激光告警设备发展的新思路

彭 晨

(中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047)

0 引 言

激光告警技术随着激光技术的发展而飞速发展，由早期的粗方位识别型向精方位识别型发展，由早期的单一波段、单一信号形式向多波段、多信号形式发展。简言之，激光告警设备的发展就是更高的角度分辨率，更优的接收灵敏度，更复杂的信号形式，更小的体积、功耗，更快的反应时间等。本文从激光告警设备侦收信号的特征及变化，思考如何有效利用这些信息，从而提取分析出更多有用信息。

1 激光告警设备发展趋势

早期出现的激光告警设备主要用来保护陆军战车，由数个单元光电探测器构成阵列拼接视场组成，设备的角度分辨率较低。粗略的告警方位决定了光电对抗的手段为发射烟雾弹遮挡光路，同时战车进行规避动作。随着需要光电防护的平台由陆军战车变化为海军舰船，舰载激光告警设备需包含数个激光告警探头，大大增加的设备量使设备的接收灵敏度指标和角度分辨率指标均有所提高；其防护面积也大大提高。其光电对抗手段仍为发射烟雾弹遮挡光路，同时舰船进行规避动作。舰船光电对抗手段的发展也促进了舰船激光告警设备的发展，舰载有源光电对抗对舰船激光告警设备提出了新的要求，即角度分辨率达到可引导有源光电对抗设备进行有源干扰的精度要求应运而生，出现了高分辨率舰船激光告警设备。

上述发展均围绕着提高角度分辨率、提高灵敏度及增大防护面积而进行。激光告警设备对侦收到激光信号的处理仍停留在简单的判断通道有无以及多通道信号有无的融合处理。即便提高了激光告警设备的接收灵敏度，在经过阈值比较转化为数字信号后的处理也还是判断通道有无以及多通道信号有无的简单融合处理。

2 激光告警设备发展新思路

2.1 发展对侦收激光信号幅度的处理能力

以往对侦收激光信号的处理为设定一定的阈值，对超过阈值的信号进行数字化后输出数字信号，丢失了重要的激光信号幅度信息。

采用窄脉冲峰值保持电路结合AD采样电路对侦收激光信号幅度进行采集处理。通过将放大电路升级为可控增益放大电路，从而保证了激光告警设备可以大动态范围地侦收激光信号，并对信号进行幅度采集处理。

假定激光在大气中的传播是遵守几何光学规律的：大气是均匀的、各向同性的；激光光束内的能量分布是近似均匀的或至少是轴对称的；设激光源发射每个脉冲的能量为Et，峰值功率为Pt，光学系统出射光束的束散角为θt，激光能量通过大气单位长度的衰减系数为μ，则不难得到在距离R处激光光斑单位面积的激光能量为[1]：

(1)

在距离R处激光光斑单位面积的激光峰值功率为：

(2)

根据侦收到的单个激光信号幅度，结合可控增益放大电路的增益，可推测侦收激光信号的峰值功率Pr，已知设备光电探测器光敏元面积Ar，则存在如下关系式：

(3)

结合常规对抗激光源的参数信息，可对对抗激光源的主要参数Pt和θt进行预设。假设Pt=10 MW，θt=2 mrad。大气衰减系数μ=0.12/km(标准晴朗)，Ar=0.25×10-6πm2。将上述参数代入公式(3)后，采用MATLAB软件作出Pr与R的关系曲线如图1所示。

图1 Pr与R的关系曲线图

根据图1的曲线可以通过Pr的值判断对抗激光源的距离R。由于对抗激光源的参数为预设值，并且大气衰减系数也是选取的标准值，同时考虑设备测量来袭激光信号峰值功率的误差，所以只能预估对抗激光源与激光告警设备的大致距离信息。为了得到更为精确的信息，需要进一步引导其它电子侦察设备对该方位、该大致距离区域进行重点侦察。

因为来袭激光信号峰值功率与设备侦收到的激光信号的幅度值存在正比例关系，根据侦收到的多个激光信号幅度，将多个信号幅度进行相关比较处理：如果多个信号幅度大致相当或变化缓慢，则可认为该对抗激光源为定目标或者低速移动目标；如果多个信号幅度逐渐变大或逐渐变小，则可认为该对抗激光源为移动目标，并且得到对抗激光源目标的关键信息，即目标与激光告警设备的相对距离的变化，从而判断出对抗激光源目标是逼近激光告警设备，还是远离激光告警设备。进一步根据信号幅度随时间的变化率可对应对抗激光源与设备的距离随时间的变化率，即预估对抗激光源目标移动速度。

2.2 发展对侦收激光信号的时域处理能力

以往对侦收激光信号的时域处理为根据侦收激光信号的时间间隔和重复频率解算激光信号的编码和重频，其时间处理精度约为0.1 μs。该精度对于解算激光信号的编码和重频是没有问题的。但是为了从侦收激光信号时域特征得到更多的信息，则需要更高的时间处理精度。

采用高精度时间处理芯片将时间处理精度提高到ns级别或者0.1 ns级别，对侦收激光信号的到达时刻进行较高精度的测量。将侦收多个激光信号的到达时刻在时域上进行排序，分析其间隔变化，可预估对抗激光源的运动变化情况。其可分为2种情况：一种为单一通道侦收的激光信号时序；一种为设备多个通道侦收的激光信号时序。编码信号是一定的信号序列以一定的频率进行重复，故也可作为重频信号进行分析。

(1) 单一通道侦收的激光信号时序分析

首先，由单一通道侦收的激光信号可分析认为对抗激光源指向不变。然后根据侦收激光信号的时间间隔变化，基于多普勒效应可以分析出对抗激光源与激光告警设备的距离是否变化，是逼近还是远离激光告警设备，根据其变化率可分析出对抗激光源的移动速度。

重频激光信号的多普勒效应如图2所示。激光源S以一定的重复频率f向激光告警设备O发射激光信号，激光信号以光速c向激光告警设备移动，同时激光源S与激光告警设备以相对速度Vs靠近，则激光告警设备收到的激光信号的重复频率发生变化。

图2 重频激光信号多普勒效应图

如图2所示，由于激光源与激光告警设备的相对运动，造成了激光源在不同时刻发出的激光信号经过的路程在不断的变化，所以激光告警设备收到的激光信号频率将发生变化。激光告警设备收到的激光信号频率为[2]：

(4)

公式(4)是针对激光源与激光告警设备在一条直线上的相对移动情况，vs与光速c相比，Vs/c≪1，则由激光告警设备收到的多普勒频率近似为：

(5)

(2) 设备多通道侦收的激光信号时序分析

首先，由多通道侦收的激光信号可分析认为对抗激光源指向变化。

图3 激光源单独移动情况图

激光源单独移动的情况如图3所示。图3中，θs是与激光源S到激光告警设备O的方向有关的一个角度，在t1和t2发射激光信号的2个连续脉冲波峰之间的时间间隔如下式所示：

(6)

式中：γ=1/(1-vs2/c2)1/2，代表相对论时间膨胀的一个因子；c为光的传播速度；f为激光源发射激光信号的重频。

激光告警设备侦收到激光源发射的激光信号的2个连续脉冲波峰之间的时间间隔如下式所示：

(7)

则激光告警设备侦收的激光信号频率如下式所示：

(8)

激光源与激光告警设备均移动的情况如图4所示。

图4 激光源与设备均移动情况图

激光源与激光告警设备如图4所示，在二维情况下移动，则激光告警设备侦收到的激光信号频率如下所示：

(9)

如图4所示，θs与θo分别为在激光信号被发射时刻激光源移动的角度和激光告警设备移动的角度。而给定了激光源与激光告警设备之间的相对运动速度v，则激光告警设备侦收激光信号的频率如下式所示：

(10)

式中：β=v/c，v与光速c相比，v/c≪1，则由激光告警设备收到的多普勒频率近似为：

(11)

公式(11)与公式(5)相似，分别表示相对论多普勒频率与经典多普勒频率。

根据信号重复频率f与信号周期T的关系，将f=1/T代入公式(11)得：

T′=(1∓v/c)T

(12)

假设对抗激光源的重复频率f为20 Hz，则时间间隔T为50 ms。以光速c=3×108m/s为例，通过测量侦收激光信号的时序间隔分析对抗激光源的运动信息。

将上述参数代入公式(12)后，采用MATLAB软件作出T′与v的关系曲线如图5所示。

图5 T′与v的关系曲线图

根据图5的曲线可以通过T′的值判断对抗激光源与激光告警设备的相对移动速度v，以及对抗激光源与激光告警设备的相对移动方向(远离还是逼近)。由于对抗激光源的重频参数为预设值，同时考虑设备测量来袭激光信号时间间隔的误差，所以只能预估对抗激光源与激光告警设备的大致相对速度信息。

2.3 扩展激光告警设备主动侦察能力

以往激光告警设备均作为被动防御侦察设备，不具有主动侦察能力。为了发展激光告警设备的主动侦察能力，可将基于“猫眼”效应的激光主动侦察设备或者激光雷达与激光告警设备结合构成光电侦察系统。

激光主动侦察设备通常由高重频激光器、激光发射和接收系统、光束扫描系统和信号处理器组成。激光主动侦察设备利用高重频的激光束对侦察的区域进行扫描，在扫描到光学和光电子设备时，由于其“猫眼”效应，对入射激光产生的后向反射光比漫反射目标强得多，因此，通过对回波信号幅度特性分析，抑制掉漫反射目标的回波信号，达到侦察光学和光电子设备的目的。目前，主要采用距离控制增益、探测阈值或灵敏度实现“猫眼”目标的识别[3]。

激光雷达是利用激光对隐身目标进行探测与搜寻的装置，它工作在近红外和可见光波段。由于目前隐身目标主要针对雷达波和红外线采取隐身措施，它们对可见光和接近可见光的近红外波段没有明显的隐身效果，再加上激光雷达波长短、波束宽、光束质量高、定向性强、测量精度高、分辨率高，对目标具有识别、姿态显示和轨道记录等功能，因此激光雷达能有效地探测隐身目标。激光雷达因其工作波长仅为微波雷达的万分之一到千分之一，所以它比微波雷达的测量精度高，分辨率好，抗干扰能力强，且体积小；尤其是当它采用小口径天线低仰角工作时，能跟踪低空和超低空飞行的隐身飞机[4]。

2.4 发展激光告警设备多平台组网融合处理能力

以往激光告警设备作为平台电子战系统的一员，其侦收激光信号经过处理后，形成激光告警信息上报系统。由系统根据告警信息决策对抗方式及措施。平台之间未将激光告警信息共享，仍然各自为战，不能形成有效合力。

随着激光告警设备装备量的大幅提高，平台之间通信技术能力飞跃发展，平台电子战系统应发展激光告警信息组网融合处理能力。由多平台中负责指挥的平台作为网络融合中心平台，其他平台均作为网络分支节点。各网络分支节点平台将激光告警信息通过各平台之间的通信链路上报给网络融合中心，由网络融合中心将激光告警信息融合处理，为指挥平台提供大范围的激光威胁态势感知能力。

3 结束语

本文论述了激光告警设备发展的几个新思路。不同于以往激光告警设备向更高灵敏度、更高角度分辨率的方展方向，本文着眼于从激光告警设备侦收信号的特征及变化提取分析出更多有用信息，思考如何挖掘激光告警设备本身的能力，发展平台之间如何协同利用激光告警设备，对激光告警设备的发展和设计新型激光告警设备有一定的指导意义。