王 領(lǐng)，張 斌，雷 威

（1空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，西安 710038；2 95321部隊(duì)，武漢 430200）

0 引言

激光干擾是對(duì)抗光電制導(dǎo)武器的有效手段，激光對(duì)導(dǎo)引頭的軟殺傷就是運(yùn)用激光照射導(dǎo)引頭中的光電器件，使之暫時(shí)致盲或失效，從而導(dǎo)致導(dǎo)引頭無(wú)法得到或無(wú)法完全得到目標(biāo)的位置信息，從而失去對(duì)目標(biāo)的跟蹤導(dǎo)致脫靶。相對(duì)于硬殺傷的高能激光武器，運(yùn)用低能激光實(shí)施軟殺傷很有使用價(jià)值。在實(shí)際應(yīng)用中，不同的照射方式和照射條件會(huì)對(duì)干擾效果產(chǎn)生不同的效果；視場(chǎng)外照射能否對(duì)CCD形成干擾，以及如何有效對(duì)CCD導(dǎo)引頭進(jìn)行干擾，是非常值得研究的問(wèn)題。文中利用Simulink視頻和圖像模塊，建立了CCD目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的仿真模型，并利用不同參數(shù)激光對(duì)其干擾，以此得到激光對(duì)CCD成像導(dǎo)引頭的干擾效果。

1 視場(chǎng)內(nèi)激光垂直入射干擾CCD探測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

激光器采用1064nm波長(zhǎng)半導(dǎo)體泵浦固體激光器 （DPSS），光束發(fā)散角1.4mrad，光束直徑0.7mm。記錄照射激光功率的裝置為激光功率計(jì)，功率計(jì)用來(lái)監(jiān)測(cè)激光輸出的功率，為保證實(shí)驗(yàn)精確性分別采用兩種不同功率計(jì)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)光路中放置了分光鏡、衰減片組以減弱直射CCD光敏面上的激光能量，避免CCD產(chǎn)生硬損傷，分光鏡的透反比為1.89∶1。實(shí)驗(yàn)前，需調(diào)整光學(xué)元件，以使光束穿過(guò)其幾何中心。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)CCD探測(cè)器成功干擾的判斷依據(jù)是：照射前CCD探測(cè)器正常捕捉到模擬輻射光源，使用連續(xù)激光照射CCD探測(cè)器，在照射過(guò)程中探測(cè)器丟失目標(biāo)，不能正常截獲。為模擬導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)中使用了視頻采集卡和Matlab中的Simulink進(jìn)行仿真?？驁D組成如圖1所示。

圖1 視頻目標(biāo)跟蹤仿真系統(tǒng)示意圖

視頻數(shù)據(jù)通過(guò)From Multimedia File模塊載入，目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)通過(guò)Image From File模塊導(dǎo)入，經(jīng)過(guò)圖像計(jì)算和處理完成目標(biāo)的匹配和跟蹤。Draw Shapes模塊在輸出圖像上繪制波門(mén)標(biāo)記。為便于觀察CCD的像元飽和情況，輸出圖像根據(jù)灰度值采用偽彩色表示，白色表示灰度值大于240，紫色表示灰度值在16以下。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①開(kāi)啟CCD面陣探測(cè)器；②打開(kāi)光源；③通過(guò)視頻采集卡，將CCD中的圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，再利用計(jì)算機(jī)Simulink中搭建的圖像處理程序，仿真導(dǎo)彈跟蹤目標(biāo)的截獲過(guò)程，使CCD捕獲光源目標(biāo)；④激光開(kāi)始照射探測(cè)器，觀察能否正常跟蹤。

1.1 視場(chǎng)內(nèi)連續(xù)激光垂直入射干擾CCD探測(cè)系統(tǒng)

成像導(dǎo)彈利用CCD探測(cè)器發(fā)現(xiàn)并捕獲目標(biāo)，將其方位與導(dǎo)彈光軸進(jìn)行比較，計(jì)算出偏差，送到伺服機(jī)構(gòu)使舵機(jī)產(chǎn)生修正偏轉(zhuǎn)，引導(dǎo)導(dǎo)彈不斷飛向目標(biāo)。對(duì)CCD的干擾主要是在其視場(chǎng)內(nèi)造成局部干擾甚至飽和，使其無(wú)法穩(wěn)定截獲，從而丟失目標(biāo)，造成導(dǎo)彈脫靶。連續(xù)激光照射CCD干擾實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖2所示。

在本實(shí)驗(yàn)條件下，連續(xù)激光照射下的CCD很容易進(jìn)入局部飽和狀態(tài)，一旦出現(xiàn)飽和，CCD就會(huì)丟失截獲的目標(biāo)，喪失繼續(xù)跟蹤的能力。實(shí)驗(yàn)效果見(jiàn)圖3～圖4。

圖2 1064nm連續(xù)激光對(duì)CCD的照射干擾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖3 干擾前正常截獲目標(biāo)

圖4 受到干擾后丟失目標(biāo)

上述實(shí)驗(yàn)研究說(shuō)明，CCD在該實(shí)驗(yàn)條件下，即視場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行干擾時(shí)極易達(dá)到局部飽和。

1.2 視場(chǎng)內(nèi)脈沖激光垂直入射干擾CCD探測(cè)系統(tǒng)

與連續(xù)激光相比，脈沖激光作用時(shí)間短?？梢栽O(shè)想，在實(shí)際應(yīng)用中，由于大氣折射率的無(wú)規(guī)則變化、湍流對(duì)光束波面的破壞、大氣散射與吸收等以及跟蹤裝置的震動(dòng)和誤差導(dǎo)致的改變，照射在導(dǎo)引頭上的激光都會(huì)呈現(xiàn)出脈沖激光照射的特點(diǎn)，因此脈沖激光照射導(dǎo)引頭所產(chǎn)生的干擾效果更加貼近實(shí)際情況。

另外，當(dāng)激光干擾裝置在包含導(dǎo)彈可能的來(lái)襲方向的一定空域內(nèi)用激光束進(jìn)行掃描，每個(gè)掃描周期內(nèi)激光束都會(huì)照中導(dǎo)引頭，這時(shí)就近似于脈沖激光的干擾效果。為了了解脈沖激光干擾面陣CCD探測(cè)器的實(shí)際干擾過(guò)程，驗(yàn)證脈沖激光對(duì)面陣CCD探測(cè)器的干擾效果，采用波長(zhǎng)1064nm，脈寬10ns的脈沖激光，開(kāi)展了脈沖激光干擾面陣CCD探測(cè)器實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5。

圖5 脈沖激光對(duì)CCD照射干擾實(shí)驗(yàn)示意圖

為模擬導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)中使用了視頻采集卡和Simulink進(jìn)行半實(shí)物仿真。

在本實(shí)驗(yàn)條件下，脈沖激光照射下的CCD在正常捕捉到目標(biāo)后，部分像元飽和，此時(shí)計(jì)算機(jī)就會(huì)捕捉到錯(cuò)誤的目標(biāo)，喪失繼續(xù)跟蹤的能力。實(shí)驗(yàn)效果見(jiàn)圖6。

圖6 視場(chǎng)內(nèi)脈沖激光干擾效果

2 視場(chǎng)外激光入射干擾CCD探測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭要具有極靈敏的信號(hào)探測(cè)能力，因此在整個(gè)系統(tǒng)中也最易受到干擾，成為激光武器首要干擾的目標(biāo)。但是探測(cè)器距離觀測(cè)目標(biāo)很遠(yuǎn)，具有較小的視場(chǎng)角，激光對(duì)探測(cè)器的作用，往往只照射探測(cè)器光學(xué)窗口的表面，并不能完全進(jìn)入探測(cè)器的視場(chǎng)。激光直接進(jìn)入導(dǎo)彈紅外導(dǎo)引頭視場(chǎng)的概率較小，因此研究視場(chǎng)外激光照射探測(cè)器的干擾效果更具有實(shí)踐意義。

實(shí)驗(yàn)中激光輸出功率不變，改變激光入射探測(cè)器的角度，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集干擾圖像，并統(tǒng)計(jì)了CCD探測(cè)器靶面受干擾飽和面積與入射角度的關(guān)系。

2.1 視場(chǎng)外1064nm波長(zhǎng)DPSS連續(xù)激光入射

采用輸出波長(zhǎng)1064nm，輸出功率為200mW的DPSS激光作為干擾源，開(kāi)展視場(chǎng)外連續(xù)激光入射干擾CCD探測(cè)器實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置同圖2。入射的激光平均功率為94.2mW，將CCD探測(cè)器在5°～8°之間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，調(diào)整CCD探測(cè)器的位置，使激光束始終照射在探測(cè)器的鏡頭中心處（見(jiàn)圖7，圖8），在不同入射偏角下探測(cè)器受干擾程度如圖9所示。

圖7 激光實(shí)施干擾前

圖8 CCD受到干擾后

明顯看出：當(dāng)入射激光功率一定時(shí)，隨著入射角度的增大，對(duì)探測(cè)器的干擾能力會(huì)顯著降低。

圖9 CCD飽和區(qū)域比例與1064nm激光入射角度關(guān)系曲線

2.2 視場(chǎng)外1064nm波長(zhǎng)DPSS脈沖激光入射

在確定CCD探測(cè)器的情況下，研究采用相同的峰值功率和不同的脈沖激光干擾頻率分別對(duì)CCD進(jìn)行干擾，分析CCD探測(cè)器的不同干擾效果。采用圖10所示的實(shí)驗(yàn)裝置，取入射角15°，激光干擾頻率分別為1Hz、50Hz、100Hz。

圖10 脈沖激光視場(chǎng)外干擾CCD實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖11～圖14為CCD沒(méi)有受到干擾和受到三種不同頻率脈沖激光干擾后的成像效果圖。

圖11～圖14的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，對(duì)于場(chǎng)頻固定的面陣CCD探測(cè)器，在單脈沖能量相差不大的情況下，提高脈沖激光的重復(fù)頻率可提高對(duì)探測(cè)器的干擾效果。激光對(duì)CCD光電探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)外干擾原理比較復(fù)雜，其主要原因是激光散斑干涉效應(yīng) （激光自散射體的表面漫反射或通過(guò)一個(gè)透明散射體時(shí)，在散射表面或附近的光場(chǎng)中可以觀察到一種無(wú)規(guī)則分布的亮暗斑點(diǎn)的現(xiàn)象）等。激光照射到探測(cè)器鏡頭和內(nèi)壁，由于具有很好的單色性和方向性，將在探測(cè)器內(nèi)發(fā)生散射和衍射，結(jié)果在光敏面上形成較強(qiáng)的散斑干涉圖案，當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)飽和閾值時(shí)，使CCD處于飽和狀態(tài)，圖像處理方法亦不能恢復(fù)處于全面飽和狀態(tài)的圖案。

圖11 未加激光干擾時(shí)成像效果

圖12 干擾頻率為1Hz的成像效果

圖13 干擾頻率為50Hz的成像效果

圖14 干擾頻率為100Hz的成像效果

該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明脈沖激光視場(chǎng)外照射CCD探測(cè)系統(tǒng)時(shí)，亦能對(duì)面陣CCD探測(cè)器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)干擾，但是效果較視場(chǎng)內(nèi)干擾差。

3 激光干擾效果評(píng)估

根據(jù)制導(dǎo)原理，模擬仿真建立干擾前后的彈道方程，包括正常彈道的計(jì)算即未受干擾時(shí)按導(dǎo)引規(guī)律正常尋的飛行軌跡和干擾后的彈道計(jì)算，二者之差為偏航量，記為：

其中：UP（t）為干擾前的標(biāo)準(zhǔn)彈道方程；Ua（t）為干擾后的實(shí)際彈道方程。導(dǎo)引頭激光功率可由式（2）估算：

式中：λ為激光波長(zhǎng)；β為光束質(zhì)量RI為激光器到導(dǎo)引頭的距離（km）；D 為激光有效發(fā)射口徑（m）；τ為大氣透過(guò)率，P0為激光輸出功率（W），其中τ可由式（3）計(jì)算求得：

式中：y為導(dǎo)引頭所處高度（km）；Rv為大氣能見(jiàn)度（km）。根據(jù)照射到導(dǎo)引頭上的激光功率和CCD飽和閾值關(guān)系，結(jié)合前面介紹的干擾機(jī)理，可以判斷激光是否是導(dǎo)引頭失效。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，用激光干擾導(dǎo)引頭跟蹤系統(tǒng)，記錄偏航量，若偏航量大于殺傷半徑R時(shí)，認(rèn)為干擾成功。改變激光波長(zhǎng)、功率、工作方式、重復(fù)頻率、脈沖寬度等，以驗(yàn)證不同情況下干擾效果。

以一種導(dǎo)彈為例，建立彈道模型進(jìn)行干擾仿真。圖15分別是導(dǎo)彈干擾前后的彈道軌跡和彈著點(diǎn)仿真結(jié)果。

圖15 導(dǎo)彈干擾前后的彈道軌跡和彈著點(diǎn)仿真

干擾前CEP＝6.0705m，干擾后CEP＝41.1966 m，由仿真圖與計(jì)算出的命中概率可知，干擾后的圓概率誤差大大增加，在單位面積上彈著點(diǎn)減少，說(shuō)明干擾有效。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中進(jìn)行了連續(xù)激光照射面陣CCD探測(cè)器實(shí)驗(yàn)和不同頻率的脈沖激光照射面陣CCD探測(cè)器實(shí)驗(yàn)，激光在一定角度下對(duì)CCD探測(cè)器實(shí)施視場(chǎng)外干擾是完全可行的，當(dāng)入射激光功率一定時(shí)，隨著入射角度的增大，對(duì)探測(cè)器的干擾能力會(huì)顯著降低。干擾成功與否主要取決于激光對(duì)探測(cè)器是否造成了飽和以及激光是否成像在波門(mén)附近。事實(shí)上，這個(gè)分析實(shí)驗(yàn)方法同樣適用于電視制導(dǎo)炸彈，甚至也適用于紅外焦平面陣列的空空導(dǎo)彈、非成像點(diǎn)源紅外導(dǎo)彈的干擾分析。

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