激光對成像制導(dǎo)系統(tǒng)的干擾*

劉延武，李 楠，呂俊偉

(1山東工商學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，山東煙臺 264005;2山東省高校智能信息處理重點實驗室，山東煙臺 264005;3海軍航空兵學(xué)院，遼寧葫蘆島 125001;4海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺 264001)

0 引言

在當(dāng)前新軍事變革中，信息作戰(zhàn)成為戰(zhàn)爭主導(dǎo)。成像制導(dǎo)武器作為信息作戰(zhàn)中的典型武器，利用成像探測器獲取目標(biāo)信息，從而實現(xiàn)對武器的制導(dǎo)，由于其命中精度高、殺傷效果好，在信息作戰(zhàn)中得到了重點發(fā)展。成像探測器主要有可見光CCD(charge coupled device)和紅外 CCD。隨著CCD器件在武器制導(dǎo)、衛(wèi)星偵察、微光夜視等軍事領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，深入研究對CCD的破壞則成為了信息作戰(zhàn)的焦點，激光對成像探測器的輻照會引起探測器性能的下降甚至失效。

以往對激光干擾探測器的研究，主要集中在對CCD單個器件的破壞效應(yīng)及飽和干擾上[1－6]，而對成像制導(dǎo)系統(tǒng)的激光干擾沒有展開，文中以可見光CCD成像探測器為研究對象，采用0.632μm連續(xù)He-Ne激光輻照可見光CCD成像探測器，開展視場內(nèi)和視場外激光輻照實驗，結(jié)合CCD成像制導(dǎo)系統(tǒng)的激光干擾前后命中概率變化研究，重點分析激光干擾對CCD成像制導(dǎo)系統(tǒng)的干擾效果，為激光武器的發(fā)展提供理論支撐。

1 激光干擾實驗

1.1 CCD視場內(nèi)干擾

實驗采用的 CCD探測器是 VC-210B型0.85cm靶面黑白攝像機(jī)，像素500×582，感光面積4.9mm×3.7mm，靈敏度 0.05lx，光學(xué)鏡頭視場 52 °×44 °，鏡頭焦距3.6mm。激光器采用25mW的 He-Ne連續(xù)激光器，出光孔徑4mm，激光波長0.632μm。視場內(nèi)激光干擾CCD實驗裝置如圖1。

圖1 CCD視場內(nèi)激光干擾裝置

調(diào)整激光束同CCD探測器光軸對準(zhǔn)，激光器出光孔到CCD距離1.6m。將激光衰減到CCD線性工作區(qū)，逐漸減小衰減到CCD處于臨界飽和狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)CCD靶面激光功率密度為6.2×10－7W/cm2，探測器工作在線性區(qū);減小衰減到CCD進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)，激光功率密度為9.8×10－7W/cm2;繼續(xù)減小衰減到CCD進(jìn)入飽和狀態(tài)，激光功率密度為2.8W/cm2。圖2是激光干擾能量不同時CCD視場內(nèi)干擾效果。

圖2 CCD視場內(nèi)激光干擾效果

圖2左側(cè)是CCD工作在線性區(qū)時的成像圖，中間是進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)時的成像圖，右側(cè)是進(jìn)入飽和狀態(tài)時的成像圖。觀察圖2發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CCD進(jìn)入飽和狀態(tài)，出現(xiàn)了光飽和串音現(xiàn)象。這是因為照射到CCD光敏區(qū)局部的激光強(qiáng)度達(dá)到一定程度時，光照區(qū)域飽和，未照射區(qū)域先是沿著電荷傳輸方向出現(xiàn)亮線，光強(qiáng)增加，則亮線加寬，最終整個光敏區(qū)飽和。CCD光敏元是并行的，但其轉(zhuǎn)移傳輸元是串行的，各元間以溝阻隔開，共基底電極。在1ps的極短時間內(nèi)，大量光生載流子向鄰近勢阱溢流，形成串音。串音與CCD器件的結(jié)構(gòu)尺寸、勢阱深度、柵極電壓有關(guān)。光飽和串音現(xiàn)象不會對CCD器件造成損傷，但會嚴(yán)重干擾其正常工作，使其難以成像和讀取圖像信號。

1.2 CCD視場外干擾

激光視場外干擾CCD的實驗裝置如同3所示。

圖3 CCD視場外激光干擾裝置

將激光器、光闌和濾光片安裝在光學(xué)導(dǎo)軌上，CCD探測器固定在自由轉(zhuǎn)動液壓轉(zhuǎn)臺上，便于測量不同視場角激光對CCD的干擾情況。實驗過程中，調(diào)整CCD同激光器的角度從5°～28°逐漸增大，隨著入射激光功率和照射時間的增加，CCD被干擾的面積逐漸增大，隨著激光束同CCD光軸夾角增大，干擾能力逐漸減弱。圖4是激光束與CCD探測器光軸的夾角為28°時的干擾圖像，此時激光束已超出CCD的視場，但仍可干擾探測器成像。

1.3 成像跟蹤系統(tǒng)干擾

實際中激光干擾成像制導(dǎo)系統(tǒng)時，由于難以對準(zhǔn)成像導(dǎo)引頭，往往是視場外干擾，因此研究激光對成像制導(dǎo)系統(tǒng)能否實現(xiàn)視場外干擾，對軍事應(yīng)用有較大價值。利用CCD成像制導(dǎo)系統(tǒng)對坦克模型進(jìn)行成像，調(diào)整轉(zhuǎn)臺改變激光束到CCD制導(dǎo)系統(tǒng)光軸入射角。圖5是激光干擾前的原始圖像和激光視場外干擾后的圖像。

圖4 CCD視場外激光干擾效果

圖5 成像跟蹤系統(tǒng)干擾前后成像圖

從圖5可見激光視場外干擾后，成像跟蹤系統(tǒng)會受到嚴(yán)重影響，使得目標(biāo)搜索、探測、識別十分困難，進(jìn)而影響成像制導(dǎo)武器的作戰(zhàn)效能發(fā)揮。

受到激光干擾后，成像跟蹤系統(tǒng)變得模糊不清，影響制導(dǎo)指令的運(yùn)行，圖6和圖7分別是受激光干擾后，導(dǎo)彈俯仰制導(dǎo)誤差隨時間變化和導(dǎo)彈偏航制導(dǎo)誤差隨時間變化曲線。橫坐標(biāo)為導(dǎo)彈飛行時間，激光干擾后，偏航制導(dǎo)誤差角和俯仰制導(dǎo)誤差角均出現(xiàn)震蕩。通過觀察發(fā)現(xiàn)激光干擾對偏航制導(dǎo)誤差角的影響要遠(yuǎn)大于對俯仰制導(dǎo)誤差角的影響。

圖6 俯仰制導(dǎo)誤差變化曲線

1.4 激光干擾能量計

圖7 偏航制導(dǎo)誤差曲線

假設(shè)距離激光發(fā)射點 R處，由衍射引起的垂直于導(dǎo)彈成像探測器整流罩表面的光束擴(kuò)散半徑為:

式中θ為光束發(fā)散角，θ受到光束衍射發(fā)散角θy、大氣抖動引起的擴(kuò)展角θt、激光光源抖動θd的影響。

式中:λ為激光波長;D0為激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑;β為光束質(zhì)量因子。光束質(zhì)量因子一般取1.5～3，這里取β =2，大氣抖動引起的擴(kuò)展角θt取為1×10－5rad，激光光源抖動與激光發(fā)射瞄準(zhǔn)設(shè)備有關(guān)，這里假設(shè)θd=θy/2，取D0=50cm，R=5km時，導(dǎo)彈導(dǎo)引頭成像探測器表面激光光斑半徑d≈54cm。

假設(shè)發(fā)射的激光波長為 λ，激光器輸出能量為P0，激光器同導(dǎo)彈導(dǎo)引頭距離為R，瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)的精度為δ，大氣透過率為τ1，導(dǎo)彈光學(xué)鏡頭直徑為D，整流罩為3mm厚的氟化鎂，整流罩透過率為τ2，光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)效率為τ3，導(dǎo)彈光敏元件直徑為 Φ，導(dǎo)彈接收到的能量密度為pe，則pe計算如下:

式中0.84是分布在愛里斑第一暗環(huán)內(nèi)的光能百分比，由上式可得:

利用式(5)就能計算激光干擾成像制導(dǎo)導(dǎo)彈所需的激光能量，首先確定激光波長λ，計算激光在大氣中的傳輸衰減，得到τ1;其次計算不同傳輸距離時，激光到達(dá)導(dǎo)彈探測器表面的相應(yīng)光束擴(kuò)散半徑d;再根據(jù)所要干擾的導(dǎo)彈光學(xué)系統(tǒng)，確定 D、τ2、τ3的值;然后確定光電探測器的類型、干擾或損傷閾值pe及光敏元件直徑Φ的值;最后確定激光跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度δ，并與前述各參數(shù)代入式(5)進(jìn)行發(fā)射能量計算。

利用激光干擾成像制導(dǎo)導(dǎo)彈，攻擊時激光發(fā)射處距離導(dǎo)彈成像探測器的距離R在1～10km內(nèi)取值，計算出不同攻擊距離時干擾導(dǎo)彈成像導(dǎo)引頭所需發(fā)射的激光能量變化關(guān)系如圖8所示。

圖8發(fā)射激光能量與干擾距離關(guān)系

從圖8可見，在能見度為2km時，隨著干擾距離的增加，實現(xiàn)成像導(dǎo)引頭飽和干擾所需激光能量呈現(xiàn)非線性增加;隨著能見度減小，所需發(fā)射激光能量急劇增加。當(dāng)R=3km時，所需激光能量約為125W;當(dāng)R=5km時，所需激光能量約為235W;當(dāng)R=7km時，所需激光能量約為855W;當(dāng)R=10km時，所需激光能量約為2500W。

2 干擾效能評估方法

視場內(nèi)、外激光輻照CCD成像探測器，均能實現(xiàn)對成像制導(dǎo)系統(tǒng)的干擾。實戰(zhàn)中，激光對準(zhǔn)CCD探測器較為困難，但只要發(fā)射功率高，視場外干擾同樣能有效干擾CCD成像制導(dǎo)系統(tǒng)，降低其作戰(zhàn)效能。

設(shè)無激光干擾時成像制導(dǎo)武器制導(dǎo)精度為δ0，激光干擾后成像制導(dǎo)武器脫靶量為Δr，則按下述標(biāo)準(zhǔn)判定干擾是否有效:1)當(dāng)Δr≤3δ0時，干擾無效;2)當(dāng)Δr＞3δ0時，干擾有效。干擾成功率η為:

其中:ne是干擾有效次數(shù)，n是干擾總次數(shù)。

另一個用的最多的干擾效能評估參數(shù)是命中概率，以命中概率評估成像制導(dǎo)武器受激光干擾前后的變化最為直觀。彈著點散布規(guī)律為:

式中:x、y表示落點坐標(biāo)，σx、σy分別為 x、y的標(biāo)準(zhǔn)差，即制導(dǎo)誤差中的隨機(jī)誤差大小。

設(shè)P表示單發(fā)成像制導(dǎo)武器命中概率，計算如下:

式中a、b為目標(biāo)等效長方形的長和寬。

干擾效能評估采用以下方式:1)單發(fā)命中概率下降值作為評估干擾效能參數(shù)，ΔP=P－P';2)單發(fā)命中概率相對下降值作為評估參數(shù)，β=(PP')/P，P'表示干擾后的命中概率。

3 干擾前后命中概率計算

圖9 跟蹤精度對導(dǎo)彈命中概率影響

圖10 激光干擾距離不同時命中概率

先進(jìn)行激光干擾前成像制導(dǎo)武器命中概率計算，設(shè)成像制導(dǎo)導(dǎo)彈正常飛行，與攻擊目標(biāo)相距350m時進(jìn)入盲區(qū)，隨后保持跟蹤狀態(tài)直線飛行，制導(dǎo)導(dǎo)彈命中概率同跟蹤精度的關(guān)系如圖9所示。圖9表示能見度不同時，成像制導(dǎo)導(dǎo)引頭跟蹤精度的大小對導(dǎo)彈命中概率的影響。再進(jìn)行激光干擾后成像制導(dǎo)武器命中概率計算，假設(shè)成像制導(dǎo)導(dǎo)彈距離攻擊目標(biāo)一定程度時，受到激光干擾，從而引起導(dǎo)引頭致盲，制導(dǎo)導(dǎo)彈按照干擾前的導(dǎo)引指令攻擊目標(biāo)，由于制導(dǎo)誤差較大，命中概率迅速下降，激光發(fā)射距離不同時成像制導(dǎo)導(dǎo)彈命中概率如圖10所示。能見度為23.5km時，在激光干擾前成像制導(dǎo)導(dǎo)彈命中概率為99.7%，在3km處實施激光干擾后，成像制導(dǎo)導(dǎo)彈命中概率降為30.8%，命中概率下降了68.9%，這說明干擾效果較好。

4 結(jié)束語

以可見光 CCD成像探測器為研究對象，采用0.632μm連續(xù)He-Ne激光器輻照CCD成像探測器，開展視場內(nèi)和視場外激光干擾實驗，結(jié)合成像制導(dǎo)系統(tǒng)的激光干擾實驗研究制導(dǎo)導(dǎo)彈命中概率的變化，重點分析激光干擾對成像制導(dǎo)系統(tǒng)的干擾效能，在3km處激光干擾后成像制導(dǎo)導(dǎo)彈命中概率降為30.8%，干擾效果較好，這為發(fā)展激光武器干擾成像制導(dǎo)系統(tǒng)提供了理論支撐。

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