激光紅外主被動復合導引系統

王 銳

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所

激光與物質相互作用國家重點實驗室，吉林長春130033)

1 引言

導引頭是精確制導武器的核心部件。它的主要作用是利用接收到的目標輻射或反射的某種特征能量探測目標，測量目標與彈體的相對運動參數，確定目標和導彈的相對位置，最終形成指令控制導彈飛向目標。由于制導精度高、抗干擾能力強、命中概率高，尋的式制導技術已成為導彈制導技術發展的重要方向之一。目前，尋的式導引頭的種類有很多，例如，電視成像制導、紅外點源制導、紅外成像制導、激光雷達制導、微波雷達制導、毫米波雷達制導等。制導方式不同，其各自具有的優缺點不同。從制導技術的發展方向看，成像制導由于可以對目標進行成像和識別，具有抗誘餌欺騙能力，因此，逐漸成為尋的式制導技術的主要發展趨勢。

目前，長波紅外成像制導廣泛應用于地對地導彈的導引系統中，并在實戰中體現了較好的作戰效能。但隨著戰場情況的復雜化及紅外隱身技術的發展，單一的長波紅外導引體制在瞬息萬變的戰場條件下越來越顯得力不從心。由于其探測體制是依據目標與背景的溫度差異進行成像的，在周圍環境溫度變化或目標采用紅外隱身措施時，圖像對比度會嚴重下降，直接影響到后期對于目標的有效識別及準確打擊。為了解決這一問題，本文提出了一種激光三維成像導引復合被動紅外成像導引的導引體制，該體制充分發揮了被動紅外成像導引作用距離遠、搜索范圍大的優勢，以及激光三維成像導引環境適應性好，對紅外隱身目標能夠進行高對比度探測的特點［1］，可大幅提升現有地對地導彈的作戰效能。

2 國內外研究現狀

復合導引技術作為提升導彈識別鎖定目標能力的有效手段，一直以來受到各國研究人員的關注，其中雙模復合導引體制的研究始于20世紀70年代。早期的雙模導引頭以紅外/紫外復合導引為主，美國的“尾刺”防空導彈、前蘇聯的SA-13等都采用這種復合導引技術。近年來，隨著光學導引技術的不斷發展，導引體制的不斷創新，復合導引技術的組合方式也開始多元化。例如，德國的Diehl BGT Defense(Diehl BGT防御中心)提出了紅外/激光雷達高精度導引技術［2-3］，并成功應用于防空及反導攔截領域，真正實現了自主式導引，并大幅提升了自動目標識別能力［2-3］。其導引流程如下:被動紅外導引系統在大視場范圍內對各疑似目標進行初步判別，并將判別結果提交給激光雷達，激光雷達系統根據各疑似目標的位置信息，發射高功率激光束對目標進行主動照明，并對回波信號進行圖像采集，所采用的探測器為陣列形式的微光探測器，可在極短的積分時間內實現對于目標三維信息的有效獲取。激光器集成在導彈的其他位置，并通過光纖連接發射系統，使得整套導引系統結構更為緊湊。

在激光三維成像方面，美國也取得了較大的進展。早在2004年，美國空軍就成功研制出了像元數達到32×32的GaInAs APD陣列探測器，響應波段為1.5 μm，結構及測距精度優于15 cm。圖1給出了該探測器的成像效果［4］。

圖1 美國空軍實驗室成像系統探測器Fig.1 Imaging system detector of the US Air Force Laboratory

2008年，波音公司的光譜實驗室利用32×32的Geiger探測器陣列研制了一套激光三維成像系統［5］，激光器波段為 1.06 μm，單脈沖能量為3 μJ，脈沖寬度為1.5 ns。圖2給出了該系統的結構及成像效果。

圖2 光譜實驗室激光三維成像系統及成像結果Fig.2 Laser 3D imaging system and imaging results of the spectral laboratory

目前，國內在復合導引及激光三維成像方面還處于理論研究階段，并未出現系統級的原理樣機，工程應用道路漫長。

3 系統組成、原理及功能

3.1 總體設計指標

為了滿足彈載環境下的使用要求，整套導引系統的設計理念建立在體積小、重量輕、功耗低的基礎上。具體的設計指標如表1所示。

表1 復合導引系統設計指標Tab.1 Design index of compound guided system

為了滿足空地導彈對復雜地物背景下目標的搜索和識別的需求，系統采用長波紅外導引體制，視場角為3°，發現目標后交接到激光三維小視場導引，視場角為0.3°。為了保證視場切換精度，系統采用主被動共口徑接收的結構形式。因此，光學系統中需要加入分色鏡來實現兩個波段的獨立接收。該分色鏡的近紅外反射率為92%，長波紅外透過率為92%，滿足使用要求。

3.2 系統組成

整套導引系統由探測系統，信息處理系統、穩定及跟蹤系統組成。外形結構如圖3所示，相對于其他復合導引系統，該系統在光學系統設計及結構布局方面均考慮到了實際工程化應用情況，結構布局符合空地導彈使用要求。探測系統包括被動紅外成像導引系統及激光三維成像導引系統，用于對作戰目標進行圖像采集。信息處理系統利用所獲得的圖像信息對目標進行有效識別，確定打擊位置。穩定及跟蹤系統用來保證在彈載擾動環境下能夠對目標進行穩定成像及精確跟蹤。

圖3 復合導引系統外形結構圖Fig.3 Structure of compound guided system

3.3 工作原理

整套導引系統如圖4所示，采用被動紅外接收與主動激光測距接收共口徑，激光發射與接收共軸的緊湊型設計方案。一方面，最大限度地節省了所占空間。另一方面，消除了由于發射與接收不同軸所產生的瞄準角度誤差［6］。激光器位于導引室后端，采用光纖導入的方式，在次鏡后端連接擴束發射系統，發射系統筒長為80 mm。接收系統采用反射式結構，利用分色鏡實現了激光與紅外探測系統的共口徑接收，接收系統筒長為165 mm。加上探測器及數據通訊接口長度，整套導引系統總長為340 mm，直徑為104 mm。而空地導彈彈徑在300 mm左右，完全滿足使用要求。同時由于采用Geiger模式探測器陣列，可使系統的結構進一步簡化，體積更小。采用探測器陣列組件，系統中可移動部件大量減小［7］，整體系統的伺服控制系統更少，成像穩定性更高。

圖4 激光紅外主被動復合導引系統組成Fig.4 Compound guided system with active laser and passive IR

整套導引系統的導引流程如下:空地導彈根據發射前裝訂的飛行路線飛向目標區域，在距離目標20 km處，長波紅外導引系統開始工作，對目標區域進行大視場搜索，根據目標的輻射特性，確定各疑似目標位置。當距離達到4 km時，激光三維成像導引系統開始工作，根據被動紅外導引系統所提供的各疑似目標位置信息對其進行小視場成像，通過三維重構獲得目標的三維圖像信息［8］。在此基礎上，信息處理系統采用相應的識別算法對目標進行準確識別，并綜合被動紅外導引系統的識別結果，給出最終對于目標的判別結果。由于采用復合導引體制，綜合利用了主被動成像識別結果，目標圖像信息量豐富，可保證較高的識別概率。

4 分系統設計方案

4.1 被動紅外成像導引系統

紅外成像系統的作用距離是衡量系統性能的主要指標之一。它與大氣環境、目標輻射強度、光學系統傳輸特性、探測器性能等多個因素有關。

為了滿足總體指標中提出的紅外導引作用距離20 km，需要根據其它相關參數，推導出紅外成像系統作用距離公式，并以此來確定光學系統及探測器的具體指標。本文綜合考慮多方面影響因素，推導出了紅外成像作用距離公式:

式中:R為探測距離，單位m2;β為信號提取參數;St為目標輻射面積，單位cm2;Lt為目標輻射亮度，單位W/(cm2·sr);Nt為目標在焦平面上所占像元數;Lbg為背景輻射亮度，單位W/(cm2·sr);S0為光學系統入瞳面積，單位m2;τ為大氣透過率;η為光學系統透過率;Sd為探測器單個像元面積，單位m2;tint為探測器積分時間，單位s;D*為探測器比探測率，單位cm·Hz1/2/W;SNR為信噪比。

根據以上方程，最終被動紅外導引系統設計參數如表2所示。

表2 被動紅外導引系統設計參數Tab.2 Design parameters of passive IR guided system

所設計的光學系統結構如圖5所示。

圖5 被動紅外導引系統光學系統結構Fig.5 Optical structure of passive IR guided system

圖6 被動紅外光學系統各溫度條件下MTF曲線Fig.6 IR optical system MTF curves at different temperatures

系統采用了6片紅外透鏡，透鏡材料選擇折射率較高的 Ge。整套光學系統工作長度為165 mm。主鏡后側加入分束片，以實現主被動探測系統的共口徑接收。

系統分別在0，0.5及0.7視場下進行了分析，并在20～40℃條件下進行了無熱化優化設計。各溫度環境下系統的MTF曲線如圖6所示，系統在20 lp/mm處的平均MTF均在0.4以上，成像質量滿足要求。

系統點列圖如圖7所示，80%能量集中在直徑為60 μm圓內，所占像元數為3×3滿足使用要求。

圖7 被動紅外光學系統點列圖Fig.7 Spot diagram of passive IR system

4.2 激光三維成像導引系統

同樣，為了實現激光主動導引作用距離4 km，也要推導出激光雷達作用距離方程，進而確定相關參數，所得到了激光雷達作用距離方程如下:

式中:Ps為激光發射功率，ηt為發射系統效率，Gt為發射系統增益，β為目標散射截面，R1為發射系統到目標的距離，R2為目標到接收系統的距離，TA1為發射系統到目標的大氣透過率，TA2為目標到接收系統的大氣透過率，D為接收系統口徑，ηr為接收系統效率。

根據以上方程，激光三維成像系統最終設計參數如表3所示。

表3 激光三維成像導引系統設計參數Tab.3 Design parameters of active laser imaging guided system

4.2.1 接收系統

所設計的光學系統結構如圖8所示，主鏡后側的分束片將1 064 nm光向上反射，經過折轉鏡及三片式成像系統，最終在Geiger陣列探測器上成像。

圖8 激光三維成像導引接收系統光學系統結構Fig.8 Optical structure of active laser imaging guided system

系統分別在0°、0.3°視場下進行了分析，系統的MTF如圖9所示，系統在20 lp/mm處的平均MTF均在0.4以上，成像質量滿足要求。

系統點列圖如圖10所示，80%能量集中在直徑為10 μm的圓內，滿足使用要求。

4.2.2 發射系統

經光纖耦合后，光纖輸出端激光發散角在200 mrad以上。因此，在設計發射系統時，可將光纖輸出端看作點光源進行設計，且由于位于次鏡后端，發射系統口徑應控制在28 mm以內，所設計的發射系統口徑為20 mm，系統筒長為103 m，輸出光束發散角為1.5 mrad。設計結果如圖11所示。

圖9 激光三維成像導引接收系統MTF曲線Fig.9 MTF curve of active laser imaging guided system

圖10 激光三維成像導引接收系統點列圖Fig.10 Spot diagram of active laser imaging guided system

圖11 激光三維成像導引發射系統光學系統結構Fig.11 Transmitting optical structure of active laser imaging system

4.3 信息融合處理系統

信息處理系統要實現3項主要功能:被動紅外成像導引系統圖像采集與處理;激光三維成像導引系統圖像采集與處理;主被動成像系統的同步控制。

同步控制的目的是保證激光三維信息與紅外成像獲得的數據在時間上匹配。本系統需要有3塊嵌入式的信息處理模塊，即激光圖像采集與處理模塊、紅外圖像信號采集與處理模塊和主控數據處理模塊。同步方案設計如下:在主控數據處理模塊硬件單元中增加系統內部時鐘，分別向紅外相機和激光成像系統發送時鐘電平信號，紅外相機設有外觸發開啟功能，以紅外相機曝光開始為時間基準，通過主控模塊向紅外相機發送基準時鐘電平信號，向激光成像系統發送延遲時鐘電平信號，延遲時間由紅外相機的曝光時間決定，從而可以實現二者之間的數據匹配。

兩套導引系統分別配有獨立的圖像采集及目標識別系統，使得兩套導引系統能夠實現獨立并行工作，一旦其中一套導引系統出現問題，可保證整套導引系統仍具備一定的導引能力。且兩套導引系統的自動識別算法在設計理念上有較大差異，最終的判別結果綜合了兩種算法的優勢，這樣的復合導引策略保證了整套導引系統的識別精度。

5 結論

本文提出了一套采用激光三維成像導引配合被動紅外導引共同工作的復合導引體制，對整套導引系統的工作原理、系統組成進行了詳細的介紹，并給出了各分系統詳細的設計方案。提出了利用被動紅外導引系統在遠距離大視場條件下對目標進行搜索，并采用激光三維成像導引系統對目標進行小視場高對比度探測的導引策略。該導引體制可在復雜戰場環境下，對紅外隱身目標有較高的識別精度。該項技術的提出對于我國復合導引技術的發展及地對地導彈作戰能力的提升有著重要意義。

［1］ 張健，張雷，曾飛，等.機載激光3D探測成像系統的發展現狀［J］.中國光學，2011，4(3):213-230.ZHANG J，ZHANG L，ZENG F，et al..Development status of airborne 3D imaging lidar systems［J］.Chinese Optics，2011，4(3):213-230.(in Chinese)

［2］ KIRSCH J C，LINDBERG W R，HARRIS D C.Tri-mode seeker dome considerations［J］.SPIE，2005，5786:33-40.

［3］ BUCZINSKI S C.Reentry vehicle interceptor with IR and variable FOV laser rader:US，6741341 B2［P］.2004-05-25.

［4］ STETTNER R，BAILEY H，RICHMOND R.Eye-safe laser radar 3D imaging［J］.SPIE，2004，5412:111-116.

［5］ VAIDYANATHAN M，BLASK S，HIGGINS T，et al..Jigsaw phase Ⅲ:a minia-turized airborne 3-D imaging laser radar with photon-counting sensitivity for foliage penetration［J］.SPIE，2007，6550:1-12.

［6］ 薛向堯，高云國，韓光宇，等.水平式激光發射系統指向誤差的修正［J］.光學 精密工程，2011，19(3):536-544.XUE X Y，GAO Y G，HAN G Y，et al..Correction of laser pointing error of level mounting laser transmitter system［J］.Opt.Precision Eng.，2011，19(4):536-543.(in Chinese)

［7］ 孟慶季，張續嚴，周凌，等.機載激光3D探測成像系統的關鍵技術［J］.中國光學，2011，4(4):327-339.MENG Q J，ZHANG X Y，ZHOU L，et al..Key technologies of airborne laser 3D detection imaging system［J］.Chinese Optics，2011，4(4):327-339.(in Chinese)

［8］ 郭裕蘭，萬建偉，魯敏，等.激光雷達目標三維姿態估計［J］.光學 精密工程，2012，20(4):843-850.GUO Y L，WANG J W，LU M，et al..Three dimensional orientation estimation for ladar target［J］.Opt.Precision Eng.，2012，20(4):843-850.(in Chinese)