激光對(duì)長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備的干擾效應(yīng)研究
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初學(xué)蓮 ， 姜 冶 ， 蔡猛 ， 郁品一 ， 張?jiān)?nbsp;， 周德召
（1．中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南洛陽(yáng)471000；2．中國(guó)人民解放軍駐六一三所軍事代表室，河南洛陽(yáng)471000）
摘要：理論分析了激光對(duì)長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備的干擾原理，搭建了干擾試驗(yàn)環(huán)境，通過試驗(yàn)研究了9.4 μm激光的功率、重復(fù)頻率、束散角等參數(shù)對(duì)探測(cè)設(shè)備的飽和串音影響，利用激光在探測(cè)器上所呈光斑大小以及光斑與背景對(duì)比度衡量紅外探測(cè)設(shè)備產(chǎn)生飽和串音的程度，經(jīng)過分析確定了激光對(duì)紅外探測(cè)設(shè)備的干擾效應(yīng)取決于到達(dá)紅外探測(cè)器上的激光功率密度。試驗(yàn)得到了在重復(fù)頻率為20 kHz時(shí)，長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備的干擾閾值為39. 89 mW/cm2，取得了與理論分析一致的試驗(yàn)結(jié)論，為紅外探測(cè)設(shè)備的防護(hù)技術(shù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。
0 引言
長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備具有抗電子干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好、定位精度高、探測(cè)隱身目標(biāo)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并可完成對(duì)空目標(biāo)探測(cè)、跟蹤、定位，同時(shí)兼顧對(duì)地面目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別、跟蹤、測(cè)距等作戰(zhàn)任務(wù)，是飛機(jī)航電系統(tǒng)的重要傳感裝備之一。國(guó)內(nèi)外多型飛機(jī)均裝備長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備，在戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮著重要的作用。
光電對(duì)抗技術(shù)的快速發(fā)展，使激光干擾對(duì)象已不局限于終端武器系統(tǒng)，正在向光電探測(cè)設(shè)備擴(kuò)展，影響其對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的探測(cè)，并直接導(dǎo)致無法引導(dǎo)火控系統(tǒng)實(shí)施打擊。因此，研究光電探測(cè)設(shè)備的激光干擾和防護(hù)技術(shù)十分必要。國(guó)內(nèi)對(duì)HgCdTe探測(cè)器的激光干擾研究做了許多工作，已有研究所開展了10.6 μmC02脈沖激光對(duì)長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的干擾試驗(yàn)研究，得出了HgCdTe探測(cè)器的干擾閾值；某高校開展了10.6μm激光對(duì)HgCdTe探測(cè)器的干擾閾值的實(shí)驗(yàn)研究，并分析了不同脈寬的激光脈沖對(duì)干擾效果的影響；而9.4μm脈沖激光對(duì)機(jī)載長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備的干擾試驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)至今未見報(bào)道。
本文將通過試驗(yàn)來研究9.4μm長(zhǎng)波紅外激光的功率、重復(fù)頻率、束散角等參數(shù)對(duì)長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備的干擾效應(yīng)，以獲得長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備的干擾閾值，為確定紅外探測(cè)設(shè)備的防護(hù)方向并建立有效的防護(hù)措施提供參考。
1 工作原理
目標(biāo)的紅外輻射經(jīng)過長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入紅外探測(cè)器，探測(cè)器上的感光元器件把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)被讀取出來后經(jīng)過積分放大、采樣保持，通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終使外界的熱輻射分布轉(zhuǎn)變成具有灰度信息的圖像，圖像的灰度和目標(biāo)的輻射亮度成正比，通過目標(biāo)檢出及跟蹤算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的截獲跟蹤。
根據(jù)前期對(duì)中紅外激光干擾紅外探測(cè)系統(tǒng)的研究，只要激光能夠進(jìn)入紅外探測(cè)系統(tǒng)的核心部件——紅外焦平面陣列探測(cè)器，并且具有足夠大的功率密度值，就會(huì)對(duì)紅外探測(cè)器實(shí)現(xiàn)軟破壞，從而影響紅外探測(cè)系統(tǒng)的搜索、跟蹤性能，即可認(rèn)為激光實(shí)現(xiàn)了對(duì)探測(cè)設(shè)備的有效干擾。由于紅外探測(cè)器是能量累積型，并且具有極高的探測(cè)靈敏度，極易受到激光的干擾和損傷，利用激光對(duì)探測(cè)器件的輻照產(chǎn)生的光飽和“串音”現(xiàn)象是對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)的一種很有效的干擾方法。
光飽和“串音”現(xiàn)象是由紅外焦平面探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和工作方式?jīng)Q定的，其光敏元和轉(zhuǎn)移傳輸元都是串行的，各源之間用溝阻隔開，但基底是在一起的。紅外焦平面探測(cè)器的每個(gè)像元可等效成一個(gè)勢(shì)阱，所能存儲(chǔ)和處理的最大電子電荷數(shù)是一定的。當(dāng)較強(qiáng)的激光輻照探測(cè)器局部時(shí)，電荷向鄰近勢(shì)阱“溢出”(見圖1），即在短時(shí)間內(nèi)大量電荷在光信號(hào)積分時(shí)間內(nèi)向鄰近區(qū)域流動(dòng)，造成“串音”。一般情況下，紅外探測(cè)器的光信號(hào)積分時(shí)間為幾微秒至幾百毫秒，而產(chǎn)生電荷的時(shí)間為10 -12 s的量級(jí)，因此電荷有足夠的時(shí)間溢出。在有大量電荷存在情況下，電荷的收集、轉(zhuǎn)移傳輸過程都有“串音”的可能。如果再增加激光強(qiáng)度，電荷的“串音”效應(yīng)加劇，電荷溢出到探測(cè)器整個(gè)像面，產(chǎn)生全域飽和。雖然光飽和“串音”現(xiàn)象并沒有對(duì)探測(cè)器材料造成破壞，但干擾了探測(cè)系統(tǒng)的正常工作。
對(duì)于長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備，對(duì)其飽和的干擾機(jī)理是相同的，決定干擾效果的主要因素是到達(dá)長(zhǎng)波紅外探測(cè)沒備光學(xué)系統(tǒng)的激光功率密度。
2試驗(yàn)設(shè)計(jì)
圖2所示為試驗(yàn)布局示意圖。
長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備采用制冷型HgCdTe長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，工作波長(zhǎng)為8~ 12 μm，面元數(shù)為320×256，面元尺寸為20 μm×20 μm，占空比0.9;長(zhǎng)波紅外激光器采用波長(zhǎng)為9.4 μm大功率C02氣體激光器，初始光斑為3 mm，束散角為8 mrad，輸出功率為0N100 W。長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備與激光器正對(duì)放置，使激光器成像在探測(cè)設(shè)備的視場(chǎng)內(nèi)。激光器出光位置可根據(jù)需要放置擴(kuò)束裝置和／或衰減片，擴(kuò)束裝置的擴(kuò)束倍率為1~10可調(diào)節(jié)，衰減片衰減系數(shù)分別為0.1，0.2和0.5。
將試驗(yàn)設(shè)備上電，調(diào)整長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備方位、俯仰，使長(zhǎng)波紅外激光器出光口基本呈現(xiàn)在視場(chǎng)中心。開啟長(zhǎng)波紅外激光器的綠光準(zhǔn)直光源，并調(diào)整激光器方位、俯仰，使綠光照射在長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備視場(chǎng)中心附近，以上過程完成了長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備和長(zhǎng)波紅外激光器的光軸對(duì)準(zhǔn)。
將長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備的紅外視頻信號(hào)輸出到監(jiān)視器上進(jìn)行顯示。
設(shè)置紅外激光的功率、重復(fù)頻率和束散角等參數(shù)，利用功率計(jì)測(cè)量激光輸出功率，根據(jù)輸出功率值，選擇施加的衰減片種類（不同透過率）和數(shù)量。移開功率計(jì)，使激光入射到長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)中，觀察監(jiān)視器顯示的視頻畫面是否受干擾及受干擾產(chǎn)生飽和“串音”的程度，并記錄視頻數(shù)據(jù)。
3試驗(yàn)結(jié)果
3.1 功率對(duì)干擾效果影響
在重復(fù)頻率（f= 20 kHz）和束散角（θ=8 mrad）不變的情況下，改變長(zhǎng)波紅外激光的平均功率進(jìn)行干擾試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。
從表1可以看出激光峰值功率為0. 78 mW時(shí)，長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備開始出現(xiàn)飽和串音。用光斑大�。ㄔ谔綔y(cè)器上形成的光斑所占的像素?cái)?shù)）和光斑與背景的對(duì)比度數(shù)值衡量飽和串音的程度（見圖3），發(fā)現(xiàn)激光功率越高，飽和串音現(xiàn)象越明顯。
計(jì)算使探測(cè)器產(chǎn)生飽和串音的激光功率密度為
即飽和串音發(fā)生的閾值為39. 89 mW/cm2，探測(cè)器像元?jiǎng)葳逡驯浑姾沙錆M，當(dāng)激光峰值功率繼續(xù)提高時(shí)，電荷將向周圍像元溢出，使未被激光照射區(qū)域照亮，因此經(jīng)過飽和串音產(chǎn)生的激光光斑大于理論計(jì)算光斑，與文獻(xiàn)中記載的HgGeTd紅外探測(cè)器飽和干擾閾值一致。
3.2 重復(fù)頻率對(duì)干擾效果影響
在激光平均功率和束散角(0=8 mard)不變的情況下，改變長(zhǎng)波紅外激光的重復(fù)頻率進(jìn)行干擾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。
從表2中可以看出，激光峰值功率和束散角相同時(shí)，重復(fù)頻率不同，但干擾效果基本一致；峰值功率越高，激光飽和串音產(chǎn)生的光斑越大，干擾效果越明顯。
重復(fù)頻率不同時(shí)，對(duì)探測(cè)器干擾的差別主要是在探測(cè)器一次積分時(shí)間內(nèi)，激光脈沖的寬度和脈沖數(shù)目不同，但是由于峰值功率相同，所以干擾效果是一致的，且激光峰值功率對(duì)干擾效果的影響起主要作用，即峰值功率越高，飽和串音效果越明顯。
3.3束散角對(duì)干擾效果影響
在激光平均功率( Pf =5. 38 mW)和重復(fù)頻率(f=1kHz)不變的情況下，改變長(zhǎng)波紅外激光的束散角進(jìn)行干擾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。
從表3中可以看出，在激光平均功率、重復(fù)頻率等參數(shù)不變的情況下，隨著激光擴(kuò)束倍數(shù)逐漸變小，即激光束散角逐漸變大，飽和串音效果逐漸減弱。
激光經(jīng)過長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)在紅外探測(cè)器上成像光斑，當(dāng)激光束散角變大，激光在探測(cè)器上產(chǎn)生的光斑變大，由于入射激光功率一定，光斑變大導(dǎo)致激光入射到紅外探測(cè)器像元上的激光功率密度變小，所以飽和串音效果會(huì)逐漸減弱。
3.4誤差分析
對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可能產(chǎn)生誤差的原因有：
1)激光器自身的激光輸出功率存在不穩(wěn)定性，即在同樣供電輸入的情況下，激光輸出功率存在波動(dòng)，波動(dòng)范圍不超過1%，因此可認(rèn)為激光輸出功率存在最大1%的誤差；
2)由于激光具有一定束散角，且功率計(jì)探頭面積有限，因此測(cè)量激光功率時(shí)將功率計(jì)放置在激光器出口位置，經(jīng)過大氣傳輸存在一定程度的衰減，但是由于是在試驗(yàn)室內(nèi)，工作距離僅有幾十米，因此認(rèn)為大氣對(duì)激光功率的衰減可忽略不計(jì)；
3)探測(cè)器上激光光斑大小的測(cè)量是通過Matlab圖像灰度值統(tǒng)計(jì)完成數(shù)據(jù)處理，對(duì)光斑邊界的像素測(cè)量統(tǒng)計(jì)會(huì)存在一定的誤差，但由于光斑邊緣像素?cái)?shù)目較少，因此對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果影響較小。
4結(jié)論
試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，即激光對(duì)長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備的干擾效應(yīng)為紅外探測(cè)器的光飽和串音，并且飽和串音程度主要取決于入射到探測(cè)器單位面積上的激光脈沖峰值功率，即激光功率密度。當(dāng)激光功率密度大于探測(cè)器的干擾閾值，則出現(xiàn)飽和串音干擾現(xiàn)象，且激光功率密度越高，干擾效果越好。對(duì)于重復(fù)頻率為20 kHz的長(zhǎng)波紅外激光，長(zhǎng)波紅外探測(cè)設(shè)備發(fā)生飽和串音的激光干擾閾值在數(shù)卜毫瓦每平方厘米量級(jí)。同時(shí)，根據(jù)大量干擾試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出，紅外探測(cè)設(shè)備的受干擾程度可通過激光在探測(cè)器上成像光斑的大小及光斑與背景的對(duì)比度反映出來，二者可以作為定量衡量飽和串音程度的指標(biāo)，也可作為衡量激光干擾防護(hù)措施有效程度的指標(biāo)。
