激光对CCD导引头的干扰仿真实验*

王 领，张 斌，雷 威

（1空军工程大学工程学院，西安 710038；2 95321部队，武汉 430200）

0 引言

激光干扰是对抗光电制导武器的有效手段，激光对导引头的软杀伤就是运用激光照射导引头中的光电器件，使之暂时致盲或失效，从而导致导引头无法得到或无法完全得到目标的位置信息，从而失去对目标的跟踪导致脱靶。相对于硬杀伤的高能激光武器，运用低能激光实施软杀伤很有使用价值。在实际应用中，不同的照射方式和照射条件会对干扰效果产生不同的效果；视场外照射能否对CCD形成干扰，以及如何有效对CCD导引头进行干扰，是非常值得研究的问题。文中利用Simulink视频和图像模块，建立了CCD目标跟踪系统的仿真模型，并利用不同参数激光对其干扰，以此得到激光对CCD成像导引头的干扰效果。

1 视场内激光垂直入射干扰CCD探测系统实验

激光器采用1064nm波长半导体泵浦固体激光器 （DPSS），光束发散角1.4mrad，光束直径0.7mm。记录照射激光功率的装置为激光功率计，功率计用来监测激光输出的功率，为保证实验精确性分别采用两种不同功率计测量。实验光路中放置了分光镜、衰减片组以减弱直射CCD光敏面上的激光能量，避免CCD产生硬损伤，分光镜的透反比为1.89∶1。实验前，需调整光学元件，以使光束穿过其几何中心。实验过程中对CCD探测器成功干扰的判断依据是：照射前CCD探测器正常捕捉到模拟辐射光源，使用连续激光照射CCD探测器，在照射过程中探测器丢失目标，不能正常截获。为模拟导引头截获目标的过程，实验中使用了视频采集卡和Matlab中的Simulink进行仿真。框图组成如图1所示。

图1 视频目标跟踪仿真系统示意图

视频数据通过From Multimedia File模块载入，目标图像数据通过Image From File模块导入，经过图像计算和处理完成目标的匹配和跟踪。Draw Shapes模块在输出图像上绘制波门标记。为便于观察CCD的像元饱和情况，输出图像根据灰度值采用伪彩色表示，白色表示灰度值大于240，紫色表示灰度值在16以下。

具体实验步骤如下：

①开启CCD面阵探测器；②打开光源；③通过视频采集卡，将CCD中的图像传输到计算机，再利用计算机Simulink中搭建的图像处理程序，仿真导弹跟踪目标的截获过程，使CCD捕获光源目标；④激光开始照射探测器，观察能否正常跟踪。

1.1 视场内连续激光垂直入射干扰CCD探测系统

成像导弹利用CCD探测器发现并捕获目标，将其方位与导弹光轴进行比较，计算出偏差，送到伺服机构使舵机产生修正偏转，引导导弹不断飞向目标。对CCD的干扰主要是在其视场内造成局部干扰甚至饱和，使其无法稳定截获，从而丢失目标，造成导弹脱靶。连续激光照射CCD干扰实验装置原理如图2所示。

在本实验条件下，连续激光照射下的CCD很容易进入局部饱和状态，一旦出现饱和，CCD就会丢失截获的目标，丧失继续跟踪的能力。实验效果见图3～图4。

图2 1064nm连续激光对CCD的照射干扰实验装置示意图

图3 干扰前正常截获目标

图4 受到干扰后丢失目标

上述实验研究说明，CCD在该实验条件下，即视场内进行干扰时极易达到局部饱和。

1.2 视场内脉冲激光垂直入射干扰CCD探测系统

与连续激光相比，脉冲激光作用时间短。可以设想，在实际应用中，由于大气折射率的无规则变化、湍流对光束波面的破坏、大气散射与吸收等以及跟踪装置的震动和误差导致的改变，照射在导引头上的激光都会呈现出脉冲激光照射的特点，因此脉冲激光照射导引头所产生的干扰效果更加贴近实际情况。

另外，当激光干扰装置在包含导弹可能的来袭方向的一定空域内用激光束进行扫描，每个扫描周期内激光束都会照中导引头，这时就近似于脉冲激光的干扰效果。为了了解脉冲激光干扰面阵CCD探测器的实际干扰过程，验证脉冲激光对面阵CCD探测器的干扰效果，采用波长1064nm，脉宽10ns的脉冲激光，开展了脉冲激光干扰面阵CCD探测器实验。实验装置如图5。

图5 脉冲激光对CCD照射干扰实验示意图

为模拟导引头截获目标的过程，实验中使用了视频采集卡和Simulink进行半实物仿真。

在本实验条件下，脉冲激光照射下的CCD在正常捕捉到目标后，部分像元饱和，此时计算机就会捕捉到错误的目标，丧失继续跟踪的能力。实验效果见图6。

图6 视场内脉冲激光干扰效果

2 视场外激光入射干扰CCD探测系统实验

导弹的导引头要具有极灵敏的信号探测能力，因此在整个系统中也最易受到干扰，成为激光武器首要干扰的目标。但是探测器距离观测目标很远，具有较小的视场角，激光对探测器的作用，往往只照射探测器光学窗口的表面，并不能完全进入探测器的视场。激光直接进入导弹红外导引头视场的概率较小，因此研究视场外激光照射探测器的干扰效果更具有实践意义。

实验中激光输出功率不变，改变激光入射探测器的角度，通过计算机采集干扰图像，并统计了CCD探测器靶面受干扰饱和面积与入射角度的关系。

2.1 视场外1064nm波长DPSS连续激光入射

采用输出波长1064nm，输出功率为200mW的DPSS激光作为干扰源，开展视场外连续激光入射干扰CCD探测器实验。实验装置同图2。入射的激光平均功率为94.2mW，将CCD探测器在5°～8°之间进行旋转，调整CCD探测器的位置，使激光束始终照射在探测器的镜头中心处（见图7，图8），在不同入射偏角下探测器受干扰程度如图9所示。

图7 激光实施干扰前

图8 CCD受到干扰后

明显看出：当入射激光功率一定时，随着入射角度的增大，对探测器的干扰能力会显著降低。

图9 CCD饱和区域比例与1064nm激光入射角度关系曲线

2.2 视场外1064nm波长DPSS脉冲激光入射

在确定CCD探测器的情况下，研究采用相同的峰值功率和不同的脉冲激光干扰频率分别对CCD进行干扰，分析CCD探测器的不同干扰效果。采用图10所示的实验装置，取入射角15°，激光干扰频率分别为1Hz、50Hz、100Hz。

图10 脉冲激光视场外干扰CCD实验装置图

图11～图14为CCD没有受到干扰和受到三种不同频率脉冲激光干扰后的成像效果图。

图11～图14的实验现象表明，对于场频固定的面阵CCD探测器，在单脉冲能量相差不大的情况下，提高脉冲激光的重复频率可提高对探测器的干扰效果。激光对CCD光电探测系统的视场外干扰原理比较复杂，其主要原因是激光散斑干涉效应 （激光自散射体的表面漫反射或通过一个透明散射体时，在散射表面或附近的光场中可以观察到一种无规则分布的亮暗斑点的现象）等。激光照射到探测器镜头和内壁，由于具有很好的单色性和方向性，将在探测器内发生散射和衍射，结果在光敏面上形成较强的散斑干涉图案，当光强超过饱和阈值时，使CCD处于饱和状态，图像处理方法亦不能恢复处于全面饱和状态的图案。

图11 未加激光干扰时成像效果

图12 干扰频率为1Hz的成像效果

图13 干扰频率为50Hz的成像效果

图14 干扰频率为100Hz的成像效果

该实验现象说明脉冲激光视场外照射CCD探测系统时，亦能对面阵CCD探测器系统实现干扰，但是效果较视场内干扰差。

3 激光干扰效果评估

根据制导原理，模拟仿真建立干扰前后的弹道方程，包括正常弹道的计算即未受干扰时按导引规律正常寻的飞行轨迹和干扰后的弹道计算，二者之差为偏航量，记为：

其中：UP（t）为干扰前的标准弹道方程；Ua（t）为干扰后的实际弹道方程。导引头激光功率可由式（2）估算：

式中：λ为激光波长；β为光束质量RI为激光器到导引头的距离（km）；D 为激光有效发射口径（m）；τ为大气透过率，P0为激光输出功率（W），其中τ可由式（3）计算求得：

式中：y为导引头所处高度（km）；Rv为大气能见度（km）。根据照射到导引头上的激光功率和CCD饱和阈值关系，结合前面介绍的干扰机理，可以判断激光是否是导引头失效。

在进行实验时，用激光干扰导引头跟踪系统，记录偏航量，若偏航量大于杀伤半径R时，认为干扰成功。改变激光波长、功率、工作方式、重复频率、脉冲宽度等，以验证不同情况下干扰效果。

以一种导弹为例，建立弹道模型进行干扰仿真。图15分别是导弹干扰前后的弹道轨迹和弹着点仿真结果。

图15 导弹干扰前后的弹道轨迹和弹着点仿真

干扰前CEP＝6.0705m，干扰后CEP＝41.1966 m，由仿真图与计算出的命中概率可知，干扰后的圆概率误差大大增加，在单位面积上弹着点减少，说明干扰有效。

4 结束语

文中进行了连续激光照射面阵CCD探测器实验和不同频率的脉冲激光照射面阵CCD探测器实验，激光在一定角度下对CCD探测器实施视场外干扰是完全可行的，当入射激光功率一定时，随着入射角度的增大，对探测器的干扰能力会显著降低。干扰成功与否主要取决于激光对探测器是否造成了饱和以及激光是否成像在波门附近。事实上，这个分析实验方法同样适用于电视制导炸弹，甚至也适用于红外焦平面阵列的空空导弹、非成像点源红外导弹的干扰分析。

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