超連續(xù)譜激光對可見光跟瞄設(shè)備干擾實驗研究

范 瑜,程相正,邵 銘,劉 偉

(63891部隊,光電對抗測試評估技術(shù)重點實驗室,河南 洛陽 471000)

1 引 言

隨著光電技術(shù)[1-2]的飛速發(fā)展,各種光電探測器[3-5]與光電跟瞄裝備[6-7]層出不窮,極大拓展了人眼視覺范圍,廣泛應(yīng)用在偵察預(yù)警[8]、衛(wèi)星遙感、成像跟瞄[9]、精確制導(dǎo)[10]、靶場測量等軍事領(lǐng)域[11]。跟瞄設(shè)備成像技術(shù)在軍事上應(yīng)用廣泛,已用于搜索、跟蹤、制導(dǎo)[12]等多種領(lǐng)域[13-[14]。超連續(xù)譜激光具有傳統(tǒng)寬帶光源的寬光譜特性和激光光源的高空間相干性,是激光干擾的理想光源[15-16]。超連續(xù)譜激光[17-18]干擾作為國內(nèi)外迅速發(fā)展的一種新型激光干擾手段,其干擾機理不同于單波長激光。本文主要采用白光光纖激光器產(chǎn)生超連續(xù)譜激光輻照不同工作模式下的可見光成像跟瞄設(shè)備,分析比較不同工作模式下的實驗結(jié)果。

2 實驗系統(tǒng)布局及步驟

實驗選用白光光纖激光器對可見光成像跟瞄設(shè)備模擬器進(jìn)行干擾。白光光纖激光器的輸出波長范圍0.45～1.2 μm,光譜平坦度6.4 dB@0.50～1.05 μm,重復(fù)頻率200.0 kHz,脈沖寬度5.6 ns,出光口光斑直徑8.9 mm,功率不穩(wěn)定性0.5 %。可見光成像跟瞄設(shè)備模擬器CCD探測器分辨率1280×1280,光學(xué)系統(tǒng)焦距21 mm,光闌孔徑約4 mm,干擾激光器距離跟瞄設(shè)備18.165 m。實驗布局如圖1所示,合作目標(biāo)置于白光光纖激光器旁,可見光成像跟瞄設(shè)備對合作目標(biāo)進(jìn)行捕獲跟蹤。在激光器出口處加光闌,經(jīng)激光分束器分光,激光分束器將一路激光導(dǎo)入激光功率計進(jìn)行功率監(jiān)測,另一路激光對可見光成像跟瞄設(shè)備進(jìn)行直瞄式干擾,圖像采集處理系統(tǒng)實時采集和存儲跟瞄設(shè)備的輸出圖像。該實驗通過改變白光光纖激光器輸出功率,完成了對可見光成像跟瞄設(shè)備全透、抗1.06 μm干擾等模式的輻照實驗。

圖1 白光光纖激光器對可見光成像跟瞄設(shè)備干擾實驗布局圖

3 實驗結(jié)果分析及歸納

3.1 全透模式下的干擾實驗

可見光成像跟瞄設(shè)備工作在全透模式,即未加窄帶濾光片,光譜響應(yīng)范圍為0.45～1.2 μm。成像跟瞄設(shè)備采用邊緣跟蹤算法,首先工作在線性工作區(qū)狀態(tài),隨著激光發(fā)射功率的增加,探測器處在點飽和狀態(tài),此時跟瞄設(shè)備仍能夠穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。當(dāng)跟瞄設(shè)備入瞳處輻射功率密度進(jìn)一步增大時,無法正常跟蹤目標(biāo)。

實驗時,當(dāng)入瞳激光功率密度為4.9×10-2W/cm2時,跟瞄設(shè)備探測器飽和像素個數(shù)約為43,此時跟瞄設(shè)備探測器處在飽和狀態(tài)下,激光光斑如圖2(a)所示,圖中央的白色亮點即為激光光斑中較強部分的像點。圖2(b)表示該狀態(tài)下三維能量分布情況,z軸表示光斑區(qū)域的灰度值。此時,目標(biāo)與干擾光斑存在一定的位置偏差,如圖2(c)所示,干擾光斑小于目標(biāo)且無法覆蓋目標(biāo),跟瞄設(shè)備仍能穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

圖2 全透模式穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)下激光光斑成像及三維能量分布圖

逐漸增大激光功率,當(dāng)入瞳激光功率密度為1.7×10-1W/cm2時,跟瞄設(shè)備能夠跟蹤目標(biāo),但無法穩(wěn)定跟蹤,處于跟蹤狀態(tài)臨界。此時,跟瞄設(shè)備探測器飽和像素個數(shù)約為1610,此時成像跟瞄設(shè)備探測器處在中度飽和狀態(tài),激光光斑如圖3(a)所示,圖3(b)表示該狀態(tài)下三維能量分布情況,圖3(c)為合作目標(biāo)與干擾光斑位置關(guān)系。從圖中可以看出,干擾光斑遠(yuǎn)大于目標(biāo),目標(biāo)處于干擾光斑的邊緣,跟瞄設(shè)備無法穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

圖3 全透模式臨界跟蹤狀態(tài)下激光光斑成像及三維能量分布圖

隨著入瞳激光功率的增加,跟瞄設(shè)備探測器光斑面積隨之增大,跟瞄設(shè)備無法跟蹤目標(biāo),光斑的能量分布圖橫截面積進(jìn)一步增大。由于跟瞄設(shè)備成像探測器主要用于遠(yuǎn)距離信號檢測,其靈敏度較高,即使在激光功率未造成探測器損傷也可對其構(gòu)成干擾。點飽和時,飽和像元數(shù)為40個左右,在中度飽和情況下,飽和像元個數(shù)已經(jīng)增大到約1500個左右,跟瞄設(shè)備已經(jīng)無法穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。若在遠(yuǎn)距離進(jìn)行干擾,由于光學(xué)系統(tǒng)衍射等原因,飽和像元數(shù)量會進(jìn)一步增大。

根據(jù)弗朗和費衍射規(guī)律,經(jīng)推導(dǎo)可得飽和光斑半徑r為:

(1)

式(1)中,P為入瞳激光功率密度;λ為入射激光波長;α為與成像探測器材料、工藝等相關(guān)的系數(shù),f為光學(xué)系統(tǒng)焦距;F為光學(xué)系統(tǒng)F#;Eth為探測器飽和閾值。

假設(shè)探測器單個像素(像元)面積為Sd,則飽和像素個數(shù)N為:

(2)

對式(2)等號兩邊分別取對數(shù)得到式(3):

lg(N)=2αlg(P)+2α[lg(λ)+2lg(f)-lg(8Fπ2Eth)]+lg(π)-lg(Sd)

(3)

式中,除N,P外其余各項均為常數(shù),從式(3)可以看出,飽和像素個數(shù)對數(shù)值與入射功率對數(shù)值之間呈線性關(guān)系。

處理實驗數(shù)據(jù),可得如圖4所示的飽和像素個數(shù)與激光發(fā)射功率的關(guān)系。其中,縱坐標(biāo)采用飽和像素個數(shù)的對數(shù)作為縱軸,橫坐標(biāo)采用入瞳激光功率密度的對數(shù)作為橫軸,擬合得到直線方程lg(N)=3.07524×lg(P)+5.4749,擬合系數(shù)0.97432。其中擬合系數(shù)越接近1,說明擬合程度越好,反之,說明直線的擬合程度越差。

圖4 全透模式下飽和像素個數(shù)與發(fā)射功率的關(guān)系及對應(yīng)擬合曲線

3.2 抗1.06 μm干擾模式下的干擾實驗

可見光成像跟瞄設(shè)備工作在抗1.06 μm干擾模式時,跟瞄設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)加載1.06 μm窄帶陷波濾光片,對1060 nm±10 nm波段的激光透過率較低,從而達(dá)到抗1.06 μm單波長激光干擾的目的。

實驗時,當(dāng)輻照激光功率密度在2.8×10-2W/cm2時,跟瞄設(shè)備探測器飽和像素個數(shù)約為2個,此時跟瞄設(shè)備探測器處在點飽和狀態(tài)下,激光光斑如圖5(a)所示,圖中央的白色亮點即為激光光斑中較強部分的像點。圖5(b)表示該狀態(tài)下三維能量分布情況。此時,飽和光斑很小,跟瞄設(shè)備能夠穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

圖5 抗1.06 μm模式穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)下激光光斑成像及三維能量分布圖

進(jìn)一步增大激光功率,當(dāng)入瞳激光功率密度為1.7×10-1W/cm2時,跟瞄設(shè)備能夠跟蹤目標(biāo),但無法穩(wěn)定跟蹤,處于跟蹤狀態(tài)臨界。此時,跟瞄設(shè)備探測器飽和像素個數(shù)約為1473個,此時成像跟瞄設(shè)備探測器處在中度飽和狀態(tài),激光光斑如圖6(a)所示,圖6(b)表示該狀態(tài)下三維能量分布情況,圖6(c)為合作目標(biāo)與干擾光斑位置關(guān)系。對比圖3、圖6以及跟蹤狀態(tài)可知,超連續(xù)譜激光對全透模式和抗1.06 μm干擾模式的跟瞄設(shè)備干擾效果相當(dāng),這是因為跟瞄設(shè)備抗1.06 μm干擾模式加載1.06 μm窄帶陷波濾光片,對1060 nm±10 nm波段的激光透過率較低,而超連續(xù)譜具有較寬的光譜特性,在0.45～1.2 μm波段范圍內(nèi)均具有光譜激光輸出。由于陷波濾光片帶通較窄,半波寬一般為10nm,因此超連續(xù)譜激光對采用這種抗干擾體制的跟瞄設(shè)備和全透的跟瞄設(shè)備干擾效果相當(dāng)。

圖6 抗1.06 μm模式臨界跟蹤狀態(tài)下激光光斑成像及三維能量分布圖

隨著入瞳激光功率的增加,跟瞄設(shè)備探測器光斑面積隨之增大,跟瞄設(shè)備無法跟蹤目標(biāo),光斑的能量分布圖橫截面積進(jìn)一步增大。依據(jù)式(3),處理實驗數(shù)據(jù)可得如圖7所示的飽和像素個數(shù)與激光發(fā)射功率的關(guān)系,其中縱坐標(biāo)采用飽和像素個數(shù)的對數(shù)作為縱軸,橫坐標(biāo)采用入瞳激光功率密度的對數(shù)作為橫軸,擬合得到直線方程lg(N)=3.59956×lg(P)+5.94188,橫坐標(biāo)單位W/cm2,擬合系數(shù)0.99403。

圖7 抗1.06 μm模式下飽和像素個數(shù)與發(fā)射功率的關(guān)系及對應(yīng)擬合曲線

3.3 實驗結(jié)果及分析

可見光成像跟瞄設(shè)備工作在全透模式,輻照激光功率密度為4.9×10-2W/cm2,跟瞄設(shè)備探測器呈現(xiàn)飽和但仍能跟蹤目標(biāo);入瞳功率密度為1.7×10-1W/cm2時,跟瞄設(shè)備探測器呈現(xiàn)中度飽和,但無法穩(wěn)定跟蹤,處于跟蹤臨界狀態(tài)。

可見光成像跟瞄設(shè)備工作在抗1.06 μm干擾模式,輻照激光功率密度為2.8×10-2W/cm2,跟瞄設(shè)備探測器呈現(xiàn)點飽和,能夠穩(wěn)定跟蹤目標(biāo);入瞳功率密度為1.7×10-1W/cm2時,跟瞄設(shè)備探測器呈現(xiàn)中度飽和,但無法穩(wěn)定跟蹤,處于跟蹤臨界狀態(tài)。

對比超連續(xù)譜激光對可見光成像跟瞄設(shè)備全透模式和抗1.06 μm干擾模式下的實驗結(jié)果可知,超連續(xù)譜激光對這兩種模式的跟瞄設(shè)備干擾效果相當(dāng);相比1.06 μm單波長激光,超連續(xù)譜激光能夠有效對抗鍍有截止膜的可見光成像跟瞄設(shè)備。

4 結(jié) 語

本文主要采用白光光纖激光器產(chǎn)生超連續(xù)譜激光,對不同模式下的可見光成像跟瞄設(shè)備進(jìn)行輻照,得到了不同工作模式下跟瞄設(shè)備探測器干擾閾值數(shù)據(jù),通過擬合得到了探測器飽和像元數(shù)與干擾激光功率密度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,并對跟瞄設(shè)備不同工作模式下的實驗結(jié)果進(jìn)行了分析比較。實驗結(jié)果對超連續(xù)譜激光干擾裝備的論證、設(shè)計具有一定的參考意義。