新型选通成像激光告警技术的发展*

张 欣 李延胜

(1.海军航空工程学院青岛校区 青岛 266041)(2.92727部队 长治 046001)



新型选通成像激光告警技术的发展*

张 欣1李延胜2

(1.海军航空工程学院青岛校区 青岛 266041)(2.92727部队 长治 046001)

论文提出了一种基于选通成像技术的激光告警系统,提高了系统的分辨率。同步选通成像可以抑制背景噪声,大幅度提高了信噪比。从工程应用需求考虑,进行了实用性设计。根据设计参数估算,灵敏度约为μW/cm2水平,并具有mrad量级的二维空间分辨率。最后,分析了选通成像激光告警技术的在光电对抗方面的作战应用前景。

激光告警; 选通成像; 短波红外

Class Number TN971

1 引言

成像探测型激光告警是当前获得空间高角度分辨率的主要技术体制,它采用与激光威胁波长相匹配的成像探测器配置成像光学系统。例如,美国研制的高精度激光告警接收机(HALWR),其覆盖范围为方位角30°,俯仰角为20°,灵敏度为0.28mW/cm2,而测量角精度接近1mrad,有效地防范了外来激光武器袭扰。本文就新型选通成像激光告警技术及其发展和应用进行研究和探讨[1]。

2 新型选通成像激光告警系统及性能特点

2.1 系统组成

选通成像激光告警技术是一种新型成像激光告警技术,确切的说是于来袭时刻同步曝光的成像探测技术。选通成像型激光告警系统通常由接口电路、图像处理模块和选通成像探测器组成[2]。

典型的短波红外波段光电探测器材料是InGaAs和MCP(HgCdTe)。这两种探测器的曝光时间最短可达到数十纳秒,比激光目标指示器等激光威胁脉冲宽度大一到两个数量级,适合对威胁点源目标选通成像。从响应速度方面考虑,InGaAs材料的探测器要略快些,且主要适于0.9μm～1.7μm波段探测,MCP材料探测器对于1.7μm～2.5μm响应更好。如果选用Xenics公司生产的InGaAs材料640×512面阵探测器,配12.5mm焦长镜头,有效孔径约为9mm,视场为55.6°×42.5°,其分辨率可达2.8mrad。

2.2 系统工作过程

选通成像激光告警系统的工作过程可以分为三个阶段:

1) 系统初始化完成,选通门关闭,不进行同步选通成像。同时探测器面向大致来袭方向,令激光威胁进入视场。

2) 启动选通成像,令威胁激光进入相机,选通门超前于威胁脉冲开启,持续时间略大于威胁脉冲宽度,使背景辐射等其他的干扰光尽可能少进入相机,这样形成的目标图像主要与选通时间内的威胁激光及光背景噪声有关。

3) 最后进行SWIR图像处理,滤除图像上的噪声,基于特定的判别算法标准,提取威胁点源目标。

2.3 同步选通控制技术

同步选通控制是选通激光成像系统的核心技术,直接关系到能否得到目标的选通图像。

对于10ns级脉冲宽度激光,若不进行同步积分,可能导致激光脉冲落入CCD积分时间区以外,探测不到目标反射回来的激光信号。由于常规CCD成像的积分时间为几十毫秒,即使探测到激光回波信号也包含大量背景噪声,信噪比低下。因此,必须实现同步的超短积分,即激光威胁信号到达时刻与成像探测器积分高度同步,在这种工作模式下,积分模式获得的增益接近跨阻模式。

2.4 性能特点

与传统成像型激光告警器相比,选通成像系统具有的优势包括:低频的背景噪声获得大幅度抑制,大气闪烁对探测概率影响小,无场曲和畸变,曝光时间极短可抑制多径散射等,而且具有接收灵敏度高、信噪比高的性能特点[3]。

1) 接收灵敏度仿真分析

天空背景是最主要的噪声源,假定光学系统的透过谱段为0.9μm～1.2μm,其天空背景辐射量估算为

其中:Ar为接收镜头有效面积,取6.36×10-5m2(9mm口径);θr为单像素分辨率,即单像元对应的方位或俯仰角度范围,取1.6mrad;T为接收光学系统的效率,取0.80;Pλ为背景光谱辐射亮度。

该波段范围的光谱背景辐射亮度较好,利用Modtran软件计算,在(白天)23km的能见度,平视条件下,0.9μm～1.2μm波段天空背景噪声光谱辐射亮度为7.89W/m2sr。

根据上述公式计算不同探测俯仰角度下,系统接收到的总天空背景辐照量,其平视条件下的天空背景辐射最强。

计算接收到的总天空背景辐照量为9.23×10-10W(探测器NEP为1.5×10-13W)。若以400ns为积分时间,以20倍天空背景噪声确定探测阈值(即阈噪比为20),则最低可探测灵敏度相当于μW/cm2量级(假定威胁源脉冲宽度为10ns)。

2) 信噪比分析

选通成像使得光电流积分模式获得的增益接近跨阻模式,并有效抑制了噪声,形成高信噪比:

由于威胁信号脉冲宽度小于探测器积分时间,可假定Et与积分时间无关;Ee.n取决于诸多工程因素,通常很小。

SNR主要由背景辐射能量决定,因此积分时间越短,背景辐射能量越低,信噪比越大。

对于传统的CCD成像激光告警探测器而言,若采用双机交替积分,其中任意单机帧频为100Hz,则积分时间为10ms;采用同步选通,积分时间可达100ns;假定忽略电学系统和瞬时光学噪声的等效噪声总和,SNR差异100000倍。

3 发展与应用

3.1 发展

1) 美国陆军开发直升机激光威胁告警系统。美国《军事与航空航天电子学》2013年8月23日报道:美国陆军航空专家需要激光检测系统以保护直升机免受使用激光测距仪、激光指示器和激光致盲武器的防空武器的威胁。专家们在美国UTC航空系统公司ISR系统分部找到解决方案。陆军合同司令部宣布向UTC航空公司授予2.085亿美元多年合同,用于开发陆军/海军有人驾驶飞机/可视化和可见光/接收、无源检测(AN/AVR-2B)激光检测系统(LDS)[4]。

AN/AVR-2激光检测直升机航电系统是一个接收、处理和显示威胁信息的被动激光告警系统,当直升机被激光照射到时以提醒机组人员采取回避行动。短程防空导弹和防空火炮通常使用激光制导。激光检测系统(LDS)显示座舱内AN/APR-39A(V)1雷达检测装置指示器的威胁信息。系统有一个接口单元比较仪和四个相同的传感器单元。

能够装载AN/AVR-2激光检测装置的直升机包括美国海军陆战队的AH-1F眼镜蛇武装直升机、陆军AH-64阿帕奇攻击型直升机、陆军MH-60K和EH-60A黑鹰直升机、MH-47E重型运输直升机和OH-58D基奥瓦武装侦察直升机。

AN/AVS-2B(V)型激光检测系统采用的技术源于被取消的RAH-66科曼奇项目的开发技术。该系统与先前的AN/AVR-2A(V)型相比体积减小40%,重量减轻45%,功耗减少45%。系统提供增强的威胁检测和数据接口能力,并且验证可靠性增强500%。其模型已在2004年服役。

2) 法国研发新一代激光指示吊舱。法国《宇航防务》网站2014年1月10日报道:法国国防采购局(DGA)已授予泰勒斯公司一份合同,开发新一代激光指示吊舱(PDL NG)。最近的里程碑是2013年风险降低阶段的后续,系列生产预计将于2018年启动[5]。

泰勒斯公司将开发PDL NG,该吊舱将为法国空军提供复杂作战环境下新的昼夜成像和交战能力,旨在集成到阵风战斗机和幻影2000D战斗机上。

在风险降低阶段,任何方案开发的第一步就是确定系统的体系结构,其高水平的功能集成、可靠性和发展计划。

此项合同的授予证实了未来空战系统中光电的重要性,认证了泰勒斯公司在过去40年在激光侦察和指示系统方面拥有的技术和业务专业知识。

泰勒斯公司负责光电业务的副总裁吉尔·米谢林表示,国防采购局和法国空军选择我们开发这一新系统,我们感动非常骄傲。新一代激光指示吊舱是规范细则制定者、用户和泰勒斯公司密切和建设性合作的结果,它将为空军提供一个有效、有竞争力的系统。这项开发合同的授予表明了法国政府对机载光电业务和其工程及工业能力的支持。

3) 美海军首次部署机载激光探雷系统。美国海军网站2014年8月6日报道:美海军已在第五舰队负责区域首次部署机载激光探雷系统(ALMDS)。ALMDS是激光传感器系统,可用于探测、分类并定位漂浮水雷和靠近水面的系留水雷[6]。

8月4日,美海军第26直升机海上作战分队第2分遣队在第五舰队的责任区域,开始对首次部署的ALMDS系统进行试验与演示验证。ALMDS部署于MH-60S直升机上,可对近海水域、密闭海峡、阻塞点的水雷威胁提供快速的广域侦察和评估。美海军官员米勒中将表示,美海军第五舰队重点在其所辖区域内减轻海基水雷造成的威胁,这一行动十分必要,ALMDS在该战区的部署将提高美海军的反水雷能力,同时,美海军部署的ALMDS及其它反水雷系统还将确保海上通道的开放。

直升机激光探雷系统项目负责人西奥多少校表示,ALMDS是由激光驱动的系统,其工作原理类似于雷达:系统向水中发射激光,激光遇到障碍物后发生反射,系统接收到反射回来的信息、进行暂存,并利用该数据信息生成视频图像,以便于地面技术人员对水中的目标物体进行判定。

多年以来,美海军第五舰队及其它舰队在执行机载探雷任务时,一直广泛使用其最大的MH-53E海龙号直升机。而较小型的MH-60S直升机一直是执行反水面战、作战支援、人道主义救灾、战斗搜索与营救、空中医疗后送、及特种作战等任务的平台。ALMDS部署于较小的MH-60S直升机上,使得美海军将机载反水雷技术部署到更小型的直升机平台上,这些直升机可在更小型的舰艇上部署飞行,从而确保美海军将反水雷技术应用到此前无法靠近的区域,扩展海军反水雷任务的执行能力。

4) 美国空军为不同型号C-130订购LAIRCM激光导弹对抗系统。军事宇航网站2014年9月26日报道:根据本月宣布的一项价值2800万美元修正合同,诺斯罗普·格鲁门公司导弹防御专家将为28架美国空军C-130四发涡轮螺旋桨飞机安装基于激光的导弹对抗系统[7]。

美国空军全寿命管理中心官员正要求诺斯罗普·格鲁门公司电子系统工程师将光学大型飞机红外对抗系统(LAIRCM)安装到飞机上。根据修订合同,诺斯罗普·格鲁门公司将为一个C-130空军大队装备LAIRCM成套设备,其中11套配备给AC-130H,12套配备给MC-130U,另外5套配备给EC-130J心理战飞机。

5) 诺·格公司将为美国海军研制机载激光水雷探测系统。军事航空航天电子学网站2014年12月30日报道:诺斯罗普·格鲁曼公司称,根据一份总价值1.636亿美元的合同,该公司将为美国海军提供一种直升机机载的激光水雷探测系统,用于探测海洋中水面和水下的水雷[8]。

该系统名为AN/AES-1机载激光水雷探测系统(ALMDS),是为美国海军近海战斗舰搭载的MH-60S直升机研制的机载光电系统,使用条纹管成像光探测和测距(LIDAR)传感器来探测、分类和定位水面和靠近水面的水雷。

美国海军官员称,该系统提供了一种革命性的、高区域覆盖率的能力,将成为远征舰队和航母打击群的有机组成部分。该系统将作为美国新型近海战斗舰水雷反制措施(MCM)任务包的一部分,旨在对沿海水域、海港、狭窄的海峡、瓶颈地区、可能发生两栖突击的地区等航母与远征打击群的必经之地的反舰水雷进行快速的大面侦察与评估。

该系统的脉冲激光器和条纹管接收器安装在MH-60直升机的外置吊舱当中,对从水面到水下约12m的位置进行扫描,该区域的水雷最具威胁性且为反水雷的声呐系统探测效果最为薄弱之处。该系统会对可能藏有水雷的整片水层进行成像,向水中发射538nm宽的蓝绿色激光束,并以每秒大于100次的频率采样。该系统可以在不依赖拖曳设备的情况下全天时工作,并能够通过飞机向前移动来获得图像数据,而无需复杂的扫描机制。

该系统通过一个标准的“炸弹架单元-14”底座与MH-60直升机相连,并通过一根主电缆和一根副电缆与操作员控制台相连。该系统与所有的MH-60直升机机载反水雷系统共用同一个操作员控制台,获得的数据存储在一个大容量存储器之中。

该系统使用了VMETRO公司的中央电子底盘,该底盘是结合了现场可编程门阵列(FPGA)和威力芯片处理器的液体冷却空气运输架系统,拥有CSW1 6U VXS型交换卡和VPF1型四核处理器载荷卡。包含了这两种组件的主板可对高速串行通信的图像传感器数据进行实时多任务的处理。

3.2 应用

激光告警技术的发展趋势是实现激光威胁源的精确定向,以便在一些系统中引导有源干扰或火力反击[9]。

1) 研发全向凝视型激光告警系统。常规的激光威胁主要是波长为1.06μm、1.54μm和1.57μm的激光测距机和激光目标指示器,因此,发展全向凝视型激光告警系统是必然趋势。

2) 反辐射引导。激光反辐射是一种专门摧毁敌军激光目标指示器的末端防御武器。选通成像激光告警系统可跟踪、锁定目标,并可共享精确目标图像至导弹作为寻的蓝本,实现对激光反辐射导弹引导,快速摧毁激光威胁源。

3) 干扰或致盲引导。激光眩目、干扰或致盲探测器已经成为一种实用有效的武器,采用选通成像激光告警系统精确引导激光装备干扰或摧毁敌激光目标指示器。

4) “猫眼”功能。“猫眼”目标的激光主动探测,激光光点追踪。例如,选通成像工作模式利于在“猫眼”探测应用中抑制后向散射;而SWIR波段有多种波长供可用于编队协同作战时目标指示。

5) 短波红外夜视。短波红外激光成像探测器分辨率高,稳定性好。

4 结语

选通成像型激光告警技术是具有mrad量级的空间分辨率,灵敏度高且反应快速,可使激光告警直接引导火控、激光干扰、激光武器甚至激光反辐射武器成为可能;可以说,选通成像激光告警是一种颇具发展前景的激光告警技术,具有快速、精确的转守为攻的战术潜力[10]。

[1] 任国光,黄裕年.战术高能激光武器的发展现状和未来[J].激光与红外,2002,32(4):211-217.

[2] 竹孝鹏,刘继桥,贺岩,等.532nm激光距离选通成像系统[J].红外与激光工程,2012,41(2):358-362.

[3] 王建军,张沛露,李岩,等.激光告警内场仿真试验系统的设计[J].光学精密工程,2010,18(9):1936-1942.

[4] 美国陆军开发直升机激光威胁告警系统[N].每日防务快讯,2013-09-02.

[5] 法国研发新一代激光指示吊舱[N].每日防务快讯,2014-01-20.

[6] 美海军首次部署机载激光探雷系统[N].每日防务快讯,2014-08-19.

[7] 美国空军为不同型号C-130订购LAIRCM激光导弹对抗系统[N].每日防务快讯,2014-10-17.

[8] 诺格公司将为美国海军研制机载激光水雷探测系统[N].每日防务快讯,2015-01-08.

[9] 李达,李云霞,蒙文,等.低慢小目标面阵推进式激光成像探测方法研究[J].激光技术,2014,38(1):44-48.

[10] 李达,李云霞,蒙文,等.激光主动成像技术应用及发展[J].电光与控制,2013,20(9):59-63

Development of New Type of Gated Imaging Laser Warning Technology

ZHANG Xin1LI Yansheng2

(1. Naval Aeronautical Engineering Institute Qingdao Branch, Qingdao 266041) (2. No. 92727 Troops of PLA, Changzhi 046001)

A gated imaging laser warning system, which can improve the high resolution is put forward in this paper. Synchronous gated imaging can restrain background noise, significantly improves the signal-to-noise ratio. Considering engineering requirements and application, the practical design is done. According to the estimation of design parameters, the scale of mrad two-dimensional spatial resolution is gotten. Finally, the gated imaging laser warning technology in the aspects of combat application prospect is analyzed.

laser warning, gated image, SWIR

2014年12月7日,

2015年1月24日

张欣,女,硕士,副教授,研究方向:雷达及信号处理。

TN971

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.004