擾是完全可行的，當(dāng)入射激光功率一定時，隨著入射角度的增大，對探測器的干擾能力會顯著降低。干擾成功與否主要取決于激光對探測器是否造成了飽和以及激光是否成像在波門附近。事實上，這個分析實驗方法同樣適用于電視制導(dǎo)炸彈，甚至也適用于紅外焦平面陣列的空空導(dǎo)彈、非成像點(diǎn)源紅外導(dǎo)彈的干擾分析。

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