激光對紅外成像系統的干擾效果＊

石永山

（海軍駐錦州地區軍事代表室 錦州 121000）

1 引言

紅外成像技術在軍事上早已突破作為夜視器材應用范圍，用于搜索、跟蹤、制導等多種領域。由于紅外光電探測器具有高吸收系數、高探測率和寬響應波段等特點，容易受到強激光干擾和損傷使其失去探測功能。因此作為一種有效的光電對抗手段，激光對紅外成像系統的干擾效果與影響因素的研究日益引起各方的高度重視。本文就對紅外熱像儀飽和閾值、CO2激光能量透過率、激光干擾等，作進一步的研究和探討[1]。

2 紅外熱像儀飽和閾值

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

激光器輻照紅外熱像儀，實際成像光斑較小，局部像元被破壞之后，成像系統采用相應的算法進行像元補償，可以將像元被破壞造成的成像干擾降到最低。適當調節熱像儀焦距可以獲得更好的輻照效果。

非制冷熱像儀光學系統的飽和閾值根據不同熱像儀量值稍有差異，一般光學系統前激光能量密度達到4.89×10－8J／cm2～5.97×10－8J／cm2熱像儀就會出現局部飽和。

3 CO2激光透過率

CO2激光經Lkm大氣傳輸后，到達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；d0為激光器出口光斑直徑；θ為激光光束發散角。

在分析純散射透過率時引入氣象學，采用依標準能見度Dv確定的試驗數據來計算透過率，Dv用來表征大氣的模糊度，并且是白天能看見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。它代表了可見波長λ0處（通常取λ0＝0.555μm）。在此波長處，大氣吸收為零，因此影響透射的原因將只是散射這一種因素。

眼睛感知的最小對比度等于2%，因此氣象能見度Dv就是目標對比度為1時，通過大氣后感知的對比度為0.02的距離：

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

求得純散射導致的透過率τ2（λ）為

綜上所述10.6μm大氣光譜透過率：

由此可計算出不同距離CO2激光透過率，氣象能見度Dv＝20km（λ＝0.555），溫度10℃，空氣相對濕度70%，大氣透過率見表1所示。

表1 大氣透過率

依據式（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射與威脅激光束特征參數（包括工作波長、重復頻率、脈沖寬度、編碼方式等）完全相同的干擾激光束，投射到假目標上，從而以假亂真，誘使激光制導彈偏離真目標，射向假目標。根據產生激光干擾信號方法的不同，分為轉發式干擾和應答式干擾兩種。轉發式干擾是將系統中激光告警機接收到的激光威脅信號自動放大，并由激光干擾發射機進行轉發，從而產生激光欺騙性干擾信號。應答式干擾是將系統中激光告警機接收到的激光威脅信號存儲和再現，由此產生激光欺騙性干擾信號。在一個系統中，上述兩種干擾方式通常結合使用。

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

4.2 試驗設備

試驗設備采用高功率TEA－CO2激光器、擴束及導光系統、紅外熱像儀（多晶硅非制冷焦平面探測器）、紅外跟蹤瞄準設備及其他輔助設備[5]。

1）激光器。TEA－CO2激光器，輸出激光波長為10.6μm；激光單脈沖能量約5J；擴束及導光系統包括ZnSe反射鏡及擴束裝置；

2）探測器。紅外熱像儀探測器為多晶硅非制冷焦平面探測器，像元數為320×240，響應波段為8μm～14μm，場頻為50Hz；

3）跟蹤瞄準。紅外跟蹤瞄準設備由工作波段在3μm～5μm的紅外成像系統、跟蹤架及激光發射光路組成。

4）環境。實驗環境分別選擇在能見度很好（Dv＝20km無沉積物）及一般（Dv＝2km霧霾）條件下對比進行，通過紅外跟蹤瞄準系統對10km處紅外熱源進行捕捉跟蹤，紅外熱源處迎面擺放多晶硅非制冷焦平面探測器。

4.3 干擾效果

在氣象條件良好情況下，以10.6μm波長，重頻10Hz進行干擾。例如，已知單脈沖能量為5J，發散角為0.5m／rad，傳輸距離10km，根據式（1）可得出使熱像儀達到飽和閾值的透過率為0.002，然后依據式（5）可得出能量密度Ex與Dv之間的對應關系：Dv大約在0.5km時激光能量密度達到飽和閾值[6]。

干擾前成像清晰，能見度在20km左右；激光器用10.6μm，10Hz重頻干擾后熱像儀出現30mm左右高亮壞點，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啟。

在Dv＝2km時的中等能見大氣條件下，10.6μm重頻10Hz，被輻照后熱像儀局部飽和，呈現不均勻光暈，連續輻照30秒恢復后熱像儀仍可正常成像。

5 結語

波長為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，說明其能量密度遠遠高于熱像儀的飽和閾值；激光器在中等能見度以上激光能量密度足以使紅外探測器飽和，在實際氣象條件下還需綜合考慮大氣溫度、濕度、微粒散射等對激光傳輸的影響[7]。

[1]葛成良，范國濱，梁正，等.單元紅外成像探測器的激光干擾實驗研究[J].強激光與粒子束，2006（18）：25－30.

[2]車進喜，張恒偉，王東.10.6μm CO2激光對非制冷紅外熱像儀飽和閾值的實驗研究[J].激光與紅外，2010（8）：855－858.

[3]柯常軍，萬重怡.紅外光電探測器的激光損傷分析[J].光學技術，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.激光對紅外成像反艦導彈的對抗能力分析[J].艦船電子工程，2012（11）：133－136.

[6]李振偉，劉班，楊勇.目標測偏統計用于對成像制導的激光干擾效果分析[J].光學與光電技術，2012（3）：17－21.

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