激光对可见光探测器的干扰可行性分析

许鹏程，王科伟，杨 进，方宇耀，边文昆，沈晓兵

(1.空军预警学院，湖北 武汉 430019；2.陆军装备部驻西安地区航空军代室，陕西 西安 710065)

0 引 言

随着以信息技术为核心的新军事变革在全球范围内兴起，信息装备领域的新秀——军用光电系统已经成为了一种与雷达及声学系统并驾齐驱的高技术装备。军用光电探测技术仍然是一门飞速发展且具有广阔前景的高新技术。未来，探测距离更远、探测精度更高、覆盖谱段更宽、空间分辨率更高、反应速度更快、适应能力更强、智能化与信息化水平更高的光电探测装备将会是战场目标的重要威胁之一[1]。

而如何对抗这一军事威胁，提高战场目标的生存能力成为必须思考的首要问题。随着激光技术的不断发展，大功率、小型化激光器逐步得到应用，使得利用强激光饱和干扰或破坏光电探测系统成为可能，从而降低了目标被光电探测发现的概率，提高了战场目标生存概率。

1 激光干扰原理

激光对光电探测器干扰的目的是造成其功能性退化或暂时失效，其主要表现为光电探测器材料的温升效应和电饱和效应。在实际军事对抗应用过程中，激光对光电探测器的破坏都是远距离的，而由于受到激光能量(功率)、大气衰减以及传输距离等因素的影响，远距离干扰难以实现，干扰效果无法得到保证。并且，受到外场条件、实验手段等因素的影响，远距离干扰评估验证非常困难。本实验系统在内场条件下，对激光干扰的效果、干扰阈值等进行测量，再根据激光传输理论，推导远场条件下的激光干扰效果。

2 激光干扰实验系统搭建

实验装置如图1所示。

图1 干扰实验装置图

2.1 CCD摄像机

实验中CCD采用三轴结构，易调节，功耗低，散热好，具有良好的色彩还原性及画质，其技术指标如表1所示。

表1 CCD技术指标参数

2.2 半导体激光器

半导体激光器技术参数如表2所示。

表2 半导体激光器技术参数

2.3 激光功率计

综合考虑各种因素以及任务要求，选择了以色列OPHIR公司的功率计，外形如图2所示，指标参数如表3所示。

图2 功率计图

表3 功率计指标参数

主要特点：(1)在宽波长范围内(0.19～20 μm)光谱相应平坦，故其功率∕能量响应率不随波长而变，对工作波长范围任意波长激光器均可测量，免除波长校正的麻烦；(2)吸收表面可耐受强功率密度为1 kW/cm2，可直接测量强光；(3)高灵敏度，分辨率可达1 μW/1 μJ；(4)响应速度好；(5)热稳定性好。

2.4 视频采集卡

实验中采用的是QQDVR 4路USB高清视频采集卡，详细性能参数如表4所示。

表4 视频采集卡性能参数

实验室条件下，按照如图1所示实验结构，搭建好实验设备，打开CCD摄像机和显示器，开启激光器电源开关，调节激光功率旋钮，逐渐增加激光功率值。随着激光功率值的增加，摄像机成像效果如图3中的(a)～(d)的变化过程，当出现(d)的成像效果时，停止增加激光功率值，此时CCD摄像机已经被饱和干扰，打开激光功率计，记录激光功率值。计算CCD摄像机被饱和干扰的功率密度值为8.14×10-4W/cm2。

图3 实验得到的激光饱和干扰CCD的效果图

3 激光远距离干扰等效计算

3.1 激光远距离传输理论分析

激光通过大气传输时，将产生2种效应：一是大气组分(各种分子和气溶胶)对光波的吸收和散射作用而造成激光能量的衰减，称为大气衰减；二是大气的湍流运动使大气折射率具有随机起伏的性质，从而使光波参量——振幅和相位产生随机起伏，造成光束的散射、弯曲、分裂、扩展，空间相干性降低及偏振状态起伏等，称为大气湍流效应。本文估算只考虑大气衰减效应影响。

3.2 激光的大气传输

大气是由尺寸和成分不同的各种气体的粒子复合而成。研究表明，水蒸汽(H2O)、二氧化碳(CO2)和臭氧(O3)在可见光和红外区域有强烈的选择性吸收作用，而大部分激光器工作于此频段[2]。

大气中除大气分子外，还有大量粒度在0.33～2 000 μm之间的固态和液态微粒，即尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及微生物等。其中大多数固体微粒不但直接使大气浑浊(气象学称之为霾)，而且常常是水蒸气的凝结中心，对于形成云、雾、雨、雪具有很大作用。由于这些微粒在大气中的悬浮呈溶胶状态，所以通常统称为大气气溶胶。

由于大气气溶胶与气象学上的能见度有自然的联系，因此常常用大气能见度来描述气溶胶衰减的程度。能见度定义为：在白天水平天空背景下，对0.55 μm光(人眼视觉最灵敏的波长)，正常人眼能分辨足够大目标的最远视程。能见度等级与大气状况的对应关系如表5所示[3]。

表5 能见度等级

3.3 激光远距离传输公式推导

激光器发射激光远距离干扰光电探测器，图4为激光远距离干扰无人机载光电探测器示意图，θ为激光器光学镜头的发散角，L为激光传输到目标探测器的斜程距离。

图4 激光远距离干扰光电探测器示意图

当激光在大气中进行远距离传输时，会因为大气状态的影响而造成不同程度的衰减。实际应用中，一般常以下述经验公式来估计激光在大气中传输的衰减系数：

(1)

式中:VM为大气能见度距离值；λ为波长；q为修正因子，按能见度不同而取不同的值。

当VM<6 km能见度时，q取0.585×VM1/3；对于中等能见度，q取1.3；当能见度特别好(VM>20 km)时，q取1.6[4-7]。

激光经过大气衰减后，传输L距离后剩余的功率为：

PL=P0e-μL

(2)

式中:P0为激光器的输出功率；μ为衰减系数[8-9]。

激光到达目标探测器时的功率密度为：

(3)

式中:θ为激光器光学镜头的发散角；Lθ为目标探测器处光斑直径的大小。

将Ps与目标探测器的饱和干扰阈值Psth相比较：当PsPsth时，则探测器被饱和干扰，不能正常工作；当Ps=Psth时，通过式(3)求得的P0为在此条件下激光器可对目标探测器实施饱和干扰的最小输出功率，也是本次设计所要计算的数值。

3.4 仿真分析

本文分析轻霾(VM=5 km)、晴朗(VM=13 km)、很晴朗(VM=25 km)、特别晴朗(VM=50 km)4种条件下，饱和干扰时作用距离与所需激光功率之间的关系，如图5～8所示。

图5 轻霾状态仿真结果

图6 晴朗状态仿真结果

图7 很晴朗状态仿真结果

图8 非常晴朗状态仿真结果

(1) 轻霾条件下的仿真结果

轻霾，VM=5 km条件下，饱和干扰10 km远的光电探测器需要激光器的功率大概为5 600 W，饱和干扰20 km远的光电探测器需要激光器的功率高达1.966 3×107W，这里未考虑光学透镜的能量损失，否则需要激光器的功率会更高。因此，此气象条件下，饱和干扰10 km之内的光电探测器基本可以实现，但想作用更远的距离(20 km以上)，以目前的激光研制水平很难实现。

(2) 晴朗条件下的仿真结果

晴朗，VM=13 km条件下，饱和干扰20 km远的光电探测器需要激光器的功率相对VM=5 km的气象条件下所需激光器功率有所降低，需要约3 770 W的激光功率。但是从仿真曲线可以看出，20 km之后，随着距离的增加所需激光功率的变化曲线斜率基本为∞，所以，随着距离增加，所需激光功率急剧增加。因此，在此气象条件下，激光器基本无法实现饱和干扰20 km之外的光电探测器。

(3) 很晴朗条件下的仿真结果

很晴朗，VM=25 km条件下，仿真曲线的拐点有3个：第1个拐点出现在20 km前后，可以看出，在20 km之内，曲线斜率较小，基本趋近于0。因此，在20 km之内，饱和干扰时所需激光器功率随距离增加变化不大，在此距离之内饱和干扰所需激光功率也较低，饱和干扰20 km处的光电探测器所需激光功率为310 W。第2个拐点出现在40 km前后，在20 km～40 km之间，曲线斜率有所增加。所以，随着距离增加，饱和干扰时所需激光器功率随距离增加变化明显，饱和干扰40 km处的光电探测器所需激光功率增加到14 800 W。第3个拐点出现在60 km前后，在40 km～60 km之间，曲线斜率明显增大，60 km之后，斜率基本为∞。因此，随着距离增加，饱和干扰时所需激光器功率随距离增加开始急剧增加，60 km处所需激光器功率高达400 kW。由仿真结果可得，在此气象条件下，激光器能够实现40 km之内的远距离饱和干扰；40 km之外，所需激光器功率太高，而且随着距离进一步增加，所需激光器功率也会急剧增加。

(4) 特别晴朗条件下的仿真结果

特别晴朗，VM=50 km条件下，仿真曲线的明显拐点有4个：第1个拐点出现在40 km前后，可以看出，在40 km之内曲线斜率较小，基本趋近于0。因此，在40 km之内，饱和干扰时所需激光器功率随距离增加变化不大，所需激光功率也较低，饱和干扰40 km远的光电探测器所需激光器功率仅为1 230 W。第2个拐点出现在60 km前后，在40 km～60 km之间，曲线斜率有所增加，所以，随着距离增加，饱和干扰时所需激光器功率随距离增加变化明显，增加量基本可以接受，60 km处饱和干扰所需激光器功率为9 600 W。第3个拐点出现在 80 km前后，在60 km～80 km之间，曲线斜率明显增大，随着距离增加，饱和干扰所需激光器功率急剧增加，80 km处所需激光器功率接近60 kW。第4个拐点出现在100 km前后，100 km之后，变化曲线斜率趋于∞，这时随着距离增加，饱和干扰时所需激光器功率随距离增加开始急剧增加，100 km处所需激光器功率高达320 kW。由仿真结果可得，在此气象条件下，激光器远距离饱和干扰60 km之内的光电探测器比较容易实现，如果干扰80 km远的光电探测器，所需激光器功率达到60 kW，这对激光器工艺要求较高(如激光器功率、体积、价格等等)。

4 结束语

综合上述仿真结果可以看出，气象条件与衰减系数息息相关，而饱和干扰所需激光功率与衰减系数和传输距离呈指数关系。因此，气象条件的好坏严重制约着激光饱和干扰的作用距离。在相同激光功率值条件下，想达到更远的饱和干扰距离，就必须降低衰减系数值，即需要在良好的气象条件和能见度条件下使用。反之，如果需要在相对恶劣(衰减系数较大)的气象条件下，饱和干扰更远距离的目标，需要大幅提高激光器的功率值。随着小型、高效率、大功率激光器的不断发展，以及激光大气传输技术不断深入研究，未来中等气象条件下的远距离激光干扰将成为可能。另外，根据本文分析，制约远距离激光干扰使用的最主要因素是大气对激光束的衰减，而浩瀚的太空中基本没有大气衰减。根据大气传输公式，影响激光面功率下降的因素就只有发散角，按照当前工艺，激光发散角可以做到0.1 mrad，干扰100 km距离目标，仅需要639 W的激光功率，干扰500 km远的目标也只需大约16 000 W的激光功率。因此，研制星载激光干扰设备用以对抗星载光电侦察、红外预警系统成为可能。

光电探测器由于受性能指标、工作波段(波长)、光学系统、信号处理系统、抗干扰保护等因素影响，其激光饱和干扰功率密度值应有所差异。但本文的实验结果和理论分析为光电有源干扰指明了方向，尤其是在太空大气衰减影响较小的条件下，利用星载有源干扰对抗星载光电侦察、红外预警等是非常有效的方法。