激光对红外成像系统的干扰效果＊

石永山

（海军驻锦州地区军事代表室 锦州 121000）

1 引言

红外成像技术在军事上早已突破作为夜视器材应用范围，用于搜索、跟踪、制导等多种领域。由于红外光电探测器具有高吸收系数、高探测率和宽响应波段等特点，容易受到强激光干扰和损伤使其失去探测功能。因此作为一种有效的光电对抗手段，激光对红外成像系统的干扰效果与影响因素的研究日益引起各方的高度重视。本文就对红外热像仪饱和阈值、CO2激光能量透过率、激光干扰等，作进一步的研究和探讨[1]。

2 红外热像仪饱和阈值

红外热像仪（非制冷多晶硅）采用非制冷微测辐射热计焦平面，阵列可以等效为一个热敏电阻，且入射光与晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，引起材料的温度上升，从而使材料本身的阻值发生变化，引起负载两端电压变化从而给出电信号。但当非晶硅半导体薄膜温度升高到相变温度，便可对热像仪造成永久破坏[2]。

激光器辐照红外热像仪，实际成像光斑较小，局部像元被破坏之后，成像系统采用相应的算法进行像元补偿，可以将像元被破坏造成的成像干扰降到最低。适当调节热像仪焦距可以获得更好的辐照效果。

非制冷热像仪光学系统的饱和阈值根据不同热像仪量值稍有差异，一般光学系统前激光能量密度达到4.89×10－8J／cm2～5.97×10－8J／cm2热像仪就会出现局部饱和。

3 CO2激光透过率

CO2激光经Lkm大气传输后，到达热像仪前的能量密度为[3]

其中，Ex为激光传输Lkm后激光能量密度；α为大气衰减系数；d0为激光器出口光斑直径；θ为激光光束发散角。

在分析纯散射透过率时引入气象学，采用依标准能见度Dv确定的试验数据来计算透过率，Dv用来表征大气的模糊度，并且是白天能看见天空背景下水平方向上角尺度大于30′模糊物体的最大距离。它代表了可见波长λ0处（通常取λ0＝0.555μm）。在此波长处，大气吸收为零，因此影响透射的原因将只是散射这一种因素。

眼睛感知的最小对比度等于2%，因此气象能见度Dv就是目标对比度为1时，通过大气后感知的对比度为0.02的距离：

在10.6μm区间衰减系数与散射aP～λ－q有关，因此大气分子微粒散射系数aP（λ）可用下式得到：

求得纯散射导致的透过率τ2（λ）为

综上所述10.6μm大气光谱透过率：

由此可计算出不同距离CO2激光透过率，气象能见度Dv＝20km（λ＝0.555），温度10℃，空气相对湿度70%，大气透过率见表1所示。

表1 大气透过率

依据式（1）E0＝5J，θ＝0.5m／rad，得到30km处激光能量密度为2.18×10－7J／cm2。从表1中可以看出大气透过率和距离成反比，主要影响因素是水蒸气的吸收作用，30km处水蒸气厚度接近200mm，当厚度大于200mm后，激光基本被水蒸气完全吸收。

4 激光干扰

4.1 干扰方式

激光干扰的方式主要包括：欺骗性干扰和压制性干扰等[4]。

1）欺骗性干扰。激光欺骗性干扰是发射与威胁激光束特征参数（包括工作波长、重复频率、脉冲宽度、编码方式等）完全相同的干扰激光束，投射到假目标上，从而以假乱真，诱使激光制导弹偏离真目标，射向假目标。根据产生激光干扰信号方法的不同，分为转发式干扰和应答式干扰两种。转发式干扰是将系统中激光告警机接收到的激光威胁信号自动放大，并由激光干扰发射机进行转发，从而产生激光欺骗性干扰信号。应答式干扰是将系统中激光告警机接收到的激光威胁信号存储和再现，由此产生激光欺骗性干扰信号。在一个系统中，上述两种干扰方式通常结合使用。

2）压制性干扰。激光压制性干扰是利用低能量激光辐射，暂时致眩致盲或永久致盲敌方武器系统中装备的光学仪器、夜视仪、光电传感器及其操作手的眼睛，致使敌方武器系统不能观测和瞄准目标；致盲入侵导弹导引头上的光电探测器和制导线路，使之饱和和过载，导致敌方红外制导导弹和激光制导弹丢失和偏离真目标，失去控制而坠落。

4.2 试验设备

试验设备采用高功率TEA－CO2激光器、扩束及导光系统、红外热像仪（多晶硅非制冷焦平面探测器）、红外跟踪瞄准设备及其他辅助设备[5]。

1）激光器。TEA－CO2激光器，输出激光波长为10.6μm；激光单脉冲能量约5J；扩束及导光系统包括ZnSe反射镜及扩束装置；

2）探测器。红外热像仪探测器为多晶硅非制冷焦平面探测器，像元数为320×240，响应波段为8μm～14μm，场频为50Hz；

3）跟踪瞄准。红外跟踪瞄准设备由工作波段在3μm～5μm的红外成像系统、跟踪架及激光发射光路组成。

4）环境。实验环境分别选择在能见度很好（Dv＝20km无沉积物）及一般（Dv＝2km雾霾）条件下对比进行，通过红外跟踪瞄准系统对10km处红外热源进行捕捉跟踪，红外热源处迎面摆放多晶硅非制冷焦平面探测器。

4.3 干扰效果

在气象条件良好情况下，以10.6μm波长，重频10Hz进行干扰。例如，已知单脉冲能量为5J，发散角为0.5m／rad，传输距离10km，根据式（1）可得出使热像仪达到饱和阈值的透过率为0.002，然后依据式（5）可得出能量密度Ex与Dv之间的对应关系：Dv大约在0.5km时激光能量密度达到饱和阈值[6]。

干扰前成像清晰，能见度在20km左右；激光器用10.6μm，10Hz重频干扰后热像仪出现30mm左右高亮坏点，屏幕已不能正常成像，热像仪像元被完全破坏。激光器停止出光后，热像仪损坏且不能开启。

在Dv＝2km时的中等能见大气条件下，10.6μm重频10Hz，被辐照后热像仪局部饱和，呈现不均匀光晕，连续辐照30秒恢复后热像仪仍可正常成像。

5 结语

波长为10.6μm，功率为50W的TEA－CO2激光器，在大气条件良好情况下，可使10km处红外热像仪永久性损坏，说明其能量密度远远高于热像仪的饱和阈值；激光器在中等能见度以上激光能量密度足以使红外探测器饱和，在实际气象条件下还需综合考虑大气温度、湿度、微粒散射等对激光传输的影响[7]。

[1]葛成良，范国滨，梁正，等.单元红外成像探测器的激光干扰实验研究[J].强激光与粒子束，2006（18）：25－30.

[2]车进喜，张恒伟，王东.10.6μm CO2激光对非制冷红外热像仪饱和阈值的实验研究[J].激光与红外，2010（8）：855－858.

[3]柯常军，万重怡.红外光电探测器的激光损伤分析[J].光学技术，2002（28）：118－122.

[4]宋海平，叶征宇，柯常军.非制冷焦平面热像仪获取脉冲CO2激光光斑研究[J].激光与红外，2004（6）：203－205.

[5]何康，陈翻，赵世明.激光对红外成像反舰导弹的对抗能力分析[J].舰船电子工程，2012（11）：133－136.

[6]李振伟，刘班，杨勇.目标测偏统计用于对成像制导的激光干扰效果分析[J].光学与光电技术，2012（3）：17－21.

[7]张恒伟，冀翔，赵威，等.激光对红外热成像设备自动增益控制电路的干扰效果[J].强激光与粒子束，EI CAS CSCD 2011（9）：2325－2328.