InSb面陣探測器波段內(nèi)脈沖激光干擾響應(yīng)特性研究

劉俊明，李麗娟,2，王朝林,2，段 萌,2

InSb面陣探測器波段內(nèi)脈沖激光干擾響應(yīng)特性研究

劉俊明1，李麗娟1,2，王朝林1,2，段 萌1,2

（1. 中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009；2. 航空制導(dǎo)武器航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471009）

介紹了激光定向干擾紅外探測系統(tǒng)的干擾機理及波段內(nèi)激光定向干擾的主要干擾方式。以InSb紅外探測成像系統(tǒng)為研究對象，開展了典型條件下的波段內(nèi)脈沖激光定向干擾試驗，分析了InSb面陣探測器對波段內(nèi)脈沖激光干擾的響應(yīng)特性，獲取了探測器在脈沖激光干擾下的損傷模式和損傷閾值，為后續(xù)深入研究激光定向干擾效能奠定基礎(chǔ)。

脈沖激光；定向干擾；紅外探測系統(tǒng)；響應(yīng)特性；InSb探測器

0 引言

隨著紅外制導(dǎo)技術(shù)的迅速發(fā)展，成像型導(dǎo)引頭由于其靈敏度高、探測距離遠、全天候工作等特點在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要的作用[1]。為有效抑制紅外成像制導(dǎo)武器，激光定向干擾技術(shù)在近年得到重點發(fā)展，并有望成為未來紅外對抗的主要方式。

作為成像型導(dǎo)引頭的核心器件紅外探測器，由于其芯片靈敏度高、材料強度低，極易受到激光的干擾和損傷。因此，紅外探測器的激光干擾、毀傷等問題受到世界各國的普遍重視。美國佐治亞理工（Georgia Tech）的信號技術(shù)實驗室于20世紀90年代末研制開發(fā)了紅外探測成像仿真系統(tǒng)（imaging simulation for infrared sensors，ISIS）用于紅外成像導(dǎo)引頭信號處理和紅外對抗方面的研究[2]；美國McDonnell Douglas公司研制了專門的激光輻照光電探測器的檢測設(shè)備。以實驗物理學(xué)家Bartoli為代表的一大批科學(xué)家開展了大量激光損傷探測器靶材的實驗，得出了一批有價值的各類探測器損傷閾值[3]。國內(nèi)也已開展了大量關(guān)于激光損傷效應(yīng)的實驗和理論研究工作，如中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所開展了激光對長波紅外HgCdTe探測器干擾的實驗研究[4]；中國空空導(dǎo)彈研究院針對探測器窗口藍寶石開展了長波連續(xù)激光熱力學(xué)損傷特性研究[5]；西安電子科技大學(xué)與中國空空導(dǎo)彈研究院聯(lián)合開展了基于激光干擾紅外成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)研究[6]。國防科技大學(xué)鄭鑫等研究了波段外連續(xù)激光輻照對銻化銦探測器影響[7]。

本文主要針對中波InSb光伏型紅外面陣探測器開展波段內(nèi)脈沖激光定向干擾試驗，通過試驗分析InSb面陣探測器對波段內(nèi)脈沖激光干擾的響應(yīng)特性、損傷模式及損傷閾值，為后續(xù)及激光定向干擾研究提供理論支持。

1 激光對紅外探測系統(tǒng)的干擾機理

激光干擾主要是利用激光束輻照，使系統(tǒng)的紅外探測器飽和或暫時失效，從而導(dǎo)致目標無法檢出，失去制導(dǎo)能力[8]。激光對紅外成像系統(tǒng)干擾的機理實質(zhì)上就是利用激光高度集中的能量來輻照成像系統(tǒng)的紅外探測器，使紅外探測系統(tǒng)光電信號飽和、信號處理通道阻塞、甚至破壞紅外探測器，使導(dǎo)彈丟失目標，從而使目標脫離導(dǎo)彈視場范圍，激光干擾成像過程如圖1所示。

激光器發(fā)射激光，經(jīng)過大氣傳輸至光學(xué)系統(tǒng)上，光學(xué)系統(tǒng)接收能量并將能量會聚到探測器上。因此可以把激光能量傳輸?shù)倪^程表示為：激光光束→大氣傳輸→光學(xué)系統(tǒng)→探測器。激光在到達探測器焦平面前，存在諸多影響因素，可歸納為發(fā)散角、功率、波長等激光干擾的本征特征和大氣、光學(xué)系統(tǒng)等外部特性[9]。

激光定向干擾技術(shù)利用激光束的相干性，將能量集中到很小的空間立體角內(nèi)，并照射到紅外成像系統(tǒng)實現(xiàn)誘騙、致眩和毀傷，從而使導(dǎo)彈失去制導(dǎo)能力。其中毀傷又分為致盲（波段內(nèi)毀傷）和波段外毀傷，致盲一般是指采用波段內(nèi)大功率激光器照射探測器使整個面陣飽和甚至直接破壞芯片，使其失去探測能力；而波段外毀傷是采用波段外超大功率的激光器，直接破壞紅外成像系統(tǒng)光學(xué)元件、探測器，此處不加以討論。接下來將針對波段內(nèi)脈沖激光對中波InSb紅外面陣探測器干擾特性進行研究。

2 激光干擾試驗

試驗在實驗室環(huán)境完成，試驗裝置主要包括激光干擾裝置、紅外成像探測系統(tǒng)、測試設(shè)備，試驗布局如圖2所示。紅外成像探測系統(tǒng)布置在一側(cè)，激光干擾裝置布置在另外一側(cè)，兩者之間的距離為5m。激光從激光器中發(fā)出后，通過平行光管和擴束裝置后，達到紅外探測系統(tǒng)。

干擾對象為紅外探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光學(xué)分系統(tǒng)、紅外成像探測器及其處理板組成。光學(xué)分系統(tǒng)采用折返式光學(xué)結(jié)構(gòu)，成像探測器為128×128陣列的InSb探測器，響應(yīng)光譜范圍為3～5mm。試驗激光器輸出中心波長設(shè)置為4.1mm，頻率為110Hz。經(jīng)過擴束裝置后光斑直徑為100mm。通過功率計標定紅外成像系統(tǒng)鏡前功率密度。調(diào)整光路中的衰減片，從而改變干擾激光能量密度。

3 試驗結(jié)果分析

試驗中，激光采用垂直入射方式，監(jiān)測不同能量密度激光照射紅外探測系統(tǒng)后，探測器輸出的圖像，分析激光對InSb面陣探測器的干擾、損傷特性。

3.1 干擾特性

在重復(fù)頻率、占空比一定的情況下，不同能量密度脈沖激光在探測器上形成的光斑分布情況如圖3所示。圖中(a)、(b)、(c)、(d)對應(yīng)的脈沖激光能量密度分別為2×10－6J/cm2、8×10－6J/cm2、6×10－5J/cm2、1×10－4J/cm2?？砂l(fā)現(xiàn)隨著干擾激光能量密度的增加，探測器輸出的紅外圖像上的干擾光斑持續(xù)增大。

圖1 激光干擾成像過程示意圖

圖2 激光干擾試驗布局示意圖

干擾光斑大小隨干擾激光能量密度變化過程如圖4所示。當焦面能量密度小于10－5J/cm2時，光斑面積較小，與目標相似，此時激光對紅外成像系統(tǒng)干擾主要是誘騙。但當焦面能量密度大于10－5J/cm2時，干擾光斑隨激光能量的增加迅速變大，光學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)部反射也隨之增強，激光對紅外成像系統(tǒng)干擾主要是致眩效果。當焦面能量密度達到10－3J/cm2時光斑占滿視場但未仍飽和，但目標與激光干擾的分離更加困難。

干擾激光能量繼續(xù)增加，探測器面陣也沒有達到飽和。只有當焦面能量密度達到10－1J/cm2時，干擾光斑中心像元性能下降，周圍相鄰像元才出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，干擾去除后，中心像元對人體溫度的紅外輻射已無響應(yīng)。當能量密度繼續(xù)增大時，中心像元徹底損壞，周圍相鄰像元飽和現(xiàn)象消失。飽和像元數(shù)變化情況如圖5所示。

圖6為干擾光斑平均灰度和中心像元灰度與干擾激光能量密度的關(guān)系曲線。如圖6所示，當干擾激光能量小于10－6J/cm2時，干擾光斑的平均灰度隨干擾激光能量密度的增加而增大；當干擾激光能量在10－6J/cm2～10－3J/cm2之間時光斑的平均灰度隨激光能量增加開始下降，主要是此時光斑面積迅速增大，致眩效果增強導(dǎo)致光斑平均灰度降低；當干擾激光能量密度大于10－3J/cm2時，干擾光斑接近全屏后，其平均灰度隨干擾激光能量密度的增加又開始增大，增大趨勢逐漸趨緩。

圖3 不同能量密度脈沖激光干擾效果圖

圖4 不同能量密度激光干擾下探測器干擾光斑大小

圖5 飽和像元數(shù)隨干擾激光能量變化情況

圖6 光斑平均灰度、中心像元灰度隨激光能量變化情況

圖7為不同能量密度激光干擾下探測器輸出圖像的三維灰度圖。圖中(a)、(b)、(c)、(d)對應(yīng)的干擾激光焦面能量密度分別為10－6J/cm2、10－5J/cm2、10－4J/cm2、10－2J/cm2。

干擾光斑中心像元灰度與光斑平均灰度一樣，隨著干擾激光能量的增加也是先增大后減小，當焦面能量密度小于10－5J/cm2時，中心像元的灰度隨干擾激光的能量升高而增大，中心像元處于正常的響應(yīng)狀態(tài)；當焦面能量密度達到10－5J/cm2以后，探測器出現(xiàn)信號記憶效應(yīng)，輸出電壓降低，此時干擾光斑中心像元的灰度隨著干擾激光能量的增加開始降低；當干擾激光能量達到10－2J/cm2，中心像灰度迅速增加。具體變化過程如圖6所示。

3.2 損傷特性

當干擾激光焦面能量密度達到10－1J/cm2，中心像元出現(xiàn)熱損傷，探測器p-n結(jié)退化，探測器的暗電阻增加，光電探測器對信號光的響應(yīng)率下降，表現(xiàn)為此時中心像元對人體溫度的紅外輻射沒有響應(yīng)。這種熱損傷不可逆且可以積累，隨著干擾激光能量密度的繼續(xù)增加，當干擾激光焦面能量密度達到2×10－1J/cm2時，探測器光敏芯片出現(xiàn)硬損傷，干擾光斑中心的像元損壞，失去探測能力，實現(xiàn)了波段內(nèi)激光干擾局部致盲的效果。圖8中(a)、(b)分別為探測器焦平面能量密度為2×10－1J/cm2激光照射前后探測器成像圖。圖(a)為激光照射前探測器對均勻背景的成像圖，圖中可見有4處盲元。圖(b)為激光照射后探測器對同一均勻背景的成像圖，圖像增加一處盲元，如圖內(nèi)圓圈處所示。這主要是由于探測器芯片被激光照射后出現(xiàn)了點損傷，導(dǎo)致像面出現(xiàn)新的盲元簇。試驗中，在激光功率不變的條件下，繼續(xù)增加照射次數(shù)，損傷像元數(shù)會有所增加，但增大到一定范圍后基本維持不變。

脈沖激光的輻照功率繼續(xù)增大，當焦面能量密度達到4×10－1J/cm2時，InSb探測器開始出現(xiàn)線損傷，如圖9(a)所示，圖中白色線條為線損傷。脈沖激光照射次數(shù)繼續(xù)增加，探測器線損傷情況加劇如圖9(b)所示。當照射次數(shù)累積到一定程度，線損傷情況不再變化，但探測器的整個像面探測率下降約30%左右，具體成像效果如圖9(c)所示。

圖8 InSb面陣探測器點損傷情況

通過試驗發(fā)現(xiàn)，探測器芯片在脈沖激光照射下已經(jīng)出現(xiàn)大面積裂紋，但探測器窗口、濾光片等光學(xué)元件依然完好，與波段外激光毀傷效果明顯不同。受試驗激光器條件限制，本次試驗未實現(xiàn)探測器全區(qū)域致盲，但在波段內(nèi)脈沖激光定向干擾下探測能力已顯著下降。

4 結(jié)語

對于中心波長為4.1mm，頻率為110Hz的脈沖激光，隨著干擾激光能量密度的增加，干擾光斑的大小隨之變大直到占滿全屏；干擾光斑的平均灰度和中心像元灰度隨干擾激光能量密度的增加經(jīng)歷一個先增大再減小然后又增大的過程；低頻脈沖激光干擾很難讓探測器達到全屏飽和。

圖9 不同激光照射次數(shù)下InSb面陣探測器線損傷情況

當焦面能量密度小于10－5J/cm2時，脈沖激光對紅外成像系統(tǒng)干擾主要是誘騙。當焦面能量密度大于10－5J/cm2時，激光對紅外成像系統(tǒng)干擾主要是致眩。當干擾激光焦面能量密度達到2×10－1J/cm2，InSb面陣探測器出現(xiàn)點損傷；當焦面能量密度達到4×10－1J/cm2時，探測器出現(xiàn)線損傷，整個像面探測率下降30%左右。

由此可知，低頻脈沖激光對InSb面陣探測器干擾的光學(xué)效應(yīng)有限，熱學(xué)效應(yīng)可使探測器出現(xiàn)點損傷、線損傷，從而使探測器局部致盲、探測能力顯著下降。若脈沖激光功率足夠大，完全有可能毀傷探測器整個芯片，使其徹底失去探測能力。

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Response Characteristics of an InSb FPA Detector using Above-band Pulsed-laser Jamming

LIU Junming1，LI Lijuan1,2，WANG Chaolin1,2，DUAN Meng1,2

(1. C,471009,; 2.,471009,)

The interference mechanism of laser directional jamming to an infrared detection system was investigated in this study, and the chief jamming mode of the above-band laser was discussed. A pulsed-laser jamming experiment was conducted using the infrared detection system based on an indium antimonide (InSb) focal plane array(FPA) detector,and the response characteristics of the InSb FPA detector with above-band pulsed-laser jamming was analyzed. The failure mode and failure threshold of the InSb FPA detector were derived. The results providea basis for further research into directional infrared countermeasure performance against infrared imaging guided weapons.

pulsed-laser，laser directional jamming，infrared detecting system，response characteristic，InSb detector

TN249，TN215

A

1001-8891(2021)05-0478-05

2020-06-28；

2020-08-21.

劉俊明（1979-），女，遼寧錦州人，高級工程師，碩士，主要研究領(lǐng)域為紅外探測技術(shù)、紅外信息處理技術(shù)。E-mail：19393185@qq.com。

航空科學(xué)基金（20170112003）。