激光對星載相機的干擾能力研究

邵 銘,程相正,康華超,康大勇,胡啟立

(1.中國洛陽電子裝備試驗中心,河南 洛陽 471003；2.光電對抗測試評估技術(shù)重點實驗室,河南 洛陽 471003)

1 引 言

近年來,隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展,利用激光對光學(xué)成像衛(wèi)星實施干擾引起了廣泛的重視[1-5]。光學(xué)成像衛(wèi)星的成像系統(tǒng)作為衛(wèi)星的“視覺系統(tǒng)”,由于具有較大的光學(xué)增益,因此激光輻照衛(wèi)星后極易造成有效干擾。一旦激光輻照到衛(wèi)星的載相機,會使星載相機的探測器像元達到飽和。當(dāng)干擾光能量足夠強時,可形成一定區(qū)域的星像元飽和,從而在像面上形成干擾光斑,使星載相機無法偵察被干擾光斑的覆蓋區(qū)域,干擾光斑投影到地面的所占區(qū)域即為防護面積,此防護面積的大小反映了激光對衛(wèi)星的干擾能力。

在實際應(yīng)用中,激光能否對星載相機實施有效干擾以及干擾效果如何取決于多種因素,例如星載相機光電探測器靈敏度、星載相機光學(xué)系統(tǒng)增益、激光器發(fā)射參數(shù)、大氣傳輸條件、跟瞄精度、干擾距離和干擾時機等。因此,激光干擾衛(wèi)星是一個涉及多種因素影響的綜合作用過程。本文利用常用的工程計算模型,對激光干擾星載相機后,星載衛(wèi)星相機受到干擾后的地面防護效果進行了估算,并對影響防護面積的因素進行了分析和研究。

2 理論模型

2.1 激光干擾遠場功率密度估算

按照常用的工程計算模型,假設(shè)干擾激光經(jīng)過地天大氣傳輸,到達目標(biāo)衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)前的激光光斑為均勻光斑,則激光干擾設(shè)備發(fā)射的激光到達目標(biāo)衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)入瞳處的平均功率密度為[6-9]:

(1)

式中,P0為干擾激光出光功率;τ0為對應(yīng)傳輸路徑大氣透過率(利用CART、LOWTRAN等軟件根據(jù)不同氣象條件進行計算);L為干擾距離;θ為光束發(fā)散角。

激光干擾設(shè)備布設(shè)位置與目標(biāo)衛(wèi)星的幾何位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 干擾布設(shè)位置與光學(xué)成像衛(wèi)星位置幾何關(guān)系圖

根據(jù)圖1中幾何關(guān)系,經(jīng)推導(dǎo)可得,當(dāng)目標(biāo)衛(wèi)星軌道高度為H時,發(fā)射仰角為α對應(yīng)的激光傳輸距離即干擾距離為:

(2)

式中,R為地球半徑;H為跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星軌道高度;α為激光發(fā)射仰角。將公式(2)代入公式(1)可得激光干擾設(shè)備發(fā)射的激光到達目標(biāo)衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)入瞳處的平均功率密度為:

(3)

在測得干擾激光出光功率與光束發(fā)散角的基礎(chǔ)上,利用CART、LOWTRAN等軟件計算激光傳輸路徑的大氣透過率,由公式(3)可得干擾激光遠場功率密度與激光發(fā)射仰角以及目標(biāo)衛(wèi)星高度的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 地面防護效果的估算

星載相機探測器的飽和像元數(shù)與到達探測器的功率密度相關(guān),為了實現(xiàn)激光對星載探測器的干擾,要求到達探測器光敏處的激光功率密度滿足:

P′

(4)

式中,P′為探測器的飽和閾值;P″為探測器的損傷閾值。到達探測器光敏處的激光功率密度滿足公式(4),則探測器處于飽和狀態(tài),具有一定的干擾效果。

根據(jù)學(xué)者開展的大量的激光對成像光電探測器的干擾閾值實驗,可以得到當(dāng)星載相機探測器達到飽和后,其飽和干擾像元數(shù)與入瞳處的激光功率密度通常滿足[10-13]:

lg(N)=A×lg(P)+B

(5)

式中,N為飽和干擾像元數(shù);P為入瞳處的激光功率密度;A、B為擬合系數(shù)。

在地面防護效果估算時,通過大量的地面干擾試驗,獲得激光到達星載相機光學(xué)系統(tǒng)前功率密度與星載相機探測器飽和像元數(shù)的擬合關(guān)系式(5),并利用式(3)可得到干擾激光出光功率為P0時對應(yīng)的飽和干擾像元數(shù)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)幾何關(guān)系即可算出干擾激光對目標(biāo)衛(wèi)星相機的防護面積:

(6)

式中,S為防護面積;N為飽和干擾像元數(shù);Ad為目標(biāo)衛(wèi)星在干擾距離處的地面分辨率;α為干擾激光干擾仰角。

3 仿真計算結(jié)果

根據(jù)以上理論模型,假設(shè)干擾激光的輸出功率為200 W,干擾波長為0.532 μm,干擾激光發(fā)散角為80 μrad,地球半徑取6371 km,按照上述模型對干擾激光的地面防護面積進行估算。

3.1 對處于不同軌道高度星載相機的防護面積

目前實際在軌的光學(xué)成像衛(wèi)星一般運行在太陽同步軌道,軌道高度通常在300 km～900 km。為獲得最大的地面分辨能力,一般采取垂直下視偵察,也可將光學(xué)鏡頭側(cè)擺某一角度,對軌道星下點的附近區(qū)域進行偵察,其地面分辨率一般為0.1～10 m,甚至幾十米。對光學(xué)成像衛(wèi)星來說,軌道高度越高,則相同條件下到達衛(wèi)星相機光學(xué)系統(tǒng)前的干擾激光功率密度越小,但同時由于衛(wèi)星相機地面分辨率變大,相同飽和干擾像元數(shù)對于的防護面積變大,因此防護面積應(yīng)為兩者的綜合效果。圖2給出了激光發(fā)射仰角為90°,大陸地區(qū)平均大氣條件下,激光干擾不同軌道高度星載相機的防護面積。從圖2中可以看出,在其他參數(shù)相同的條件下,隨著衛(wèi)星軌道高度增加,盡管相機地面分辨率也逐漸增加,但影響防護面積的主要因素是到達衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)前的功率密度,其變化程度遠遠大于了地面分辨率變化帶來的影響,致使防護面積逐漸減小。另外,該圖還給出了不同能見度條件下衛(wèi)星處于不同軌道高度的防護面積。從圖2中可以看出,對于同一軌道高度的衛(wèi)星,隨著大氣能見度的減小,防護面積也迅速減小。

圖2 對處于不同軌道高度星載相機的防護面積

3.2 干擾激光處于不同干擾仰角條件下的防護面積

要實現(xiàn)激光對衛(wèi)星過境時段的全時段干擾,就需要干擾激光在較低仰角至衛(wèi)星過頂時全程進行干擾。由于此時激光發(fā)射仰角不同,導(dǎo)致干擾激光傳輸?shù)木嚯x和路徑不同,激光斜程傳輸大氣透過率不同,從而致使防護面積也隨之變化。當(dāng)衛(wèi)星軌道高度一定時,激光發(fā)射仰角越低,則激光大氣透過率越低,到靶功率密度越低,有效的飽和干擾像元數(shù)越少,但此時衛(wèi)星地面分辨率增加,因此防護面積取決于大氣透過率、干擾仰角以及地面分辨率的綜合影響。圖3給出了軌道高度為600 km、不同激光發(fā)射仰角條件下干擾距離和防護面積的變化情況,反映了從較低仰角至目標(biāo)衛(wèi)星過頂時防護面積的變化。從圖3中可以看出,隨著干擾仰角的增加,干擾距離的減小,對星載相機的防護面積逐漸增大；同時在能見度較高的條件下,其防護面積變化不大,大氣傳輸透過率的變化相對緩慢是主要原因。

圖3 干擾激光處于不同干擾仰角條件下的防護面積

3.3 不同大氣湍流條件下的防護面積

(7)

由于干擾激光經(jīng)過地天大氣傳輸后,干擾光斑遠遠大于星載相機口徑,因此在星載相機處的功率密度相當(dāng)于某一采樣點的隨機值,計算時采用對一定精度范圍內(nèi)的光斑進行采樣的方式,對到達星載相機光學(xué)系統(tǒng)前的功率密度進行仿真,定義干擾激光累積概率為采樣的干擾激光功率密度值大于該值的概率。圖4給出了能見度23 km、軌道高度600 km、中等湍流條件下,干擾激光累積概率分別為50 %、70 %、90 %,在不同干擾仰角下的防護面積。從圖中可以看出,在干擾仰角相同的條件下,干擾激光累積概率越大,對應(yīng)的防護面積越小；在相同的干擾激光積累概率條件下,干擾仰角越大,防護面積越大,這與前文的分析也一致。圖5給出了大氣條件分別為弱湍流、中湍流和強湍流條件下不同干擾激光累積概率的防護面積,可以看出大氣湍流嚴(yán)重影響了到靶功率密度,進而影響到了防護面積。

圖4 不同干擾激光累積概率條件下的防護面積

圖5 不同湍流條件下的防護面積

4 結(jié) 論

在實際應(yīng)用中,要實現(xiàn)對星載相機的有效干擾,一方面需要考慮衛(wèi)星軌道高度、地面分辨率、星載探測器靈敏度等因素,另一方面還要考慮干擾激光器的發(fā)射功率、發(fā)散角、發(fā)射仰角,跟蹤精度等,另外還要考慮干擾時的大氣湍流、氣象條件等。不同的干擾條件會產(chǎn)生不同的干擾結(jié)果,對最終的干擾效果會產(chǎn)生較大的影響。本文從工程理論模型出發(fā),對激光有效干擾星載相機的影響因素進行了分析和估算,計算結(jié)果對類似激光干擾設(shè)備的使用和干擾時機的選擇具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。