激光紅外主被動(dòng)復(fù)合導(dǎo)引系統(tǒng)

王 銳

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033)

1 引言

導(dǎo)引頭是精確制導(dǎo)武器的核心部件。它的主要作用是利用接收到的目標(biāo)輻射或反射的某種特征能量探測(cè)目標(biāo)，測(cè)量目標(biāo)與彈體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，確定目標(biāo)和導(dǎo)彈的相對(duì)位置，最終形成指令控制導(dǎo)彈飛向目標(biāo)。由于制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、命中概率高，尋的式制導(dǎo)技術(shù)已成為導(dǎo)彈制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。目前，尋的式導(dǎo)引頭的種類有很多，例如，電視成像制導(dǎo)、紅外點(diǎn)源制導(dǎo)、紅外成像制導(dǎo)、激光雷達(dá)制導(dǎo)、微波雷達(dá)制導(dǎo)、毫米波雷達(dá)制導(dǎo)等。制導(dǎo)方式不同，其各自具有的優(yōu)缺點(diǎn)不同。從制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展方向看，成像制導(dǎo)由于可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像和識(shí)別，具有抗誘餌欺騙能力，因此，逐漸成為尋的式制導(dǎo)技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

目前，長(zhǎng)波紅外成像制導(dǎo)廣泛應(yīng)用于地對(duì)地導(dǎo)彈的導(dǎo)引系統(tǒng)中，并在實(shí)戰(zhàn)中體現(xiàn)了較好的作戰(zhàn)效能。但隨著戰(zhàn)場(chǎng)情況的復(fù)雜化及紅外隱身技術(shù)的發(fā)展，單一的長(zhǎng)波紅外導(dǎo)引體制在瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)條件下越來(lái)越顯得力不從心。由于其探測(cè)體制是依據(jù)目標(biāo)與背景的溫度差異進(jìn)行成像的，在周圍環(huán)境溫度變化或目標(biāo)采用紅外隱身措施時(shí)，圖像對(duì)比度會(huì)嚴(yán)重下降，直接影響到后期對(duì)于目標(biāo)的有效識(shí)別及準(zhǔn)確打擊。為了解決這一問(wèn)題，本文提出了一種激光三維成像導(dǎo)引復(fù)合被動(dòng)紅外成像導(dǎo)引的導(dǎo)引體制，該體制充分發(fā)揮了被動(dòng)紅外成像導(dǎo)引作用距離遠(yuǎn)、搜索范圍大的優(yōu)勢(shì)，以及激光三維成像導(dǎo)引環(huán)境適應(yīng)性好，對(duì)紅外隱身目標(biāo)能夠進(jìn)行高對(duì)比度探測(cè)的特點(diǎn)［1］，可大幅提升現(xiàn)有地對(duì)地導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

復(fù)合導(dǎo)引技術(shù)作為提升導(dǎo)彈識(shí)別鎖定目標(biāo)能力的有效手段，一直以來(lái)受到各國(guó)研究人員的關(guān)注，其中雙模復(fù)合導(dǎo)引體制的研究始于20世紀(jì)70年代。早期的雙模導(dǎo)引頭以紅外/紫外復(fù)合導(dǎo)引為主，美國(guó)的“尾刺”防空導(dǎo)彈、前蘇聯(lián)的SA-13等都采用這種復(fù)合導(dǎo)引技術(shù)。近年來(lái)，隨著光學(xué)導(dǎo)引技術(shù)的不斷發(fā)展，導(dǎo)引體制的不斷創(chuàng)新，復(fù)合導(dǎo)引技術(shù)的組合方式也開始多元化。例如，德國(guó)的Diehl BGT Defense(Diehl BGT防御中心)提出了紅外/激光雷達(dá)高精度導(dǎo)引技術(shù)［2-3］，并成功應(yīng)用于防空及反導(dǎo)攔截領(lǐng)域，真正實(shí)現(xiàn)了自主式導(dǎo)引，并大幅提升了自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別能力［2-3］。其導(dǎo)引流程如下:被動(dòng)紅外導(dǎo)引系統(tǒng)在大視場(chǎng)范圍內(nèi)對(duì)各疑似目標(biāo)進(jìn)行初步判別，并將判別結(jié)果提交給激光雷達(dá)，激光雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)各疑似目標(biāo)的位置信息，發(fā)射高功率激光束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)照明，并對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行圖像采集，所采用的探測(cè)器為陣列形式的微光探測(cè)器，可在極短的積分時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)三維信息的有效獲取。激光器集成在導(dǎo)彈的其他位置，并通過(guò)光纖連接發(fā)射系統(tǒng)，使得整套導(dǎo)引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊。

在激光三維成像方面，美國(guó)也取得了較大的進(jìn)展。早在2004年，美國(guó)空軍就成功研制出了像元數(shù)達(dá)到32×32的GaInAs APD陣列探測(cè)器，響應(yīng)波段為1.5 μm，結(jié)構(gòu)及測(cè)距精度優(yōu)于15 cm。圖1給出了該探測(cè)器的成像效果［4］。

圖1 美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室成像系統(tǒng)探測(cè)器Fig.1 Imaging system detector of the US Air Force Laboratory

2008年，波音公司的光譜實(shí)驗(yàn)室利用32×32的Geiger探測(cè)器陣列研制了一套激光三維成像系統(tǒng)［5］，激光器波段為 1.06 μm，單脈沖能量為3 μJ，脈沖寬度為1.5 ns。圖2給出了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及成像效果。

圖2 光譜實(shí)驗(yàn)室激光三維成像系統(tǒng)及成像結(jié)果Fig.2 Laser 3D imaging system and imaging results of the spectral laboratory

目前，國(guó)內(nèi)在復(fù)合導(dǎo)引及激光三維成像方面還處于理論研究階段，并未出現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的原理樣機(jī)，工程應(yīng)用道路漫長(zhǎng)。

3 系統(tǒng)組成、原理及功能

3.1 總體設(shè)計(jì)指標(biāo)

為了滿足彈載環(huán)境下的使用要求，整套導(dǎo)引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念建立在體積小、重量輕、功耗低的基礎(chǔ)上。具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 復(fù)合導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Design index of compound guided system

為了滿足空地導(dǎo)彈對(duì)復(fù)雜地物背景下目標(biāo)的搜索和識(shí)別的需求，系統(tǒng)采用長(zhǎng)波紅外導(dǎo)引體制，視場(chǎng)角為3°，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后交接到激光三維小視場(chǎng)導(dǎo)引，視場(chǎng)角為0.3°。為了保證視場(chǎng)切換精度，系統(tǒng)采用主被動(dòng)共口徑接收的結(jié)構(gòu)形式。因此，光學(xué)系統(tǒng)中需要加入分色鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波段的獨(dú)立接收。該分色鏡的近紅外反射率為92%，長(zhǎng)波紅外透過(guò)率為92%，滿足使用要求。

3.2 系統(tǒng)組成

整套導(dǎo)引系統(tǒng)由探測(cè)系統(tǒng)，信息處理系統(tǒng)、穩(wěn)定及跟蹤系統(tǒng)組成。外形結(jié)構(gòu)如圖3所示，相對(duì)于其他復(fù)合導(dǎo)引系統(tǒng)，該系統(tǒng)在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)布局方面均考慮到了實(shí)際工程化應(yīng)用情況，結(jié)構(gòu)布局符合空地導(dǎo)彈使用要求。探測(cè)系統(tǒng)包括被動(dòng)紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)及激光三維成像導(dǎo)引系統(tǒng)，用于對(duì)作戰(zhàn)目標(biāo)進(jìn)行圖像采集。信息處理系統(tǒng)利用所獲得的圖像信息對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效識(shí)別，確定打擊位置。穩(wěn)定及跟蹤系統(tǒng)用來(lái)保證在彈載擾動(dòng)環(huán)境下能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行穩(wěn)定成像及精確跟蹤。

圖3 復(fù)合導(dǎo)引系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of compound guided system

3.3 工作原理

整套導(dǎo)引系統(tǒng)如圖4所示，采用被動(dòng)紅外接收與主動(dòng)激光測(cè)距接收共口徑，激光發(fā)射與接收共軸的緊湊型設(shè)計(jì)方案。一方面，最大限度地節(jié)省了所占空間。另一方面，消除了由于發(fā)射與接收不同軸所產(chǎn)生的瞄準(zhǔn)角度誤差［6］。激光器位于導(dǎo)引室后端，采用光纖導(dǎo)入的方式，在次鏡后端連接擴(kuò)束發(fā)射系統(tǒng)，發(fā)射系統(tǒng)筒長(zhǎng)為80 mm。接收系統(tǒng)采用反射式結(jié)構(gòu)，利用分色鏡實(shí)現(xiàn)了激光與紅外探測(cè)系統(tǒng)的共口徑接收，接收系統(tǒng)筒長(zhǎng)為165 mm。加上探測(cè)器及數(shù)據(jù)通訊接口長(zhǎng)度，整套導(dǎo)引系統(tǒng)總長(zhǎng)為340 mm，直徑為104 mm。而空地導(dǎo)彈彈徑在300 mm左右，完全滿足使用要求。同時(shí)由于采用Geiger模式探測(cè)器陣列，可使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，體積更小。采用探測(cè)器陣列組件，系統(tǒng)中可移動(dòng)部件大量減?。?］，整體系統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)更少，成像穩(wěn)定性更高。

圖4 激光紅外主被動(dòng)復(fù)合導(dǎo)引系統(tǒng)組成Fig.4 Compound guided system with active laser and passive IR

整套導(dǎo)引系統(tǒng)的導(dǎo)引流程如下:空地導(dǎo)彈根據(jù)發(fā)射前裝訂的飛行路線飛向目標(biāo)區(qū)域，在距離目標(biāo)20 km處，長(zhǎng)波紅外導(dǎo)引系統(tǒng)開始工作，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行大視場(chǎng)搜索，根據(jù)目標(biāo)的輻射特性，確定各疑似目標(biāo)位置。當(dāng)距離達(dá)到4 km時(shí)，激光三維成像導(dǎo)引系統(tǒng)開始工作，根據(jù)被動(dòng)紅外導(dǎo)引系統(tǒng)所提供的各疑似目標(biāo)位置信息對(duì)其進(jìn)行小視場(chǎng)成像，通過(guò)三維重構(gòu)獲得目標(biāo)的三維圖像信息［8］。在此基礎(chǔ)上，信息處理系統(tǒng)采用相應(yīng)的識(shí)別算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，并綜合被動(dòng)紅外導(dǎo)引系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果，給出最終對(duì)于目標(biāo)的判別結(jié)果。由于采用復(fù)合導(dǎo)引體制，綜合利用了主被動(dòng)成像識(shí)別結(jié)果，目標(biāo)圖像信息量豐富，可保證較高的識(shí)別概率。

4 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1 被動(dòng)紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)

紅外成像系統(tǒng)的作用距離是衡量系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)之一。它與大氣環(huán)境、目標(biāo)輻射強(qiáng)度、光學(xué)系統(tǒng)傳輸特性、探測(cè)器性能等多個(gè)因素有關(guān)。

為了滿足總體指標(biāo)中提出的紅外導(dǎo)引作用距離20 km，需要根據(jù)其它相關(guān)參數(shù)，推導(dǎo)出紅外成像系統(tǒng)作用距離公式，并以此來(lái)確定光學(xué)系統(tǒng)及探測(cè)器的具體指標(biāo)。本文綜合考慮多方面影響因素，推導(dǎo)出了紅外成像作用距離公式:

式中:R為探測(cè)距離，單位m2;β為信號(hào)提取參數(shù);St為目標(biāo)輻射面積，單位cm2;Lt為目標(biāo)輻射亮度，單位W/(cm2·sr);Nt為目標(biāo)在焦平面上所占像元數(shù);Lbg為背景輻射亮度，單位W/(cm2·sr);S0為光學(xué)系統(tǒng)入瞳面積，單位m2;τ為大氣透過(guò)率;η為光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率;Sd為探測(cè)器單個(gè)像元面積，單位m2;tint為探測(cè)器積分時(shí)間，單位s;D*為探測(cè)器比探測(cè)率，單位cm·Hz1/2/W;SNR為信噪比。

根據(jù)以上方程，最終被動(dòng)紅外導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 被動(dòng)紅外導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of passive IR guided system

所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 被動(dòng)紅外導(dǎo)引系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Optical structure of passive IR guided system

圖6 被動(dòng)紅外光學(xué)系統(tǒng)各溫度條件下MTF曲線Fig.6 IR optical system MTF curves at different temperatures

系統(tǒng)采用了6片紅外透鏡，透鏡材料選擇折射率較高的 Ge。整套光學(xué)系統(tǒng)工作長(zhǎng)度為165 mm。主鏡后側(cè)加入分束片，以實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的共口徑接收。

系統(tǒng)分別在0，0.5及0.7視場(chǎng)下進(jìn)行了分析，并在20～40℃條件下進(jìn)行了無(wú)熱化優(yōu)化設(shè)計(jì)。各溫度環(huán)境下系統(tǒng)的MTF曲線如圖6所示，系統(tǒng)在20 lp/mm處的平均MTF均在0.4以上，成像質(zhì)量滿足要求。

系統(tǒng)點(diǎn)列圖如圖7所示，80%能量集中在直徑為60 μm圓內(nèi)，所占像元數(shù)為3×3滿足使用要求。

圖7 被動(dòng)紅外光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.7 Spot diagram of passive IR system

4.2 激光三維成像導(dǎo)引系統(tǒng)

同樣，為了實(shí)現(xiàn)激光主動(dòng)導(dǎo)引作用距離4 km，也要推導(dǎo)出激光雷達(dá)作用距離方程，進(jìn)而確定相關(guān)參數(shù)，所得到了激光雷達(dá)作用距離方程如下:

式中:Ps為激光發(fā)射功率，ηt為發(fā)射系統(tǒng)效率，Gt為發(fā)射系統(tǒng)增益，β為目標(biāo)散射截面，R1為發(fā)射系統(tǒng)到目標(biāo)的距離，R2為目標(biāo)到接收系統(tǒng)的距離，TA1為發(fā)射系統(tǒng)到目標(biāo)的大氣透過(guò)率，TA2為目標(biāo)到接收系統(tǒng)的大氣透過(guò)率，D為接收系統(tǒng)口徑，ηr為接收系統(tǒng)效率。

根據(jù)以上方程，激光三維成像系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 激光三維成像導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Design parameters of active laser imaging guided system

4.2.1 接收系統(tǒng)

所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，主鏡后側(cè)的分束片將1 064 nm光向上反射，經(jīng)過(guò)折轉(zhuǎn)鏡及三片式成像系統(tǒng)，最終在Geiger陣列探測(cè)器上成像。

圖8 激光三維成像導(dǎo)引接收系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Optical structure of active laser imaging guided system

系統(tǒng)分別在0°、0.3°視場(chǎng)下進(jìn)行了分析，系統(tǒng)的MTF如圖9所示，系統(tǒng)在20 lp/mm處的平均MTF均在0.4以上，成像質(zhì)量滿足要求。

系統(tǒng)點(diǎn)列圖如圖10所示，80%能量集中在直徑為10 μm的圓內(nèi)，滿足使用要求。

4.2.2 發(fā)射系統(tǒng)

經(jīng)光纖耦合后，光纖輸出端激光發(fā)散角在200 mrad以上。因此，在設(shè)計(jì)發(fā)射系統(tǒng)時(shí)，可將光纖輸出端看作點(diǎn)光源進(jìn)行設(shè)計(jì)，且由于位于次鏡后端，發(fā)射系統(tǒng)口徑應(yīng)控制在28 mm以內(nèi)，所設(shè)計(jì)的發(fā)射系統(tǒng)口徑為20 mm，系統(tǒng)筒長(zhǎng)為103 m，輸出光束發(fā)散角為1.5 mrad。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖11所示。

圖9 激光三維成像導(dǎo)引接收系統(tǒng)MTF曲線Fig.9 MTF curve of active laser imaging guided system

圖10 激光三維成像導(dǎo)引接收系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.10 Spot diagram of active laser imaging guided system

圖11 激光三維成像導(dǎo)引發(fā)射系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.11 Transmitting optical structure of active laser imaging system

4.3 信息融合處理系統(tǒng)

信息處理系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)3項(xiàng)主要功能:被動(dòng)紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)圖像采集與處理;激光三維成像導(dǎo)引系統(tǒng)圖像采集與處理;主被動(dòng)成像系統(tǒng)的同步控制。

同步控制的目的是保證激光三維信息與紅外成像獲得的數(shù)據(jù)在時(shí)間上匹配。本系統(tǒng)需要有3塊嵌入式的信息處理模塊，即激光圖像采集與處理模塊、紅外圖像信號(hào)采集與處理模塊和主控?cái)?shù)據(jù)處理模塊。同步方案設(shè)計(jì)如下:在主控?cái)?shù)據(jù)處理模塊硬件單元中增加系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘，分別向紅外相機(jī)和激光成像系統(tǒng)發(fā)送時(shí)鐘電平信號(hào)，紅外相機(jī)設(shè)有外觸發(fā)開啟功能，以紅外相機(jī)曝光開始為時(shí)間基準(zhǔn)，通過(guò)主控模塊向紅外相機(jī)發(fā)送基準(zhǔn)時(shí)鐘電平信號(hào)，向激光成像系統(tǒng)發(fā)送延遲時(shí)鐘電平信號(hào)，延遲時(shí)間由紅外相機(jī)的曝光時(shí)間決定，從而可以實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)匹配。

兩套導(dǎo)引系統(tǒng)分別配有獨(dú)立的圖像采集及目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)，使得兩套導(dǎo)引系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立并行工作，一旦其中一套導(dǎo)引系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，可保證整套導(dǎo)引系統(tǒng)仍具備一定的導(dǎo)引能力。且兩套導(dǎo)引系統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別算法在設(shè)計(jì)理念上有較大差異，最終的判別結(jié)果綜合了兩種算法的優(yōu)勢(shì)，這樣的復(fù)合導(dǎo)引策略保證了整套導(dǎo)引系統(tǒng)的識(shí)別精度。

5 結(jié)論

本文提出了一套采用激光三維成像導(dǎo)引配合被動(dòng)紅外導(dǎo)引共同工作的復(fù)合導(dǎo)引體制，對(duì)整套導(dǎo)引系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并給出了各分系統(tǒng)詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。提出了利用被動(dòng)紅外導(dǎo)引系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離大視場(chǎng)條件下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索，并采用激光三維成像導(dǎo)引系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行小視場(chǎng)高對(duì)比度探測(cè)的導(dǎo)引策略。該導(dǎo)引體制可在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，對(duì)紅外隱身目標(biāo)有較高的識(shí)別精度。該項(xiàng)技術(shù)的提出對(duì)于我國(guó)復(fù)合導(dǎo)引技術(shù)的發(fā)展及地對(duì)地導(dǎo)彈作戰(zhàn)能力的提升有著重要意義。

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