光谱识别与相干识别激光告警接收机评述.doc

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1、2006 年 第 20 卷 第 2 期测试技术学报V o l. 20 N o. 22006 ( 总第 56 期) JO URNAL O F TEST A ND M EA SUREM ENT TECHNOLO GY (Sum N o. 56) 文章编号: 167127449 (2006) 0220095207光谱识别与相干识别激光告警接收机评述张记龙, 王志斌, 李晓, 田二明(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051)摘 要: 激光告警接收机是光电对抗的重要组成部分, 在现代战争中起着重要的作用. 论文以掌握的激光 告警接收机的相关文献为基础, 结合作者的研究情

2、况, 阐述了激光告警接收机的发展现状, 重点论述了相干探测激光告警接收机的原理和性能比较, 并指出了激光告警接收机的发展方向.关键词: 激光; 相干探测; 接收机; 告警; 光谱识别中图分类号:TN 247文献标识码: AA Rev iew of L a ser W arn in g Rece iver s Ba sed on Spec tra lD iscr im ina t ion an d Coheren t D e tec t ionZHA N G J i2lo n g, W A N G Zh i2b in , L I X iao , T IA N E r2m in g(Key L a

3、bo ra to ry o f In st rum en ta t io n Sc ience & D ynam ic M ea su rem en t o f M in ist ry o fE duca t io n, N o r th U n ive r sity o f C h ina, T a iyuan 030051, C h ina)A bstra c t:L a se r w a rn in g rece ive r is an im po r tan t p a r t in op to - e lec t ro n ic co u n te rm ea su re, p la

4、y s anim po r tan t ro le in m o de rn w a r. th e deve lop in g sta tu s quo o f la se r w a rn in g rece ive r is de sc ir ib ed b a sed o nre la t ive tech n ica l lite ra tu re s, th e w o rk in g p r in c ip le o f co h e ren t de tec t in g L a se r w a rn in g rece ive r is m a in ly d iscu s

5、sed. P ap a r m ak e s ch a rac te r ist ic com p a re am o n g d iffe ren t co h e ren t de tec t in g la se r w a rn in g rece ive r s, an d a t th e en d, p ro d ic t s th e deve lop in g t ren d.Key word s: la se r; co h e ren t de tec t io n; rece ive r; w a rn in g; sp ec t ra l d isc r im in

6、a t io n激光告警接收机在光电对抗中的作用和技术要求电子战作为现代战争的一个重要组成部分, 贯穿于战争全局, 渗透到了战争的各个方面, 成为与制 空权、制海权同等重要的战略要素. 光电对抗是其重要组成部分, 它是敌对双方采取的军事行动, 是敌1对双方在紫外、可见光和红外波段上, 利用各种设备和措施进行光电侦察与反侦察、光电干扰与反干扰、光电摧毁与反摧毁的综合光电斗争, 以摧毁、破坏或削弱敌方光电设施和人员战斗力, 保证己方的光电设备和人员战斗力得到充分的发挥.光电侦察包括光电情报侦察和光电技术侦察. 光电情报侦察的任务是通过定位、分析、识别光辐射 来获得敌方武器与光电设备的类型、用途、数

7、量、方位或位置、部署、武器系统的配置和行动企图; 光电 技术侦察主要用来查明敌方光电装备的战术、技术性能, 识别其发射的光的功率、波长、调制特性和光 信号的脉冲宽度、脉冲频率、以及编码等技术参数, 为制定光电对抗措施提供依据.光电被动侦察是利用各种光电探测系统截获和跟踪敌方发出的光辐射, 经分析处理和识别, 获得敌方光 电装备的战术性能、技术参数. 激光告警接收机就是用来探测和识别敌方来袭激光特征信息的光电被动侦察设备. 激光告警接收机功能包括探测来袭信号、鉴别虚假信号与真实信号、确定激光的性质以及定位激光源.激光告警接收机可用于固定机翼飞机、直升机, 地面车辆、舰船以及卫星上, 其功能是给指

8、挥平台 收稿日期: 2005210212基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 60572019; 60378019)作者简介: 张记龙 ( 1964- ) , 男, 教授, 博导, 主要从事光电信息技术研究. 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 发出警告, 告知激光威胁的存在, 包括火控武器及各种激光武器, 也可以直接启动相应的对抗设备. 激光告警机有两种本质不同的应用方式: 自保护的和监视临近战场的电子保障系统.如图 1 (a) 为激光告警机的自保护应用方式,

9、 在该方式中, 坦克或装甲车载激光告警接收机探测机载激光目标指示器或测距机发来的激光的各种特征参数; 图 1 (b ) 所示为监视临近战场的应用方式,载激光告警接收机用来监视战区的激光威胁, 在坦克或者装甲车上并没有激光告警机.机图 1 激光告警接收机的两种应用方式F ig. 1 Tw o app lica t io n w ay s o f la se r w a rn ing rece ive r对于只用来向指挥平台告警和确定威胁物的激光告警接收机, 粗略测量激光的波长、强度、持续时 间及脉冲重复率就足够区别武器激光、测距激光、目标指示激光、通讯激光和对抗激光1 . 一般, 武器激 光有特

10、定的波长, 并有长持续时间的脉冲; 测距仪的激光持续时间短, 脉冲重复率也低; 目标指示器与 测距机相似, 但有较高的重复频率; 对抗激光与测距仪类似, 但强度大得多; 通讯激光则是调制的连续 波光源, 或者是有很高频率的脉冲源, 因此在激光告警接收机中, 通常对激光参数进行分档, 以此对威 胁物进行识别.无论哪种工作方式, 激光告警接收机均工作在太阳光和云雾的环境中, 同时不可避免地面临武器的 闪光, 因此理想激光告警接收机应满足如下要求2 : 视场要求: 探测器的视场宽能接收来自各个方向 的激光辐射; 波段要求: 可探测的光谱带宽可以覆盖敌方可能使用的各种激光, 包括激光目标指示 器、测距

11、机、激光雷达、以及武器激光; 探测率和虚警率要求: 能从阳光、闪电、曳光弹及各种弹药爆 炸产生的背景光辐射中准确分辨激光脉冲, 且漏检率为零, 虚警率为零; 可测参数要求: 能测出来袭激光的方向、波长、调制和编码等参数; 探测距离和响应时间要求:时间能适应现代战争的要求.探测距离 10 km 15 km ,反应2 激光告警接收机的研究现状根据其原理, 激光告警接收机可分为三种类型: 光谱识别型、相干识别型、散射探测型3, 4 .2. 1光谱识别型激光告警接收机5光谱识别型激光告警接收机可分为非成像型和成像型.非成像型光谱识别激光告警器, 是早期激光告警器主要采用的方法. 运用具有特定空间分布光

12、电二极管或由其组成的阵列作为激光探测元件, 确定威胁源的方位.如在圆周上均匀分布着 n 个光电二极管, 则水平方向的角度分辨率为 180n. 这种告警器的优点是探测灵敏度高、制作难度小、成本低廉; 缺点是只能探测特定波长的激光, 如目前波长为 0. 85 m , 1. 06 m , 1. 54 m , 10. 6 m 的军用激光, 不能对激光威胁源进行精确定位, 虚警率高, 体积笨重, 也不能测量来袭激光的波长.代表产品有德国 E lt ro公司的 L AW A 激光警戒装置、美国 T rac to r 公司的 SL IPA R 短脉冲激光告警接收机3 、法国 T hom so n 2C F

13、S 公司的 TV 518 型激光告警器等. 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 成像型光谱识别激光告警器3由广角远心鱼眼透镜和 CCD 或 P SD构成. 采用鱼眼透镜可实现全空域的凝视监测, 不需机械扫描, 所以不存在由扫描而可能引起的漏探测. 降低覆盖空域、减小视场后, 可使定向精度达 1 m rad 左右; CCD m 量级像元尺寸, 为精确定位提供了先决条件. 由于采用双光道帧减 技术, 可以消除背景干扰, 从而大大降低了虚警率. 该类型激光告警器采用面阵

14、CCD , 处理数据速度慢 成为其现阶段无法改进的主要原因, 该类型激光告警器只能探测特定激光波长, 制作成本较高. 代表产 品有: 美国 A IL 系统公司和 IM O 光电系统公司的 HA LW R 高精度激光告警接收机、加拿大 HA RL ID 高角分辨率激光探测器、中国信阳空军第一航空学院的应用 CCD 的机载激光告警机等. 在目前的激光告 警设备中,成像型的进展比较快,美国通讯电子司令部 (C ECOM ) 委托 A IL系统公司开发出时, 灵 敏 度 约 为CCDHA LW R ,在 其 视 场 方 位 覆 盖 30, 俯 仰 20.波 长 范 围 为 0.4m 1.1m0. 28

15、 mW cm 2 , 脉宽 10 n s 200 n s. 测量到达角精度接近 1 m rad.CCD 阵列组成的摄象机和信号处理电路及显示电路组成. HA LW R由指示传感器, 一个二维HA LW R将 CCD 工作在非常规的模式, 成功地实现了单脉冲探测, 截获概率超过 98%. HA LW R 的成功, 促使通讯电子司令部着手进行“改进型远离轴激光定位系统 (FOA L L S) 计划”. FOA L L S 是在以往研究的基础上,建立一个战场侦察站, 在一个大 区 域 范 围 内 精 确 地 对 激 光 威 胁 源 进 行 定 位, 探 测 范 围 达 到 离 轴 1 km. 这 种

16、 系 统 的 灵 敏 度 为1 W cm 2 , 定位一个威胁源时, 时间小于 1 s; 定位超过 3 个威胁源时, 时间小于 8 s. 探测波长范围 0.5 m 1. 064 m , A OA 分辨率为 1 m rad, 其视场覆盖方位 75, 俯仰 10, 分成 5 个扇区. 在系统组件 的下半部分有一个嵌入的传感器, 覆盖整个视场, 另外 5 个传感器装在各自的扇面上. 当 5 个扇面上的传感器之一探测到激光信号时,旋转组件的上半部分使 CCD成像器件与该扇面成直线.2. 2相干探测激光告警接收机激光告警接收机常常工作在太阳光下, 或者具有闪电、火光的恶劣环境中, 太阳光闪烁强度常常大于

17、被探测激光的强度, 为了鉴别非激光现象, 当目标激光相对于非激光源必须具有高的相干性时, 可利用相 干探测技术. 相干识别型可分为法布里2珀罗 (F 2P ) 型、迈克尔逊型、光栅衍射型、傅立叶变换光谱型等.2. 2. 1基于分振幅的激光告警机迈克尔逊 (M ich e lso n ) 型激光告警器6 91)迈克尔逊型相干探测激光告警接收器, 主要是由一块分束棱镜、两块相互垂直的球面 ( 或平面) 反射镜及阵列探测器等构成, 如图 2 所示. 激光照射时可形成“牛眼”形干涉图样, 采用面阵 CCD 来检测干涉 条纹. 由于非相干光不能形成干涉图样, 因而阵列探测器只要检测到干涉环的存在, 就说

18、明有激光照射. 由干涉环的圆心位置可以确定出激光的入射方向, 由干涉的条纹间距可以求出入射激光波长. 迈克尔逊 型能够精确测量单、窄脉冲激光的波长和方向. 但形成的干涉条纹锐度低、抗干扰能力差、结构复杂、技 术难度大工艺要求和研制成本高, 并且干涉图复杂需采用面阵探测器接收, 数据量大, 处理困难, 很难实现实时处理, 所以, 报道的产品很少. 到目前为止, 只有美国电子站系统研究实验室为其研制的接收 机有过报道.图 2 应用球面反射镜的 M ich e lso n 激光告警接收机及干涉图F ig. 2 M ich e lso n typ e la se r w a rn ing rece i

19、ve r u sing sp h e r ica l su rface ref lec t m ir ro r s and in te rfe rence p a t te rn 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. F 2P 型激光告警器10 142)法布里2珀罗 (F 2P ) 型相干探测激光告警器原理如图 3 所示, 它含有一个或多 个F 2P 标准具. F 2P 标准具由步进电机沿平行其表面的轴转动. 入射激光的透射率随旋转角的变化而变化, 当 F 2P 标准

20、具旋转 时, 激光辐射的入射角为不同特定值时或产生相干干涉, 或产生相消干涉. 因此造成透射光强信号是一个调频波, 由其频率最低点可求出入射激光的角度, 从而确定出激光威胁源的方位. 不同波长激光对应 调频波周期间隔不同, 由此可确定激光波长. 采用此类激光告警器可以有效地屏蔽掉直流背景信号, 从而消除背景光的干扰. F 2P 型激光告警器具有视场大、虚警率低、角度分辨率高等优点. 但由于这种激光 告警器需要通过机械扫描才能确定激光的有无和特性参数, 因此难以截获单次窄脉冲激光信号. 同时工美国 D a lm o V ic to r 公司和 P e rk in 2E lm e r 公司的艺难度

21、大, 成本高也是制约它的主要因素. 代表产品有:多 传 感 警 戒 接 收 机、 P e rk in 2E lm e r 公 司 的 A N A V R 2 型 激 光 警 戒 接 收 机、H u n gh e sM IN L AW S 微型激光警戒传感器.公 司 生 产 的图 3 应用 (F 2P ) 干涉具的激光告警接收机原理及其调频输出F ig. 3 T h e p r inc ip le o f la se r w a rn ing rece ive r u sing F 2P e ta lo n and it s o u tp u t3) M ach 2Zeh n de r 型激光告

22、警器15其基本原理仍是双光束干涉, 灵敏度较低、测窄脉冲激光时信噪比低.4)F izeau in te rfe rom e te r 型激光告警器16 18可以认为它是 F 2P 型激光告警器的变形, 其缺点是温度产生的干涉镜之间的光程差的变化, 使得测量精度降低, 需要参考光束.2. 2. 2基于分波振面的相干激光告警机7, 19, 20杨氏双狭缝、菲涅耳双棱镜等实验都是由分波阵面获得相干光而实现干涉的.激光告警器的典型结构如图 4 所示.光栅衍射型相干探测图 4 基于光栅的激光告警接收机原理及衍射图F ig. 4 T h e p r inc ip le o f G ra t ing ba

23、sed la se r w a rn ing rece ive r and d iff rac t io n p a t te rn 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 该系统由光栅与柱面镜和线阵 CCD 或 CM O S 探测器构成.该方法基于多光束干涉原理, 利用光的空间相干性来探测激光, 通过计算激光干涉条纹的位置和相邻间距能较快地得到入射激光的波长和入射方向. 激光入射时, 受到光栅的调制产生相长干涉和相消干涉. 非激光入射时, 背景光不产生干涉造成 的强度

24、调制, 而表现为直流背景, 二者便得以有效区分. 这种告警器具有高灵敏度、高分辨率、视场大等 特点, 可探测波段宽. 由于其采用线阵探测器, 因此数据量少, 数据处理也简单; 不需要光机扫描, 可以同时探测单脉冲激光的方向和波长; 结构简单, 成本低, 易于广泛使用. 美国 O p t ra 公司在 O F F IC E O F N A V A L R E SEA R CH 的资助下, 正在研究基于光栅衍射的“L a se r even t reco rde r”( 合同号: N o 00142992M 20008) ,目前未见产品上市.2. 2. 3傅立叶变换激光告警接收机2, 21 26该

25、激光告警机基于双光束干涉的傅立叶变换光谱探测技术, 光源在干涉仪中形成的空间干涉条纹与 光源的光谱分布存在傅立叶变换关系. 通过将干涉条纹做傅立叶逆变换获得激光的全光谱. 在傅立叶变换光谱技术的发展初期,光学部分采用有移动镜的 M ich e lso n 干涉具,干涉条纹的探测则用单个光电探测器, 由于需要扫描机械, 速度很慢. 为了提高探测速度, 人们开始研究非扫描的傅立叶变换光谱仪, 在该光谱仪中, 没有运动的光学部件, 而探测器则采用电扫描的光电传感阵列, 实际是将干涉条纹的空间 分布转换为时间序列, 对该序列进行数字采集后, 用软件作傅立叶变换获得入射光的光谱特性. 在非扫描 的 傅

26、立 叶 变 换 光 谱 技 术 中, 人 们 研 究 开 发 了 一 体 化 的 固 体 玻 璃 干 涉 标 准 具、 基 于 双 折 射 的W OL L A STON 棱镜标准具和晶体的 Sava r t 片、基于 Sagn ac 结构的非移动干涉标准具以及全光纤傅立 叶变换光谱技术, 最近报道有人用液晶做傅立叶变换标准具, 以扩大入射光的视场, 也有人研究过使用棱镜阵列做标准具. 图 5 为其示意图.W OL L A STON图 5 傅立叶变换激光告警接收系统示意图F ig. 5 L a se r w a rn ing rece ive r ba sed fo u r ie r t ran

27、 sfo rm sp ec t rom e te r在该系统中, 特定入射方向的入射光被光纤束光学天线接收后, 通过分束镜分成两束, 其反射的光束经成像透镜成像到光电面阵传感器并转换为与入射方向对应的电信号; 透射的光束经过输入透镜在 M 2Z 干涉具进行相干叠加, 聚焦透镜将从干涉具射出的平行光束聚焦在集成多功能光电传感器线阵上, 该传感器线阵具有光电转换和在片傅立叶变换的功能 (Sp ec t rom e te r O n C h ip ) , 集成多功能光电传感器 输出与光源光谱有关的信息, 该信息与入射方向信息共同送入信号处理系统进一步处理后, 给出综合告 警信息.2. 2. 4 全息

28、激光告警接收机27, 28激光告警接收机通常用波长和到达角等信息确定和鉴别激光威胁, 体全息存储技术可提供角度和波 长信息的三维存储, 关于全息激光告警接收机的文献很少, 文献 27 描述了利用薄正弦光栅结构中形成 的全息图, 如图 6 所示, 仿真表明, 角度精度可达 0. 2. 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图 6 单轴到达方向全息图F ig. 6 O ne sing le2ax is azim u th DOA ho lo g rap h ic im a

29、ge3激光告警接收机的发展趋势国内外已有的各种激光侦察告警技术中, 由于受其测量原理和测量方法的限制, 还未见到一种能同时较准确地探测到入射激光的波长、入射方向以及入射激光的光谱等信息的激光告警机; 也还未见到一 种能同时达到检测精度高、灵敏度高、信噪比高、可靠性高、对脉冲激光作用的响应速度高 ( 可测 n s 级 窄脉冲激光)、对强背景光的抑制能力强、可检测的波长范围宽和低成本等性能指标的激光告警机, 而这 些信息和上述性能指标正是有效实施激光对抗措施的关键. 为此, 一些性能较好的激光侦察告警系统采 用多个子系统来分别承担上述任务, 因而其结构复杂、笨重、造价高.了解国内的研究状况, 可以

30、看出, 在太阳光等非激光存在的恶劣环境下, 能同时满足波长测量、光 谱和入射方向识别并能高速响应激光窄脉冲要求的具有光谱傅立叶变换功能的相干识别激光告警系统的 研究尚属空白.全光谱、实时、大视场、高精度、高可靠性、小体积、轻重量是激光告警接收机主要的发展趋势.参考文献:Com p ac t L a se r W a rn ing R ece ive r: CA , 2069137 P . 1993 208214.W um o t D W . Co un te rm ea su re Sy stem s. T h e Inf ra red and E lec t ro 2O p t ica l

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