激光對(duì)紅外成像系統(tǒng)的干擾效果＊

石永山

（海軍駐錦州地區(qū)軍事代表室 錦州 121000）

1 引言

紅外成像技術(shù)在軍事上早已突破作為夜視器材應(yīng)用范圍，用于搜索、跟蹤、制導(dǎo)等多種領(lǐng)域。由于紅外光電探測(cè)器具有高吸收系數(shù)、高探測(cè)率和寬響應(yīng)波段等特點(diǎn)，容易受到強(qiáng)激光干擾和損傷使其失去探測(cè)功能。因此作為一種有效的光電對(duì)抗手段，激光對(duì)紅外成像系統(tǒng)的干擾效果與影響因素的研究日益引起各方的高度重視。本文就對(duì)紅外熱像儀飽和閾值、CO2激光能量透過(guò)率、激光干擾等，作進(jìn)一步的研究和探討[1]。

2 紅外熱像儀飽和閾值

紅外熱像儀（非制冷多晶硅）采用非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面，陣列可以等效為一個(gè)熱敏電阻，且入射光與晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動(dòng)能量，引起材料的溫度上升，從而使材料本身的阻值發(fā)生變化，引起負(fù)載兩端電壓變化從而給出電信號(hào)。但當(dāng)非晶硅半導(dǎo)體薄膜溫度升高到相變溫度，便可對(duì)熱像儀造成永久破壞[2]。

激光器輻照紅外熱像儀，實(shí)際成像光斑較小，局部像元被破壞之后，成像系統(tǒng)采用相應(yīng)的算法進(jìn)行像元補(bǔ)償，可以將像元被破壞造成的成像干擾降到最低。適當(dāng)調(diào)節(jié)熱像儀焦距可以獲得更好的輻照效果。

非制冷熱像儀光學(xué)系統(tǒng)的飽和閾值根據(jù)不同熱像儀量值稍有差異，一般光學(xué)系統(tǒng)前激光能量密度達(dá)到4.89×10－8J／cm2～5.97×10－8J／cm2熱像儀就會(huì)出現(xiàn)局部飽和。

3 CO2激光透過(guò)率

CO2激光經(jīng)Lkm大氣傳輸后，到達(dá)熱像儀前的能量密度為[3]

其中，Ex為激光傳輸Lkm后激光能量密度；α為大氣衰減系數(shù)；d0為激光器出口光斑直徑；θ為激光光束發(fā)散角。

在分析純散射透過(guò)率時(shí)引入氣象學(xué)，采用依標(biāo)準(zhǔn)能見(jiàn)度Dv確定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算透過(guò)率，Dv用來(lái)表征大氣的模糊度，并且是白天能看見(jiàn)天空背景下水平方向上角尺度大于30′模糊物體的最大距離。它代表了可見(jiàn)波長(zhǎng)λ0處（通常取λ0＝0.555μm）。在此波長(zhǎng)處，大氣吸收為零，因此影響透射的原因?qū)⒅皇巧⑸溥@一種因素。

眼睛感知的最小對(duì)比度等于2%，因此氣象能見(jiàn)度Dv就是目標(biāo)對(duì)比度為1時(shí)，通過(guò)大氣后感知的對(duì)比度為0.02的距離：

在10.6μm區(qū)間衰減系數(shù)與散射aP～λ－q有關(guān)，因此大氣分子微粒散射系數(shù)aP（λ）可用下式得到：

求得純散射導(dǎo)致的透過(guò)率τ2（λ）為

綜上所述10.6μm大氣光譜透過(guò)率：

由此可計(jì)算出不同距離CO2激光透過(guò)率，氣象能見(jiàn)度Dv＝20km（λ＝0.555），溫度10℃，空氣相對(duì)濕度70%，大氣透過(guò)率見(jiàn)表1所示。

表1 大氣透過(guò)率

依據(jù)式（1）E0＝5J，θ＝0.5m／rad，得到30km處激光能量密度為2.18×10－7J／cm2。從表1中可以看出大氣透過(guò)率和距離成反比，主要影響因素是水蒸氣的吸收作用，30km處水蒸氣厚度接近200mm，當(dāng)厚度大于200mm后，激光基本被水蒸氣完全吸收。

4 激光干擾

4.1 干擾方式

激光干擾的方式主要包括：欺騙性干擾和壓制性干擾等[4]。

1）欺騙性干擾。激光欺騙性干擾是發(fā)射與威脅激光束特征參數(shù)（包括工作波長(zhǎng)、重復(fù)頻率、脈沖寬度、編碼方式等）完全相同的干擾激光束，投射到假目標(biāo)上，從而以假亂真，誘使激光制導(dǎo)彈偏離真目標(biāo)，射向假目標(biāo)。根據(jù)產(chǎn)生激光干擾信號(hào)方法的不同，分為轉(zhuǎn)發(fā)式干擾和應(yīng)答式干擾兩種。轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是將系統(tǒng)中激光告警機(jī)接收到的激光威脅信號(hào)自動(dòng)放大，并由激光干擾發(fā)射機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而產(chǎn)生激光欺騙性干擾信號(hào)。應(yīng)答式干擾是將系統(tǒng)中激光告警機(jī)接收到的激光威脅信號(hào)存儲(chǔ)和再現(xiàn)，由此產(chǎn)生激光欺騙性干擾信號(hào)。在一個(gè)系統(tǒng)中，上述兩種干擾方式通常結(jié)合使用。

2）壓制性干擾。激光壓制性干擾是利用低能量激光輻射，暫時(shí)致眩致盲或永久致盲敵方武器系統(tǒng)中裝備的光學(xué)儀器、夜視儀、光電傳感器及其操作手的眼睛，致使敵方武器系統(tǒng)不能觀測(cè)和瞄準(zhǔn)目標(biāo)；致盲入侵導(dǎo)彈導(dǎo)引頭上的光電探測(cè)器和制導(dǎo)線路，使之飽和和過(guò)載，導(dǎo)致敵方紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈和激光制導(dǎo)彈丟失和偏離真目標(biāo)，失去控制而墜落。

4.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用高功率TEA－CO2激光器、擴(kuò)束及導(dǎo)光系統(tǒng)、紅外熱像儀（多晶硅非制冷焦平面探測(cè)器）、紅外跟蹤瞄準(zhǔn)設(shè)備及其他輔助設(shè)備[5]。

1）激光器。TEA－CO2激光器，輸出激光波長(zhǎng)為10.6μm；激光單脈沖能量約5J；擴(kuò)束及導(dǎo)光系統(tǒng)包括ZnSe反射鏡及擴(kuò)束裝置；

2）探測(cè)器。紅外熱像儀探測(cè)器為多晶硅非制冷焦平面探測(cè)器，像元數(shù)為320×240，響應(yīng)波段為8μm～14μm，場(chǎng)頻為50Hz；

3）跟蹤瞄準(zhǔn)。紅外跟蹤瞄準(zhǔn)設(shè)備由工作波段在3μm～5μm的紅外成像系統(tǒng)、跟蹤架及激光發(fā)射光路組成。

4）環(huán)境。實(shí)驗(yàn)環(huán)境分別選擇在能見(jiàn)度很好（Dv＝20km無(wú)沉積物）及一般（Dv＝2km霧霾）條件下對(duì)比進(jìn)行，通過(guò)紅外跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)10km處紅外熱源進(jìn)行捕捉跟蹤，紅外熱源處迎面擺放多晶硅非制冷焦平面探測(cè)器。

4.3 干擾效果

在氣象條件良好情況下，以10.6μm波長(zhǎng)，重頻10Hz進(jìn)行干擾。例如，已知單脈沖能量為5J，發(fā)散角為0.5m／rad，傳輸距離10km，根據(jù)式（1）可得出使熱像儀達(dá)到飽和閾值的透過(guò)率為0.002，然后依據(jù)式（5）可得出能量密度Ex與Dv之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：Dv大約在0.5km時(shí)激光能量密度達(dá)到飽和閾值[6]。

干擾前成像清晰，能見(jiàn)度在20km左右；激光器用10.6μm，10Hz重頻干擾后熱像儀出現(xiàn)30mm左右高亮壞點(diǎn)，屏幕已不能正常成像，熱像儀像元被完全破壞。激光器停止出光后，熱像儀損壞且不能開(kāi)啟。

在Dv＝2km時(shí)的中等能見(jiàn)大氣條件下，10.6μm重頻10Hz，被輻照后熱像儀局部飽和，呈現(xiàn)不均勻光暈，連續(xù)輻照30秒恢復(fù)后熱像儀仍可正常成像。

5 結(jié)語(yǔ)

波長(zhǎng)為10.6μm，功率為50W的TEA－CO2激光器，在大氣條件良好情況下，可使10km處紅外熱像儀永久性損壞，說(shuō)明其能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱像儀的飽和閾值；激光器在中等能見(jiàn)度以上激光能量密度足以使紅外探測(cè)器飽和，在實(shí)際氣象條件下還需綜合考慮大氣溫度、濕度、微粒散射等對(duì)激光傳輸?shù)挠绊慬7]。

[1]葛成良，范國(guó)濱，梁正，等.單元紅外成像探測(cè)器的激光干擾實(shí)驗(yàn)研究[J].強(qiáng)激光與粒子束，2006（18）：25－30.

[2]車進(jìn)喜，張恒偉，王東.10.6μm CO2激光對(duì)非制冷紅外熱像儀飽和閾值的實(shí)驗(yàn)研究[J].激光與紅外，2010（8）：855－858.

[3]柯常軍，萬(wàn)重怡.紅外光電探測(cè)器的激光損傷分析[J].光學(xué)技術(shù)，2002（28）：118－122.

[4]宋海平，葉征宇，柯常軍.非制冷焦平面熱像儀獲取脈沖CO2激光光斑研究[J].激光與紅外，2004（6）：203－205.

[5]何康，陳翻，趙世明.激光對(duì)紅外成像反艦導(dǎo)彈的對(duì)抗能力分析[J].艦船電子工程，2012（11）：133－136.

[6]李振偉，劉班，楊勇.目標(biāo)測(cè)偏統(tǒng)計(jì)用于對(duì)成像制導(dǎo)的激光干擾效果分析[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2012（3）：17－21.

[7]張恒偉，冀翔，趙威，等.激光對(duì)紅外熱成像設(shè)備自動(dòng)增益控制電路的干擾效果[J].強(qiáng)激光與粒子束，EI CAS CSCD 2011（9）：2325－2328.