超连续谱激光对可见光跟瞄设备干扰实验研究

范 瑜,程相正,邵 铭,刘 伟

(63891部队,光电对抗测试评估技术重点实验室,河南 洛阳 471000)

1 引 言

随着光电技术[1-2]的飞速发展,各种光电探测器[3-5]与光电跟瞄装备[6-7]层出不穷,极大拓展了人眼视觉范围,广泛应用在侦察预警[8]、卫星遥感、成像跟瞄[9]、精确制导[10]、靶场测量等军事领域[11]。跟瞄设备成像技术在军事上应用广泛,已用于搜索、跟踪、制导[12]等多种领域[13-[14]。超连续谱激光具有传统宽带光源的宽光谱特性和激光光源的高空间相干性,是激光干扰的理想光源[15-16]。超连续谱激光[17-18]干扰作为国内外迅速发展的一种新型激光干扰手段,其干扰机理不同于单波长激光。本文主要采用白光光纤激光器产生超连续谱激光辐照不同工作模式下的可见光成像跟瞄设备,分析比较不同工作模式下的实验结果。

2 实验系统布局及步骤

实验选用白光光纤激光器对可见光成像跟瞄设备模拟器进行干扰。白光光纤激光器的输出波长范围0.45～1.2 μm,光谱平坦度6.4 dB@0.50～1.05 μm,重复频率200.0 kHz,脉冲宽度5.6 ns,出光口光斑直径8.9 mm,功率不稳定性0.5 %。可见光成像跟瞄设备模拟器CCD探测器分辨率1280×1280,光学系统焦距21 mm,光阑孔径约4 mm,干扰激光器距离跟瞄设备18.165 m。实验布局如图1所示,合作目标置于白光光纤激光器旁,可见光成像跟瞄设备对合作目标进行捕获跟踪。在激光器出口处加光阑,经激光分束器分光,激光分束器将一路激光导入激光功率计进行功率监测,另一路激光对可见光成像跟瞄设备进行直瞄式干扰,图像采集处理系统实时采集和存储跟瞄设备的输出图像。该实验通过改变白光光纤激光器输出功率,完成了对可见光成像跟瞄设备全透、抗1.06 μm干扰等模式的辐照实验。

图1 白光光纤激光器对可见光成像跟瞄设备干扰实验布局图

3 实验结果分析及归纳

3.1 全透模式下的干扰实验

可见光成像跟瞄设备工作在全透模式,即未加窄带滤光片,光谱响应范围为0.45～1.2 μm。成像跟瞄设备采用边缘跟踪算法,首先工作在线性工作区状态,随着激光发射功率的增加,探测器处在点饱和状态,此时跟瞄设备仍能够稳定跟踪目标。当跟瞄设备入瞳处辐射功率密度进一步增大时,无法正常跟踪目标。

实验时,当入瞳激光功率密度为4.9×10-2W/cm2时,跟瞄设备探测器饱和像素个数约为43,此时跟瞄设备探测器处在饱和状态下,激光光斑如图2(a)所示,图中央的白色亮点即为激光光斑中较强部分的像点。图2(b)表示该状态下三维能量分布情况,z轴表示光斑区域的灰度值。此时,目标与干扰光斑存在一定的位置偏差,如图2(c)所示,干扰光斑小于目标且无法覆盖目标,跟瞄设备仍能稳定跟踪目标。

图2 全透模式稳定跟踪状态下激光光斑成像及三维能量分布图

逐渐增大激光功率,当入瞳激光功率密度为1.7×10-1W/cm2时,跟瞄设备能够跟踪目标,但无法稳定跟踪,处于跟踪状态临界。此时,跟瞄设备探测器饱和像素个数约为1610,此时成像跟瞄设备探测器处在中度饱和状态,激光光斑如图3(a)所示,图3(b)表示该状态下三维能量分布情况,图3(c)为合作目标与干扰光斑位置关系。从图中可以看出,干扰光斑远大于目标,目标处于干扰光斑的边缘,跟瞄设备无法稳定跟踪目标。

图3 全透模式临界跟踪状态下激光光斑成像及三维能量分布图

随着入瞳激光功率的增加,跟瞄设备探测器光斑面积随之增大,跟瞄设备无法跟踪目标,光斑的能量分布图横截面积进一步增大。由于跟瞄设备成像探测器主要用于远距离信号检测,其灵敏度较高,即使在激光功率未造成探测器损伤也可对其构成干扰。点饱和时,饱和像元数为40个左右,在中度饱和情况下,饱和像元个数已经增大到约1500个左右,跟瞄设备已经无法稳定跟踪目标。若在远距离进行干扰,由于光学系统衍射等原因,饱和像元数量会进一步增大。

根据弗朗和费衍射规律,经推导可得饱和光斑半径r为:

(1)

式(1)中,P为入瞳激光功率密度;λ为入射激光波长;α为与成像探测器材料、工艺等相关的系数,f为光学系统焦距;F为光学系统F#;Eth为探测器饱和阈值。

假设探测器单个像素(像元)面积为Sd,则饱和像素个数N为:

(2)

对式(2)等号两边分别取对数得到式(3):

lg(N)=2αlg(P)+2α[lg(λ)+2lg(f)-lg(8Fπ2Eth)]+lg(π)-lg(Sd)

(3)

式中,除N,P外其余各项均为常数,从式(3)可以看出,饱和像素个数对数值与入射功率对数值之间呈线性关系。

处理实验数据,可得如图4所示的饱和像素个数与激光发射功率的关系。其中,纵坐标采用饱和像素个数的对数作为纵轴,横坐标采用入瞳激光功率密度的对数作为横轴,拟合得到直线方程lg(N)=3.07524×lg(P)+5.4749,拟合系数0.97432。其中拟合系数越接近1,说明拟合程度越好,反之,说明直线的拟合程度越差。

图4 全透模式下饱和像素个数与发射功率的关系及对应拟合曲线

3.2 抗1.06 μm干扰模式下的干扰实验

可见光成像跟瞄设备工作在抗1.06 μm干扰模式时,跟瞄设备光学系统加载1.06 μm窄带陷波滤光片,对1060 nm±10 nm波段的激光透过率较低,从而达到抗1.06 μm单波长激光干扰的目的。

实验时,当辐照激光功率密度在2.8×10-2W/cm2时,跟瞄设备探测器饱和像素个数约为2个,此时跟瞄设备探测器处在点饱和状态下,激光光斑如图5(a)所示,图中央的白色亮点即为激光光斑中较强部分的像点。图5(b)表示该状态下三维能量分布情况。此时,饱和光斑很小,跟瞄设备能够稳定跟踪目标。

图5 抗1.06 μm模式稳定跟踪状态下激光光斑成像及三维能量分布图

进一步增大激光功率,当入瞳激光功率密度为1.7×10-1W/cm2时,跟瞄设备能够跟踪目标,但无法稳定跟踪,处于跟踪状态临界。此时,跟瞄设备探测器饱和像素个数约为1473个,此时成像跟瞄设备探测器处在中度饱和状态,激光光斑如图6(a)所示,图6(b)表示该状态下三维能量分布情况,图6(c)为合作目标与干扰光斑位置关系。对比图3、图6以及跟踪状态可知,超连续谱激光对全透模式和抗1.06 μm干扰模式的跟瞄设备干扰效果相当,这是因为跟瞄设备抗1.06 μm干扰模式加载1.06 μm窄带陷波滤光片,对1060 nm±10 nm波段的激光透过率较低,而超连续谱具有较宽的光谱特性,在0.45～1.2 μm波段范围内均具有光谱激光输出。由于陷波滤光片带通较窄,半波宽一般为10nm,因此超连续谱激光对采用这种抗干扰体制的跟瞄设备和全透的跟瞄设备干扰效果相当。

图6 抗1.06 μm模式临界跟踪状态下激光光斑成像及三维能量分布图

随着入瞳激光功率的增加,跟瞄设备探测器光斑面积随之增大,跟瞄设备无法跟踪目标,光斑的能量分布图横截面积进一步增大。依据式(3),处理实验数据可得如图7所示的饱和像素个数与激光发射功率的关系,其中纵坐标采用饱和像素个数的对数作为纵轴,横坐标采用入瞳激光功率密度的对数作为横轴,拟合得到直线方程lg(N)=3.59956×lg(P)+5.94188,横坐标单位W/cm2,拟合系数0.99403。

图7 抗1.06 μm模式下饱和像素个数与发射功率的关系及对应拟合曲线

3.3 实验结果及分析

可见光成像跟瞄设备工作在全透模式,辐照激光功率密度为4.9×10-2W/cm2,跟瞄设备探测器呈现饱和但仍能跟踪目标;入瞳功率密度为1.7×10-1W/cm2时,跟瞄设备探测器呈现中度饱和,但无法稳定跟踪,处于跟踪临界状态。

可见光成像跟瞄设备工作在抗1.06 μm干扰模式,辐照激光功率密度为2.8×10-2W/cm2,跟瞄设备探测器呈现点饱和,能够稳定跟踪目标;入瞳功率密度为1.7×10-1W/cm2时,跟瞄设备探测器呈现中度饱和,但无法稳定跟踪,处于跟踪临界状态。

对比超连续谱激光对可见光成像跟瞄设备全透模式和抗1.06 μm干扰模式下的实验结果可知,超连续谱激光对这两种模式的跟瞄设备干扰效果相当;相比1.06 μm单波长激光,超连续谱激光能够有效对抗镀有截止膜的可见光成像跟瞄设备。

4 结 语

本文主要采用白光光纤激光器产生超连续谱激光,对不同模式下的可见光成像跟瞄设备进行辐照,得到了不同工作模式下跟瞄设备探测器干扰阈值数据,通过拟合得到了探测器饱和像元数与干扰激光功率密度之间的数学关系式,并对跟瞄设备不同工作模式下的实验结果进行了分析比较。实验结果对超连续谱激光干扰装备的论证、设计具有一定的参考意义。