彭 晨

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047)

0 引 言

激光告警技術(shù)隨著激光技術(shù)的發(fā)展而飛速發(fā)展，由早期的粗方位識(shí)別型向精方位識(shí)別型發(fā)展，由早期的單一波段、單一信號(hào)形式向多波段、多信號(hào)形式發(fā)展。簡(jiǎn)言之，激光告警設(shè)備的發(fā)展就是更高的角度分辨率，更優(yōu)的接收靈敏度，更復(fù)雜的信號(hào)形式，更小的體積、功耗，更快的反應(yīng)時(shí)間等。本文從激光告警設(shè)備偵收信號(hào)的特征及變化，思考如何有效利用這些信息，從而提取分析出更多有用信息。

1 激光告警設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

早期出現(xiàn)的激光告警設(shè)備主要用來(lái)保護(hù)陸軍戰(zhàn)車，由數(shù)個(gè)單元光電探測(cè)器構(gòu)成陣列拼接視場(chǎng)組成，設(shè)備的角度分辨率較低。粗略的告警方位決定了光電對(duì)抗的手段為發(fā)射煙霧彈遮擋光路，同時(shí)戰(zhàn)車進(jìn)行規(guī)避動(dòng)作。隨著需要光電防護(hù)的平臺(tái)由陸軍戰(zhàn)車變化為海軍艦船，艦載激光告警設(shè)備需包含數(shù)個(gè)激光告警探頭，大大增加的設(shè)備量使設(shè)備的接收靈敏度指標(biāo)和角度分辨率指標(biāo)均有所提高；其防護(hù)面積也大大提高。其光電對(duì)抗手段仍為發(fā)射煙霧彈遮擋光路，同時(shí)艦船進(jìn)行規(guī)避動(dòng)作。艦船光電對(duì)抗手段的發(fā)展也促進(jìn)了艦船激光告警設(shè)備的發(fā)展，艦載有源光電對(duì)抗對(duì)艦船激光告警設(shè)備提出了新的要求，即角度分辨率達(dá)到可引導(dǎo)有源光電對(duì)抗設(shè)備進(jìn)行有源干擾的精度要求應(yīng)運(yùn)而生，出現(xiàn)了高分辨率艦船激光告警設(shè)備。

上述發(fā)展均圍繞著提高角度分辨率、提高靈敏度及增大防護(hù)面積而進(jìn)行。激光告警設(shè)備對(duì)偵收到激光信號(hào)的處理仍停留在簡(jiǎn)單的判斷通道有無(wú)以及多通道信號(hào)有無(wú)的融合處理。即便提高了激光告警設(shè)備的接收靈敏度，在經(jīng)過(guò)閾值比較轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后的處理也還是判斷通道有無(wú)以及多通道信號(hào)有無(wú)的簡(jiǎn)單融合處理。

2 激光告警設(shè)備發(fā)展新思路

2.1 發(fā)展對(duì)偵收激光信號(hào)幅度的處理能力

以往對(duì)偵收激光信號(hào)的處理為設(shè)定一定的閾值，對(duì)超過(guò)閾值的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后輸出數(shù)字信號(hào)，丟失了重要的激光信號(hào)幅度信息。

采用窄脈沖峰值保持電路結(jié)合AD采樣電路對(duì)偵收激光信號(hào)幅度進(jìn)行采集處理。通過(guò)將放大電路升級(jí)為可控增益放大電路，從而保證了激光告警設(shè)備可以大動(dòng)態(tài)范圍地偵收激光信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度采集處理。

假定激光在大氣中的傳播是遵守幾何光學(xué)規(guī)律的：大氣是均勻的、各向同性的；激光光束內(nèi)的能量分布是近似均勻的或至少是軸對(duì)稱的；設(shè)激光源發(fā)射每個(gè)脈沖的能量為Et，峰值功率為Pt，光學(xué)系統(tǒng)出射光束的束散角為θt，激光能量通過(guò)大氣單位長(zhǎng)度的衰減系數(shù)為μ，則不難得到在距離R處激光光斑單位面積的激光能量為[1]：

(1)

在距離R處激光光斑單位面積的激光峰值功率為：

(2)

根據(jù)偵收到的單個(gè)激光信號(hào)幅度，結(jié)合可控增益放大電路的增益，可推測(cè)偵收激光信號(hào)的峰值功率Pr，已知設(shè)備光電探測(cè)器光敏元面積Ar，則存在如下關(guān)系式：

(3)

結(jié)合常規(guī)對(duì)抗激光源的參數(shù)信息，可對(duì)對(duì)抗激光源的主要參數(shù)Pt和θt進(jìn)行預(yù)設(shè)。假設(shè)Pt=10 MW，θt=2 mrad。大氣衰減系數(shù)μ=0.12/km(標(biāo)準(zhǔn)晴朗)，Ar=0.25×10-6πm2。將上述參數(shù)代入公式(3)后，采用MATLAB軟件作出Pr與R的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 Pr與R的關(guān)系曲線圖

根據(jù)圖1的曲線可以通過(guò)Pr的值判斷對(duì)抗激光源的距離R。由于對(duì)抗激光源的參數(shù)為預(yù)設(shè)值，并且大氣衰減系數(shù)也是選取的標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)考慮設(shè)備測(cè)量來(lái)襲激光信號(hào)峰值功率的誤差，所以只能預(yù)估對(duì)抗激光源與激光告警設(shè)備的大致距離信息。為了得到更為精確的信息，需要進(jìn)一步引導(dǎo)其它電子偵察設(shè)備對(duì)該方位、該大致距離區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)偵察。

因?yàn)閬?lái)襲激光信號(hào)峰值功率與設(shè)備偵收到的激光信號(hào)的幅度值存在正比例關(guān)系，根據(jù)偵收到的多個(gè)激光信號(hào)幅度，將多個(gè)信號(hào)幅度進(jìn)行相關(guān)比較處理：如果多個(gè)信號(hào)幅度大致相當(dāng)或變化緩慢，則可認(rèn)為該對(duì)抗激光源為定目標(biāo)或者低速移動(dòng)目標(biāo)；如果多個(gè)信號(hào)幅度逐漸變大或逐漸變小，則可認(rèn)為該對(duì)抗激光源為移動(dòng)目標(biāo)，并且得到對(duì)抗激光源目標(biāo)的關(guān)鍵信息，即目標(biāo)與激光告警設(shè)備的相對(duì)距離的變化，從而判斷出對(duì)抗激光源目標(biāo)是逼近激光告警設(shè)備，還是遠(yuǎn)離激光告警設(shè)備。進(jìn)一步根據(jù)信號(hào)幅度隨時(shí)間的變化率可對(duì)應(yīng)對(duì)抗激光源與設(shè)備的距離隨時(shí)間的變化率，即預(yù)估對(duì)抗激光源目標(biāo)移動(dòng)速度。

2.2 發(fā)展對(duì)偵收激光信號(hào)的時(shí)域處理能力

以往對(duì)偵收激光信號(hào)的時(shí)域處理為根據(jù)偵收激光信號(hào)的時(shí)間間隔和重復(fù)頻率解算激光信號(hào)的編碼和重頻，其時(shí)間處理精度約為0.1 μs。該精度對(duì)于解算激光信號(hào)的編碼和重頻是沒(méi)有問(wèn)題的。但是為了從偵收激光信號(hào)時(shí)域特征得到更多的信息，則需要更高的時(shí)間處理精度。

采用高精度時(shí)間處理芯片將時(shí)間處理精度提高到ns級(jí)別或者0.1 ns級(jí)別，對(duì)偵收激光信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行較高精度的測(cè)量。將偵收多個(gè)激光信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻在時(shí)域上進(jìn)行排序，分析其間隔變化，可預(yù)估對(duì)抗激光源的運(yùn)動(dòng)變化情況。其可分為2種情況：一種為單一通道偵收的激光信號(hào)時(shí)序；一種為設(shè)備多個(gè)通道偵收的激光信號(hào)時(shí)序。編碼信號(hào)是一定的信號(hào)序列以一定的頻率進(jìn)行重復(fù)，故也可作為重頻信號(hào)進(jìn)行分析。

(1) 單一通道偵收的激光信號(hào)時(shí)序分析

首先，由單一通道偵收的激光信號(hào)可分析認(rèn)為對(duì)抗激光源指向不變。然后根據(jù)偵收激光信號(hào)的時(shí)間間隔變化，基于多普勒效應(yīng)可以分析出對(duì)抗激光源與激光告警設(shè)備的距離是否變化，是逼近還是遠(yuǎn)離激光告警設(shè)備，根據(jù)其變化率可分析出對(duì)抗激光源的移動(dòng)速度。

重頻激光信號(hào)的多普勒效應(yīng)如圖2所示。激光源S以一定的重復(fù)頻率f向激光告警設(shè)備O發(fā)射激光信號(hào)，激光信號(hào)以光速c向激光告警設(shè)備移動(dòng)，同時(shí)激光源S與激光告警設(shè)備以相對(duì)速度Vs靠近，則激光告警設(shè)備收到的激光信號(hào)的重復(fù)頻率發(fā)生變化。

圖2 重頻激光信號(hào)多普勒效應(yīng)圖

如圖2所示，由于激光源與激光告警設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成了激光源在不同時(shí)刻發(fā)出的激光信號(hào)經(jīng)過(guò)的路程在不斷的變化，所以激光告警設(shè)備收到的激光信號(hào)頻率將發(fā)生變化。激光告警設(shè)備收到的激光信號(hào)頻率為[2]：

(4)

公式(4)是針對(duì)激光源與激光告警設(shè)備在一條直線上的相對(duì)移動(dòng)情況，vs與光速c相比，Vs/c?1，則由激光告警設(shè)備收到的多普勒頻率近似為：

(5)

(2) 設(shè)備多通道偵收的激光信號(hào)時(shí)序分析

首先，由多通道偵收的激光信號(hào)可分析認(rèn)為對(duì)抗激光源指向變化。

圖3 激光源單獨(dú)移動(dòng)情況圖

激光源單獨(dú)移動(dòng)的情況如圖3所示。圖3中，θs是與激光源S到激光告警設(shè)備O的方向有關(guān)的一個(gè)角度，在t1和t2發(fā)射激光信號(hào)的2個(gè)連續(xù)脈沖波峰之間的時(shí)間間隔如下式所示：

(6)

式中：γ=1/(1-vs2/c2)1/2，代表相對(duì)論時(shí)間膨脹的一個(gè)因子；c為光的傳播速度；f為激光源發(fā)射激光信號(hào)的重頻。

激光告警設(shè)備偵收到激光源發(fā)射的激光信號(hào)的2個(gè)連續(xù)脈沖波峰之間的時(shí)間間隔如下式所示：

(7)

則激光告警設(shè)備偵收的激光信號(hào)頻率如下式所示：

(8)

激光源與激光告警設(shè)備均移動(dòng)的情況如圖4所示。

圖4 激光源與設(shè)備均移動(dòng)情況圖

激光源與激光告警設(shè)備如圖4所示，在二維情況下移動(dòng)，則激光告警設(shè)備偵收到的激光信號(hào)頻率如下所示：

(9)

如圖4所示，θs與θo分別為在激光信號(hào)被發(fā)射時(shí)刻激光源移動(dòng)的角度和激光告警設(shè)備移動(dòng)的角度。而給定了激光源與激光告警設(shè)備之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v，則激光告警設(shè)備偵收激光信號(hào)的頻率如下式所示：

(10)

式中：β=v/c，v與光速c相比，v/c?1，則由激光告警設(shè)備收到的多普勒頻率近似為：

(11)

公式(11)與公式(5)相似，分別表示相對(duì)論多普勒頻率與經(jīng)典多普勒頻率。

根據(jù)信號(hào)重復(fù)頻率f與信號(hào)周期T的關(guān)系，將f=1/T代入公式(11)得：

T′=(1?v/c)T

(12)

假設(shè)對(duì)抗激光源的重復(fù)頻率f為20 Hz，則時(shí)間間隔T為50 ms。以光速c=3×108m/s為例，通過(guò)測(cè)量偵收激光信號(hào)的時(shí)序間隔分析對(duì)抗激光源的運(yùn)動(dòng)信息。

將上述參數(shù)代入公式(12)后，采用MATLAB軟件作出T′與v的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 T′與v的關(guān)系曲線圖

根據(jù)圖5的曲線可以通過(guò)T′的值判斷對(duì)抗激光源與激光告警設(shè)備的相對(duì)移動(dòng)速度v，以及對(duì)抗激光源與激光告警設(shè)備的相對(duì)移動(dòng)方向(遠(yuǎn)離還是逼近)。由于對(duì)抗激光源的重頻參數(shù)為預(yù)設(shè)值，同時(shí)考慮設(shè)備測(cè)量來(lái)襲激光信號(hào)時(shí)間間隔的誤差，所以只能預(yù)估對(duì)抗激光源與激光告警設(shè)備的大致相對(duì)速度信息。

2.3 擴(kuò)展激光告警設(shè)備主動(dòng)偵察能力

以往激光告警設(shè)備均作為被動(dòng)防御偵察設(shè)備，不具有主動(dòng)偵察能力。為了發(fā)展激光告警設(shè)備的主動(dòng)偵察能力，可將基于“貓眼”效應(yīng)的激光主動(dòng)偵察設(shè)備或者激光雷達(dá)與激光告警設(shè)備結(jié)合構(gòu)成光電偵察系統(tǒng)。

激光主動(dòng)偵察設(shè)備通常由高重頻激光器、激光發(fā)射和接收系統(tǒng)、光束掃描系統(tǒng)和信號(hào)處理器組成。激光主動(dòng)偵察設(shè)備利用高重頻的激光束對(duì)偵察的區(qū)域進(jìn)行掃描，在掃描到光學(xué)和光電子設(shè)備時(shí)，由于其“貓眼”效應(yīng)，對(duì)入射激光產(chǎn)生的后向反射光比漫反射目標(biāo)強(qiáng)得多，因此，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)幅度特性分析，抑制掉漫反射目標(biāo)的回波信號(hào)，達(dá)到偵察光學(xué)和光電子設(shè)備的目的。目前，主要采用距離控制增益、探測(cè)閾值或靈敏度實(shí)現(xiàn)“貓眼”目標(biāo)的識(shí)別[3]。

激光雷達(dá)是利用激光對(duì)隱身目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)與搜尋的裝置，它工作在近紅外和可見(jiàn)光波段。由于目前隱身目標(biāo)主要針對(duì)雷達(dá)波和紅外線采取隱身措施，它們對(duì)可見(jiàn)光和接近可見(jiàn)光的近紅外波段沒(méi)有明顯的隱身效果，再加上激光雷達(dá)波長(zhǎng)短、波束寬、光束質(zhì)量高、定向性強(qiáng)、測(cè)量精度高、分辨率高，對(duì)目標(biāo)具有識(shí)別、姿態(tài)顯示和軌道記錄等功能，因此激光雷達(dá)能有效地探測(cè)隱身目標(biāo)。激光雷達(dá)因其工作波長(zhǎng)僅為微波雷達(dá)的萬(wàn)分之一到千分之一，所以它比微波雷達(dá)的測(cè)量精度高，分辨率好，抗干擾能力強(qiáng)，且體積小；尤其是當(dāng)它采用小口徑天線低仰角工作時(shí)，能跟蹤低空和超低空飛行的隱身飛機(jī)[4]。

2.4 發(fā)展激光告警設(shè)備多平臺(tái)組網(wǎng)融合處理能力

以往激光告警設(shè)備作為平臺(tái)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的一員，其偵收激光信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，形成激光告警信息上報(bào)系統(tǒng)。由系統(tǒng)根據(jù)告警信息決策對(duì)抗方式及措施。平臺(tái)之間未將激光告警信息共享，仍然各自為戰(zhàn)，不能形成有效合力。

隨著激光告警設(shè)備裝備量的大幅提高，平臺(tái)之間通信技術(shù)能力飛躍發(fā)展，平臺(tái)電子戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)發(fā)展激光告警信息組網(wǎng)融合處理能力。由多平臺(tái)中負(fù)責(zé)指揮的平臺(tái)作為網(wǎng)絡(luò)融合中心平臺(tái)，其他平臺(tái)均作為網(wǎng)絡(luò)分支節(jié)點(diǎn)。各網(wǎng)絡(luò)分支節(jié)點(diǎn)平臺(tái)將激光告警信息通過(guò)各平臺(tái)之間的通信鏈路上報(bào)給網(wǎng)絡(luò)融合中心，由網(wǎng)絡(luò)融合中心將激光告警信息融合處理，為指揮平臺(tái)提供大范圍的激光威脅態(tài)勢(shì)感知能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了激光告警設(shè)備發(fā)展的幾個(gè)新思路。不同于以往激光告警設(shè)備向更高靈敏度、更高角度分辨率的方展方向，本文著眼于從激光告警設(shè)備偵收信號(hào)的特征及變化提取分析出更多有用信息，思考如何挖掘激光告警設(shè)備本身的能力，發(fā)展平臺(tái)之間如何協(xié)同利用激光告警設(shè)備，對(duì)激光告警設(shè)備的發(fā)展和設(shè)計(jì)新型激光告警設(shè)備有一定的指導(dǎo)意義。