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user: 4. 光学反射探测分析 本部分将从光学传感器角度对反射探测做一个分析。 4.1. 导弹光学导引头的激光信号 导弹的激光回波将由表面反射或逆反射组成，如图3所示。采用激光雷达方程来估计反射激光辐射的返回信号的强度。 P r e c = T o p t ⋅ P o u t ⋅ 1 Ω l a s e r ⋅ R 2 ⋅ A Δ ⋅ A r e c R 2 ⋅ e − 2 σ R (3) 其中P out 是发射激光功率，T opt 是光学传输，P rec 是探测器收到的功率，A ∆ 是有效的激光雷达散射截面，Ω laser 是激光立体角，A rec 是接收器区域。 σ 决定了大气的衰减系数，R是目标范围。为了确定在定向红外对抗系统中被用作跟踪接收器的象限检测或成像检测器件的信噪比，需要估计有效的激光雷达散射截面A ∆ 。 4.2. 表面反射 对于一个球形目标或抛物线目标，沿着对称轴的有效激光雷达散射截面A ∆ 由式(4)给出： A Δ = ρ ⋅ r 2 4 (4) 其中 ρ 是反射率，r是曲率半径(顶点曲率半径)。对于一个典型的导弹导引头光学表面，这个横截面特别小，量值为 10 − 2 m 2 / s r 或更小，因此表面反射的激光回波不能有效用于主动探测。 4.3. 逆反射 当激光束直接入射到光学传感器，产生逆反射现象，即入射的部分激光束会沿着同样的路径反射回来，这会形成一个非常强的返回信号，使远距离的传感器被有效探测，如图4所示。如果某个调制元器件包含在光学路径中，通过逆反射能够将传感器进行归类。 图3. 有光学导引头的导弹反射和逆反射的激光特征 同时考虑几何光学和衍射可以估计激光雷达散射截面。作为一个估计，我们使用一个简单的模型并运用衍射原理获取反射光束理想的立体角 Ω r e f l ≈ λ 2 / D 2 o p t i c s 以及横截面 A Δ 。 A Δ ≈ ρ A o p t i c s Ω r e f l ≈ ρ A 2 o p t i c s λ 2 (5) 可以从式(4)和式(5)看出，逆反射激光散射截面比表面反射的激光散射截面要大的多。逆反射和表面反射之间的比率 q = 4 π / Ω r e f l ≈ 16 A o p t i c s / λ 2 ，其中q是一个大数字( 1.6 × 10 5 ， A o p t i c s = 0.01 m 2 且λ = 1 μm)。上述表达是简化的近似值，可以用作横截面的上限。实际上，由于光学偏差，元器件的损耗和离焦的存在，上述数值要低于理想数值。 光学导引头或瞄准镜反射的激光束被导弹中的十字线以特有的方式调制，这种方式由每种导弹的类型决定。因此，通过逆反射的信号分析逼近或跟踪威胁的分类是可行的。 通过使用获得的威胁调制逆信号，可以将最优化的干扰波形照射到导弹导引头上实现快速光学脱锁(OBL)。这个技术通常被称为闭环红外对抗(CLIRCM)。当监控逆信息时，闭环也提供另一个非常重要的功能，能够有效估计对抗效果的有效性。 4.4. 用于4 μm时的反光探测激光对抗的性能估计 本部分将研究使用定向红外对抗系统中的中波激光光源和红外跟踪探测器阵列以探测3~5 μm范围内导引头或光学瞄准镜的逆反射信号的可行性，3~5 μm范围内激光和探测器阵列参数如表3所示。由于表面整流罩的激光反射，根据式(6)可以计算已收到的像素能量 E r e c = T o p t ⋅ E l a s e r   p i x ⋅ 1 Ω l a s e r ⋅ R 2 ⋅ A Δ ⋅ A r e c R 2 ⋅ exp ( − 2 σ R ) ⋅ N (6) 其中直接按照式(1)，一个像素中单个激光脉冲的脉冲能量是 E l a s e r   p i x ，N是在探测器积分时间内脉冲的数目。这个目标信号应与探测器和背景噪声能量相比较。每个像素噪声等效能量由式(7)给出： E N E p i x = T o p t N E I ⋅ A r e c ⋅ τ int (7) 其中NEI是光学接收器前面的等效噪声辐射率，τ int 是积分时间。NEI可以通过式(8)由接收器参数给出： N E I = A d Δ f A r e c D ∗ ⋅ T o p t (8) 其中A d 是探测器像素尺寸，∆ƒ = 1/2τ int ，D*是特定的探测率。对于3~5 μm阵列探测器( A d = 20   μm × 20   μm ， Δ f = 100   kHz ， D ∗ = 5 × 10 11 cmHz 1 / 2 / W )的特殊值，50 mm接收器直径 T o p t = 0.7，可以得到 N E I = 2.3 × 10 − 10   W / m 2 . 假设飞行器用定向红外对抗系统扫描用于探测反光的地面，按照图5扫描阵列的视场。设横跨飞机方向的总扫描为2弧度，而单帧覆盖为25.6 × 25.6 mrad 2 ，那么每次扫描的帧数N f = 78，面积覆盖率为Y = S × V，其中S为幅宽，V为飞机速度。每次扫描的时间为T sweep = V/∆x_proj，其中∆x_proj为飞机X方向阵列视场的投影。对于V = 300 m/s，H = 300 m我们得到T sweep = 35 ms步进凝视运动中的时间帧是 图4. 不同类型传感器的调制逆信号 Table 3 Parameter for laser and detector array in the 3 - 5 μm regio 激光说明 被动红外传感器–追踪器 参数 符号 值 参数 符号 值 平均功耗 P ave 10 W 波长 λ 1 − λ 2 3~5 μm 波长 λ 4 μm 视场 θ 1.5˚ 脉冲重复频率 Prf 20 kHz 阵列大小 N 2 256 × 256 光束发散度 ϕ 2 mrad 瞬时视场 IFOV 100 μrad 孔径 D rec 50 mm 噪声等效辐照度 NEI 2.3 × 10 −10 W/m 2 表3. 3~5 μm范围内激光和探测器阵列参数 图5. 使用激光照明扫描3~5微米阵列探测器以搜寻来自导弹导引头的闪光 图6. 图5中扫描模式的几何光学 T frame = T sweep /N f ，对于激光PRF为20 kHz来说，N = 9脉冲。 对于凝视模式，每像素的脉冲数量受限于使用被动图像中目标特征的跟踪精度。有效的积分时间大概为5 ms，意味着可以积分100个脉冲来改善探测和识别性能。来自背景的每像素的能量可以从下述表达式中得到： E b g r = T o p t ⋅ Δ λ ⋅ Ω I F O V ⋅ A r e c ⋅ [ E λ ⋅ ρ λ b g r + M λ / π ] = T o p t ⋅ Δ λ ⋅ Ω I F O V ⋅ A r e c ⋅ B λ b g r (9) 背景辐射在4 µm附近，可以在10~100 µWcm −2 sr −1 µm −1 之间变化。E bgr 的值低于10 −12 J。 典型发射后导弹目标的辐射强度 I t arg e t 在1~100 W/sr之间。来自这种辐射强度的被动成像信号 E p t arg e t 将与主动闪光回波的亮度进行对比。 E p t arg e t = T o p t ⋅ I t arg e t R 2 ⋅ exp ( − σ 3 − 5 μ m ⋅ R ) ⋅ τ int (10) 本文将研究20 kHz prf的脉冲激光系统。假定有相当高的覆盖功率，10 W就能搜索和探测远距范围，超出在单兵防空武器的攻击距离(5~6公里)之外。 图7显示了对抗系统脉冲激光的信号和噪声像素能量，由于脉冲激光的周期时间短，红外跟踪 图7. 一个脉冲20 KHz激光器的信号与噪声能量 探测器积分时间要同步于激光脉冲；由图可知，基于“猫眼效应”的探测距离达到5.6~8.5公里，超过便携式导弹的攻击距离，可实现先敌发现。 在探测到潜在的跟踪武器系统的强反射之后，导引头干扰和激光致眩似乎是主要的对抗方式。定向红外对抗系统的干扰光源完全可以实现对导弹导引头的干扰。而对抗传感器的激光致眩在原理上是可行的。可是信号处理或对方操作员如何处理传感器致眩部分图像存在不确定性。在几公里的距离上，对成像传感器如CCD和红外焦平面阵列的激光致眩可以一直使图像画面处于饱和状态。如果上述类型的致眩激光在今后广泛应用，可以实现更多的保护方式。