激光告警設(shè)備發(fā)展的新思路

彭 晨

(中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047)

0 引 言

激光告警技術(shù)隨著激光技術(shù)的發(fā)展而飛速發(fā)展，由早期的粗方位識別型向精方位識別型發(fā)展，由早期的單一波段、單一信號形式向多波段、多信號形式發(fā)展。簡言之，激光告警設(shè)備的發(fā)展就是更高的角度分辨率，更優(yōu)的接收靈敏度，更復(fù)雜的信號形式，更小的體積、功耗，更快的反應(yīng)時間等。本文從激光告警設(shè)備偵收信號的特征及變化，思考如何有效利用這些信息，從而提取分析出更多有用信息。

1 激光告警設(shè)備發(fā)展趨勢

早期出現(xiàn)的激光告警設(shè)備主要用來保護陸軍戰(zhàn)車，由數(shù)個單元光電探測器構(gòu)成陣列拼接視場組成，設(shè)備的角度分辨率較低。粗略的告警方位決定了光電對抗的手段為發(fā)射煙霧彈遮擋光路，同時戰(zhàn)車進行規(guī)避動作。隨著需要光電防護的平臺由陸軍戰(zhàn)車變化為海軍艦船，艦載激光告警設(shè)備需包含數(shù)個激光告警探頭，大大增加的設(shè)備量使設(shè)備的接收靈敏度指標和角度分辨率指標均有所提高；其防護面積也大大提高。其光電對抗手段仍為發(fā)射煙霧彈遮擋光路，同時艦船進行規(guī)避動作。艦船光電對抗手段的發(fā)展也促進了艦船激光告警設(shè)備的發(fā)展，艦載有源光電對抗對艦船激光告警設(shè)備提出了新的要求，即角度分辨率達到可引導(dǎo)有源光電對抗設(shè)備進行有源干擾的精度要求應(yīng)運而生，出現(xiàn)了高分辨率艦船激光告警設(shè)備。

上述發(fā)展均圍繞著提高角度分辨率、提高靈敏度及增大防護面積而進行。激光告警設(shè)備對偵收到激光信號的處理仍停留在簡單的判斷通道有無以及多通道信號有無的融合處理。即便提高了激光告警設(shè)備的接收靈敏度，在經(jīng)過閾值比較轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后的處理也還是判斷通道有無以及多通道信號有無的簡單融合處理。

2 激光告警設(shè)備發(fā)展新思路

2.1 發(fā)展對偵收激光信號幅度的處理能力

以往對偵收激光信號的處理為設(shè)定一定的閾值，對超過閾值的信號進行數(shù)字化后輸出數(shù)字信號，丟失了重要的激光信號幅度信息。

采用窄脈沖峰值保持電路結(jié)合AD采樣電路對偵收激光信號幅度進行采集處理。通過將放大電路升級為可控增益放大電路，從而保證了激光告警設(shè)備可以大動態(tài)范圍地偵收激光信號，并對信號進行幅度采集處理。

假定激光在大氣中的傳播是遵守幾何光學(xué)規(guī)律的：大氣是均勻的、各向同性的；激光光束內(nèi)的能量分布是近似均勻的或至少是軸對稱的；設(shè)激光源發(fā)射每個脈沖的能量為Et，峰值功率為Pt，光學(xué)系統(tǒng)出射光束的束散角為θt，激光能量通過大氣單位長度的衰減系數(shù)為μ，則不難得到在距離R處激光光斑單位面積的激光能量為[1]：

(1)

在距離R處激光光斑單位面積的激光峰值功率為：

(2)

根據(jù)偵收到的單個激光信號幅度，結(jié)合可控增益放大電路的增益，可推測偵收激光信號的峰值功率Pr，已知設(shè)備光電探測器光敏元面積Ar，則存在如下關(guān)系式：

(3)

結(jié)合常規(guī)對抗激光源的參數(shù)信息，可對對抗激光源的主要參數(shù)Pt和θt進行預(yù)設(shè)。假設(shè)Pt=10 MW，θt=2 mrad。大氣衰減系數(shù)μ=0.12/km(標準晴朗)，Ar=0.25×10-6πm2。將上述參數(shù)代入公式(3)后，采用MATLAB軟件作出Pr與R的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 Pr與R的關(guān)系曲線圖

根據(jù)圖1的曲線可以通過Pr的值判斷對抗激光源的距離R。由于對抗激光源的參數(shù)為預(yù)設(shè)值，并且大氣衰減系數(shù)也是選取的標準值，同時考慮設(shè)備測量來襲激光信號峰值功率的誤差，所以只能預(yù)估對抗激光源與激光告警設(shè)備的大致距離信息。為了得到更為精確的信息，需要進一步引導(dǎo)其它電子偵察設(shè)備對該方位、該大致距離區(qū)域進行重點偵察。

因為來襲激光信號峰值功率與設(shè)備偵收到的激光信號的幅度值存在正比例關(guān)系，根據(jù)偵收到的多個激光信號幅度，將多個信號幅度進行相關(guān)比較處理：如果多個信號幅度大致相當或變化緩慢，則可認為該對抗激光源為定目標或者低速移動目標；如果多個信號幅度逐漸變大或逐漸變小，則可認為該對抗激光源為移動目標，并且得到對抗激光源目標的關(guān)鍵信息，即目標與激光告警設(shè)備的相對距離的變化，從而判斷出對抗激光源目標是逼近激光告警設(shè)備，還是遠離激光告警設(shè)備。進一步根據(jù)信號幅度隨時間的變化率可對應(yīng)對抗激光源與設(shè)備的距離隨時間的變化率，即預(yù)估對抗激光源目標移動速度。

2.2 發(fā)展對偵收激光信號的時域處理能力

以往對偵收激光信號的時域處理為根據(jù)偵收激光信號的時間間隔和重復(fù)頻率解算激光信號的編碼和重頻，其時間處理精度約為0.1 μs。該精度對于解算激光信號的編碼和重頻是沒有問題的。但是為了從偵收激光信號時域特征得到更多的信息，則需要更高的時間處理精度。

采用高精度時間處理芯片將時間處理精度提高到ns級別或者0.1 ns級別，對偵收激光信號的到達時刻進行較高精度的測量。將偵收多個激光信號的到達時刻在時域上進行排序，分析其間隔變化，可預(yù)估對抗激光源的運動變化情況。其可分為2種情況：一種為單一通道偵收的激光信號時序；一種為設(shè)備多個通道偵收的激光信號時序。編碼信號是一定的信號序列以一定的頻率進行重復(fù)，故也可作為重頻信號進行分析。

(1) 單一通道偵收的激光信號時序分析

首先，由單一通道偵收的激光信號可分析認為對抗激光源指向不變。然后根據(jù)偵收激光信號的時間間隔變化，基于多普勒效應(yīng)可以分析出對抗激光源與激光告警設(shè)備的距離是否變化，是逼近還是遠離激光告警設(shè)備，根據(jù)其變化率可分析出對抗激光源的移動速度。

重頻激光信號的多普勒效應(yīng)如圖2所示。激光源S以一定的重復(fù)頻率f向激光告警設(shè)備O發(fā)射激光信號，激光信號以光速c向激光告警設(shè)備移動，同時激光源S與激光告警設(shè)備以相對速度Vs靠近，則激光告警設(shè)備收到的激光信號的重復(fù)頻率發(fā)生變化。

圖2 重頻激光信號多普勒效應(yīng)圖

如圖2所示，由于激光源與激光告警設(shè)備的相對運動，造成了激光源在不同時刻發(fā)出的激光信號經(jīng)過的路程在不斷的變化，所以激光告警設(shè)備收到的激光信號頻率將發(fā)生變化。激光告警設(shè)備收到的激光信號頻率為[2]：

(4)

公式(4)是針對激光源與激光告警設(shè)備在一條直線上的相對移動情況，vs與光速c相比，Vs/c?1，則由激光告警設(shè)備收到的多普勒頻率近似為：

(5)

(2) 設(shè)備多通道偵收的激光信號時序分析

首先，由多通道偵收的激光信號可分析認為對抗激光源指向變化。

圖3 激光源單獨移動情況圖

激光源單獨移動的情況如圖3所示。圖3中，θs是與激光源S到激光告警設(shè)備O的方向有關(guān)的一個角度，在t1和t2發(fā)射激光信號的2個連續(xù)脈沖波峰之間的時間間隔如下式所示：

(6)

式中：γ=1/(1-vs2/c2)1/2，代表相對論時間膨脹的一個因子；c為光的傳播速度；f為激光源發(fā)射激光信號的重頻。

激光告警設(shè)備偵收到激光源發(fā)射的激光信號的2個連續(xù)脈沖波峰之間的時間間隔如下式所示：

(7)

則激光告警設(shè)備偵收的激光信號頻率如下式所示：

(8)

激光源與激光告警設(shè)備均移動的情況如圖4所示。

圖4 激光源與設(shè)備均移動情況圖

激光源與激光告警設(shè)備如圖4所示，在二維情況下移動，則激光告警設(shè)備偵收到的激光信號頻率如下所示：

(9)

如圖4所示，θs與θo分別為在激光信號被發(fā)射時刻激光源移動的角度和激光告警設(shè)備移動的角度。而給定了激光源與激光告警設(shè)備之間的相對運動速度v，則激光告警設(shè)備偵收激光信號的頻率如下式所示：

(10)

式中：β=v/c，v與光速c相比，v/c?1，則由激光告警設(shè)備收到的多普勒頻率近似為：

(11)

公式(11)與公式(5)相似，分別表示相對論多普勒頻率與經(jīng)典多普勒頻率。

根據(jù)信號重復(fù)頻率f與信號周期T的關(guān)系，將f=1/T代入公式(11)得：

T′=(1?v/c)T

(12)

假設(shè)對抗激光源的重復(fù)頻率f為20 Hz，則時間間隔T為50 ms。以光速c=3×108m/s為例，通過測量偵收激光信號的時序間隔分析對抗激光源的運動信息。

將上述參數(shù)代入公式(12)后，采用MATLAB軟件作出T′與v的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 T′與v的關(guān)系曲線圖

根據(jù)圖5的曲線可以通過T′的值判斷對抗激光源與激光告警設(shè)備的相對移動速度v，以及對抗激光源與激光告警設(shè)備的相對移動方向(遠離還是逼近)。由于對抗激光源的重頻參數(shù)為預(yù)設(shè)值，同時考慮設(shè)備測量來襲激光信號時間間隔的誤差，所以只能預(yù)估對抗激光源與激光告警設(shè)備的大致相對速度信息。

2.3 擴展激光告警設(shè)備主動偵察能力

以往激光告警設(shè)備均作為被動防御偵察設(shè)備，不具有主動偵察能力。為了發(fā)展激光告警設(shè)備的主動偵察能力，可將基于“貓眼”效應(yīng)的激光主動偵察設(shè)備或者激光雷達與激光告警設(shè)備結(jié)合構(gòu)成光電偵察系統(tǒng)。

激光主動偵察設(shè)備通常由高重頻激光器、激光發(fā)射和接收系統(tǒng)、光束掃描系統(tǒng)和信號處理器組成。激光主動偵察設(shè)備利用高重頻的激光束對偵察的區(qū)域進行掃描，在掃描到光學(xué)和光電子設(shè)備時，由于其“貓眼”效應(yīng)，對入射激光產(chǎn)生的后向反射光比漫反射目標強得多，因此，通過對回波信號幅度特性分析，抑制掉漫反射目標的回波信號，達到偵察光學(xué)和光電子設(shè)備的目的。目前，主要采用距離控制增益、探測閾值或靈敏度實現(xiàn)“貓眼”目標的識別[3]。

激光雷達是利用激光對隱身目標進行探測與搜尋的裝置，它工作在近紅外和可見光波段。由于目前隱身目標主要針對雷達波和紅外線采取隱身措施，它們對可見光和接近可見光的近紅外波段沒有明顯的隱身效果，再加上激光雷達波長短、波束寬、光束質(zhì)量高、定向性強、測量精度高、分辨率高，對目標具有識別、姿態(tài)顯示和軌道記錄等功能，因此激光雷達能有效地探測隱身目標。激光雷達因其工作波長僅為微波雷達的萬分之一到千分之一，所以它比微波雷達的測量精度高，分辨率好，抗干擾能力強，且體積小；尤其是當它采用小口徑天線低仰角工作時，能跟蹤低空和超低空飛行的隱身飛機[4]。

2.4 發(fā)展激光告警設(shè)備多平臺組網(wǎng)融合處理能力

以往激光告警設(shè)備作為平臺電子戰(zhàn)系統(tǒng)的一員，其偵收激光信號經(jīng)過處理后，形成激光告警信息上報系統(tǒng)。由系統(tǒng)根據(jù)告警信息決策對抗方式及措施。平臺之間未將激光告警信息共享，仍然各自為戰(zhàn)，不能形成有效合力。

隨著激光告警設(shè)備裝備量的大幅提高，平臺之間通信技術(shù)能力飛躍發(fā)展，平臺電子戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)發(fā)展激光告警信息組網(wǎng)融合處理能力。由多平臺中負責(zé)指揮的平臺作為網(wǎng)絡(luò)融合中心平臺，其他平臺均作為網(wǎng)絡(luò)分支節(jié)點。各網(wǎng)絡(luò)分支節(jié)點平臺將激光告警信息通過各平臺之間的通信鏈路上報給網(wǎng)絡(luò)融合中心，由網(wǎng)絡(luò)融合中心將激光告警信息融合處理，為指揮平臺提供大范圍的激光威脅態(tài)勢感知能力。

3 結(jié)束語

本文論述了激光告警設(shè)備發(fā)展的幾個新思路。不同于以往激光告警設(shè)備向更高靈敏度、更高角度分辨率的方展方向，本文著眼于從激光告警設(shè)備偵收信號的特征及變化提取分析出更多有用信息，思考如何挖掘激光告警設(shè)備本身的能力，發(fā)展平臺之間如何協(xié)同利用激光告警設(shè)備，對激光告警設(shè)備的發(fā)展和設(shè)計新型激光告警設(shè)備有一定的指導(dǎo)意義。