激光對成像制導系統的干擾*

劉延武，李 楠，呂俊偉

(1山東工商學院信息與電子工程學院，山東煙臺 264005;2山東省高校智能信息處理重點實驗室，山東煙臺 264005;3海軍航空兵學院，遼寧葫蘆島 125001;4海軍航空工程學院，山東煙臺 264001)

0 引言

在當前新軍事變革中，信息作戰成為戰爭主導。成像制導武器作為信息作戰中的典型武器，利用成像探測器獲取目標信息，從而實現對武器的制導，由于其命中精度高、殺傷效果好，在信息作戰中得到了重點發展。成像探測器主要有可見光CCD(charge coupled device)和紅外 CCD。隨著CCD器件在武器制導、衛星偵察、微光夜視等軍事領域的廣泛運用，深入研究對CCD的破壞則成為了信息作戰的焦點，激光對成像探測器的輻照會引起探測器性能的下降甚至失效。

以往對激光干擾探測器的研究，主要集中在對CCD單個器件的破壞效應及飽和干擾上[1－6]，而對成像制導系統的激光干擾沒有展開，文中以可見光CCD成像探測器為研究對象，采用0.632μm連續He-Ne激光輻照可見光CCD成像探測器，開展視場內和視場外激光輻照實驗，結合CCD成像制導系統的激光干擾前后命中概率變化研究，重點分析激光干擾對CCD成像制導系統的干擾效果，為激光武器的發展提供理論支撐。

1 激光干擾實驗

1.1 CCD視場內干擾

實驗采用的 CCD探測器是 VC-210B型0.85cm靶面黑白攝像機，像素500×582，感光面積4.9mm×3.7mm，靈敏度 0.05lx，光學鏡頭視場 52 °×44 °，鏡頭焦距3.6mm。激光器采用25mW的 He-Ne連續激光器，出光孔徑4mm，激光波長0.632μm。視場內激光干擾CCD實驗裝置如圖1。

圖1 CCD視場內激光干擾裝置

調整激光束同CCD探測器光軸對準，激光器出光孔到CCD距離1.6m。將激光衰減到CCD線性工作區，逐漸減小衰減到CCD處于臨界飽和狀態。當到達CCD靶面激光功率密度為6.2×10－7W/cm2，探測器工作在線性區;減小衰減到CCD進入臨界飽和狀態，激光功率密度為9.8×10－7W/cm2;繼續減小衰減到CCD進入飽和狀態，激光功率密度為2.8W/cm2。圖2是激光干擾能量不同時CCD視場內干擾效果。

圖2 CCD視場內激光干擾效果

圖2左側是CCD工作在線性區時的成像圖，中間是進入臨界飽和狀態時的成像圖，右側是進入飽和狀態時的成像圖。觀察圖2發現，當CCD進入飽和狀態，出現了光飽和串音現象。這是因為照射到CCD光敏區局部的激光強度達到一定程度時，光照區域飽和，未照射區域先是沿著電荷傳輸方向出現亮線，光強增加，則亮線加寬，最終整個光敏區飽和。CCD光敏元是并行的，但其轉移傳輸元是串行的，各元間以溝阻隔開，共基底電極。在1ps的極短時間內，大量光生載流子向鄰近勢阱溢流，形成串音。串音與CCD器件的結構尺寸、勢阱深度、柵極電壓有關。光飽和串音現象不會對CCD器件造成損傷，但會嚴重干擾其正常工作，使其難以成像和讀取圖像信號。

1.2 CCD視場外干擾

激光視場外干擾CCD的實驗裝置如同3所示。

圖3 CCD視場外激光干擾裝置

將激光器、光闌和濾光片安裝在光學導軌上，CCD探測器固定在自由轉動液壓轉臺上，便于測量不同視場角激光對CCD的干擾情況。實驗過程中，調整CCD同激光器的角度從5°～28°逐漸增大，隨著入射激光功率和照射時間的增加，CCD被干擾的面積逐漸增大，隨著激光束同CCD光軸夾角增大，干擾能力逐漸減弱。圖4是激光束與CCD探測器光軸的夾角為28°時的干擾圖像，此時激光束已超出CCD的視場，但仍可干擾探測器成像。

1.3 成像跟蹤系統干擾

實際中激光干擾成像制導系統時，由于難以對準成像導引頭，往往是視場外干擾，因此研究激光對成像制導系統能否實現視場外干擾，對軍事應用有較大價值。利用CCD成像制導系統對坦克模型進行成像，調整轉臺改變激光束到CCD制導系統光軸入射角。圖5是激光干擾前的原始圖像和激光視場外干擾后的圖像。

圖4 CCD視場外激光干擾效果

圖5 成像跟蹤系統干擾前后成像圖

從圖5可見激光視場外干擾后，成像跟蹤系統會受到嚴重影響，使得目標搜索、探測、識別十分困難，進而影響成像制導武器的作戰效能發揮。

受到激光干擾后，成像跟蹤系統變得模糊不清，影響制導指令的運行，圖6和圖7分別是受激光干擾后，導彈俯仰制導誤差隨時間變化和導彈偏航制導誤差隨時間變化曲線。橫坐標為導彈飛行時間，激光干擾后，偏航制導誤差角和俯仰制導誤差角均出現震蕩。通過觀察發現激光干擾對偏航制導誤差角的影響要遠大于對俯仰制導誤差角的影響。

圖6 俯仰制導誤差變化曲線

1.4 激光干擾能量計

圖7 偏航制導誤差曲線

假設距離激光發射點 R處，由衍射引起的垂直于導彈成像探測器整流罩表面的光束擴散半徑為:

式中θ為光束發散角，θ受到光束衍射發散角θy、大氣抖動引起的擴展角θt、激光光源抖動θd的影響。

式中:λ為激光波長;D0為激光發射望遠鏡孔徑;β為光束質量因子。光束質量因子一般取1.5～3，這里取β =2，大氣抖動引起的擴展角θt取為1×10－5rad，激光光源抖動與激光發射瞄準設備有關，這里假設θd=θy/2，取D0=50cm，R=5km時，導彈導引頭成像探測器表面激光光斑半徑d≈54cm。

假設發射的激光波長為 λ，激光器輸出能量為P0，激光器同導彈導引頭距離為R，瞄準跟蹤系統的精度為δ，大氣透過率為τ1，導彈光學鏡頭直徑為D，整流罩為3mm厚的氟化鎂，整流罩透過率為τ2，光學系統的光學效率為τ3，導彈光敏元件直徑為 Φ，導彈接收到的能量密度為pe，則pe計算如下:

式中0.84是分布在愛里斑第一暗環內的光能百分比，由上式可得:

利用式(5)就能計算激光干擾成像制導導彈所需的激光能量，首先確定激光波長λ，計算激光在大氣中的傳輸衰減，得到τ1;其次計算不同傳輸距離時，激光到達導彈探測器表面的相應光束擴散半徑d;再根據所要干擾的導彈光學系統，確定 D、τ2、τ3的值;然后確定光電探測器的類型、干擾或損傷閾值pe及光敏元件直徑Φ的值;最后確定激光跟蹤瞄準系統的瞄準精度δ，并與前述各參數代入式(5)進行發射能量計算。

利用激光干擾成像制導導彈，攻擊時激光發射處距離導彈成像探測器的距離R在1～10km內取值，計算出不同攻擊距離時干擾導彈成像導引頭所需發射的激光能量變化關系如圖8所示。

圖8發射激光能量與干擾距離關系

從圖8可見，在能見度為2km時，隨著干擾距離的增加，實現成像導引頭飽和干擾所需激光能量呈現非線性增加;隨著能見度減小，所需發射激光能量急劇增加。當R=3km時，所需激光能量約為125W;當R=5km時，所需激光能量約為235W;當R=7km時，所需激光能量約為855W;當R=10km時，所需激光能量約為2500W。

2 干擾效能評估方法

視場內、外激光輻照CCD成像探測器，均能實現對成像制導系統的干擾。實戰中，激光對準CCD探測器較為困難，但只要發射功率高，視場外干擾同樣能有效干擾CCD成像制導系統，降低其作戰效能。

設無激光干擾時成像制導武器制導精度為δ0，激光干擾后成像制導武器脫靶量為Δr，則按下述標準判定干擾是否有效:1)當Δr≤3δ0時，干擾無效;2)當Δr＞3δ0時，干擾有效。干擾成功率η為:

其中:ne是干擾有效次數，n是干擾總次數。

另一個用的最多的干擾效能評估參數是命中概率，以命中概率評估成像制導武器受激光干擾前后的變化最為直觀。彈著點散布規律為:

式中:x、y表示落點坐標，σx、σy分別為 x、y的標準差，即制導誤差中的隨機誤差大小。

設P表示單發成像制導武器命中概率，計算如下:

式中a、b為目標等效長方形的長和寬。

干擾效能評估采用以下方式:1)單發命中概率下降值作為評估干擾效能參數，ΔP=P－P';2)單發命中概率相對下降值作為評估參數，β=(PP')/P，P'表示干擾后的命中概率。

3 干擾前后命中概率計算

圖9 跟蹤精度對導彈命中概率影響

圖10 激光干擾距離不同時命中概率

先進行激光干擾前成像制導武器命中概率計算，設成像制導導彈正常飛行，與攻擊目標相距350m時進入盲區，隨后保持跟蹤狀態直線飛行，制導導彈命中概率同跟蹤精度的關系如圖9所示。圖9表示能見度不同時，成像制導導引頭跟蹤精度的大小對導彈命中概率的影響。再進行激光干擾后成像制導武器命中概率計算，假設成像制導導彈距離攻擊目標一定程度時，受到激光干擾，從而引起導引頭致盲，制導導彈按照干擾前的導引指令攻擊目標，由于制導誤差較大，命中概率迅速下降，激光發射距離不同時成像制導導彈命中概率如圖10所示。能見度為23.5km時，在激光干擾前成像制導導彈命中概率為99.7%，在3km處實施激光干擾后，成像制導導彈命中概率降為30.8%，命中概率下降了68.9%，這說明干擾效果較好。

4 結束語

以可見光 CCD成像探測器為研究對象，采用0.632μm連續He-Ne激光器輻照CCD成像探測器，開展視場內和視場外激光干擾實驗，結合成像制導系統的激光干擾實驗研究制導導彈命中概率的變化，重點分析激光干擾對成像制導系統的干擾效能，在3km處激光干擾后成像制導導彈命中概率降為30.8%，干擾效果較好，這為發展激光武器干擾成像制導系統提供了理論支撐。

[1]楊希偉，童忠誠，汪亞夫，等.激光干擾光電成像導引頭的建模與仿真[J].紅外與激光工程，2011，40(7):1243－1248.

[2]張方芳，阮江洋，王曉蕊.激光干擾下紅外成像系統性能預測研究[J].電子科技，2011，24(9):149－153.

[3]劉延武，王紅星.視場內激光干擾CCD探測器的實驗研究[J].傳感器與微系統，2010，29(10):34－36.

[4]張景陽，王海晏，雷威.脈沖激光干擾面陣CCD實驗的模糊評估[J].激光與紅外，2011，41(4):421－425.

[5]邵立，汪亞夫，宋偉.連續激光干擾 CCD成像研究[J].激光雜志，2012，33(2):38－40.

[6]徐銀，孫曉泉，邵立.激光干擾對CCD成像系統目標檢測性能的影響[J].紅外與激光工程，2012，41(4):989－993.