第30卷第3期 红外与激光工程 2001年6月Vol.30No.3 InfraredandLaserEngineering Jun.2001
文章编号:1007-2276(2001)03-0176-05
红外对抗中的激光技术
付 伟
(东北电子技术研究所,辽宁锦州 121000)
摘要:红外导弹威胁的日趋严重,迫使人们开发出先进的采用激光技术的红外对抗手段,即相干光定向红外对抗和激光致盲,从而更有效地对抗新一代红外导弹。由于现代导弹多工作在中波红外,所以,工作在中波红外波段的激光器就成为相干光定向红外对抗和激光致盲武器研制中的关键问题。文中研究了红外对抗中的激光器技术,分析了强激光对红外传感器致盲原理,综述了国外相干光定向红外对抗和激光致盲技术的发展现状。
关 键 词: 红外对抗; 激光技术; 相干光定向; 激光致盲中图分类号:TN97 文献标识码:A
Lasertechnologyofinfraredcountermeasure
FUWei
(NortheastResearchInstituteofElectronicTechnology,Jinzhou,121000,China)
Abstract:ThestrongerIRmissilethreatforcespeopledevelopadvancedIRcountermeasures.TheutilizationoflasertechnologyinIRcountermeasurescaneffectivelycounternewgenerationIRmissile.Inthispaper,currentdevelopmentoflasertechnologyinIRCMisdescribedbriefly.
Keywords: IRCM; Lasertechnology; Coherentlightdirection; Laserblinding
抗(IRCM)手段,即相干光定向红外对抗(CDIRCM)
1 引 言
最新统计资料表明,在过去的30年里,战场上损失的飞机中,被红外导弹击落击伤的约占93%,而雷达制导导弹和高射炮火击落击伤的仅占5%左右。红外导弹威胁的日趋严重,促进了激光技术的红外对
和激光致盲的研制。
红外干扰机是IRCM的重要设备。IRCM的实践表明:红外干扰机的光辐射越强,导弹偏离飞机的距离就越大。随着更先进导弹的问世,也迫使人们加大干扰机的输出功率。但是干扰机的输出功率受其体积、输出孔径尺寸和功率消耗的限制。这就促使人
收稿日期:2001-01-25
作者简介:付伟(1955-),男,辽宁锦州人,高级工程师,1982年毕业于天津大学激光专业,长期从事光电对抗技术的研究。出版论著两部,在
国内外期刊及学术会议上发表论文200余篇。
们开发出定向红外对抗(DIRCM)技术,即将红外干扰能量集中到狭窄的光束中,当红外导弹逼近时,导弹逼近告警系统(MAWS)将光束引向来袭导弹方向,使导弹导引头工作混乱而脱靶。DIRCM可以采用常规的红外光源也可以采用激光,而激光能在干扰光束中集中更大的能量。同其它IRCM方法相比,相干光定向红外对抗技术能提供更远的作用距离和更大的灵活性,能有效干扰先进的新一代红外导弹的制导系统。
激光致盲武器是对抗红外导弹的极其有效手段。近年来,在激光武器的研制中,激光致盲武器因其造价低、能耗小、技术难度小而异军突起,发展较快,已成为最先装备部队的激光武器。同相干光定向红外对抗一样,由于现代导弹多工作在中波红外,所以,激光器就成为激光致盲武器研制中的关键技术。
技术现在还处于初期。对于倍频激光也可再次进行倍频。虽然两次倍频可使波长缩短为原来的1/4,但是每次倍频将使激光能量损耗50%,两次倍频后所得激光能量仅为原激光能量的25%。
多数固体激光器工作在短波红外区,采用光参量振荡器可使其输出伸展到中波红外。光参量振荡器属二次非线性效应,其原理是:当一束具有较高频率的光波通过非线性晶体,并满足某些条件时,由于二次效应,晶体内产生两个频率较低的光波,被放大并振荡输出。它具有输出波长在很宽的范围内可调谐的特点。光参量振荡过程可表示为:
Xp=Xs+Xi
式中 Xp)))输入激光频率;
Xs和Xi)))输出的两种不同激光的可调谐
频率。
人们正在研究将二极管泵浦的Tm:YAG激光器的输出波长转换到中波红外,以用于CDIRCM技术。
(1)
2 红外对抗中的激光器
早期的调幅型导弹大都工作在短波红外区。到80年代,调频式、调频/调幅式和部分其它形式的导弹工作在3~5Lm的中波红外区。90年代后,导弹向红外成像发展,工作在中、长波红外区。因此,开发在中波红外区工作的激光器就成为CDIRCM的重点。
在CDIRCM中可采用的激光器有固体激光器、气体激光器和半导体激光器等。
实现中波红外区激光输出主要有三条途径:(1)使用直接辐射中波红外的激光器;(2)对长波红外激光进行倍频或三倍频;(3)使用具有光参量振荡器(OPOs)的红外激光器。在(2)、(3)项中采用的是非线性光学(NLOs)技术。
倍频激光器是利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应,使频率为X的激光,通过晶体后,变成频率为2X(1/2波长)的倍频光。例如,可将10.6Lm的CO2激光倍频为5.3Lm的激光。倍频激光的能量转换效率约为50%。
人们还进行三倍频激光器的研制工作,一步就可使输出激光的波长缩短为原先的1/3。如10.6Lm的CO2激光可三倍频为中波红外的3.53Lm,这项
3 相干光定向红外对抗技术发展现状
美国三军正在分别开展以倍频CO2激光器和采用非线性光学技术的固体激光器为光源的CDIRCM研制计划,以装备飞机、舰艇以及装甲车辆。同其它IRCM方法一样,CDIRCM仍然是通过欺骗方式使导弹脱靶,其激光能量远小于激光致盲的能量。
美国Northrop公司研制的QRC-84-02B/萤火虫0系统使用波长9.6Lm的CO2脉冲激光器,通过AgGaS2非线性晶体进行倍频,产生波长4.8Lm的二次谐波。该CDIRCM系统的脉冲重复频率为500Hz或1~20kHz可变。导弹制导系统越复杂,CDIRCM系统激光器的重复频率就越高,将来,所需的脉冲重复频率将达到数兆赫兹。这种CDIRCM系统的寿命约为300~500h,与铯灯或氙灯的IRCM系统的寿命差不多。
AN/AAQ-24(V)/复仇女神0定向红外干扰系统可有效保护固定翼飞机和直升机免受红外导弹攻击。1995年3月,英国和美国特别行动指挥部签订价值近4.5亿美元的合同。
/复仇女神0是一个综合系统,它能够提供导弹告警,确定导弹对所保护目标是否构成威胁,跟踪并启动大功率弧光灯为主的对抗措施以干扰导弹。四轴炮塔可方便地与激光器相结合。而用于固定翼飞机和直升机上的定向红外对抗发射机已经开发出来,发射机包括带有准确跟踪传感器(FTS)和红外干扰机的指示炮塔。
Rockwell公司正在生产准确跟踪传感器,这种传感器采用高灵敏度的碲镉汞中波焦平面阵列技术。当导弹告警系统告警时,发射机跟踪来袭导弹,并向导弹发射高强度红外光束。跟踪系统是四轴的。在导弹威胁情况下,FTS电子处理来袭导弹图像,供/复仇女神0系统使用,发射机锁定并跟踪目标,并在来袭的导弹上一直保持跟踪,直到导弹被击中。每个/复仇女神0发射机都装有备用激光源以供更新系统使用。
/复仇女神0用的告警系统是AN/AAR-54导弹逼近紫外告警系统。无源探测导弹尾焰的紫外能量,跟踪多重能源并按照杀伤导弹,非杀伤导弹或杂波对辐射源进行分类。所提供的探测距离是现有MAWS的一倍,并且大大降低了虚警率。系统使用宽视场传感器和小型的处理器,可以使用一至六个传感器。
AN/AAQ-24(V)系统能大大增强运输机和战斗机对抗红外导弹的能力。该设备还采用了一个256@256凝视阵列威胁跟踪子系统和可调整的跟踪/干扰塔台。/复仇女神0利用AAR-54(V)探测导弹羽烟,并将数据传输给数据处理子系统。跟踪子系统建立目标系统,计算威胁并在交战过程中进行塔台的调整。干扰源是高功率、可调制的弧光灯。将来的方案是把激光源加入干扰子系统中。
1996年9月美国空军的特种作战部队已将首批产品中的60套安装在MC-130E/H和AC-130H/U飞机上。在英国,AN/AAQ-24(V)系统已应用到皇家空军/英国陆军飞行队的各种大型固定翼飞机和直升机上。
AN/ALQ-212(V)先进的威胁红外对抗(ATIR-CM)系统是下一代综合导弹告警、红外干扰和投放系统,它是第一个采用激光束对抗新一代红外导弹的机载系统。ATIRCM系统采用的是非闭环技术,
结合了激光器和氙灯技术以及其它先进技术。
ATIRCM系统采用了通用导弹告警系统(CMWS)AN/AAR-57,以有效进行导弹告警,并且以几度的偏差给出威胁目标的准确方向。发出导弹告警后,ATIRCM干扰机将从一个光源聚焦一个光束,并对其波形进行有效调制。
在受到多个红外导弹攻击的情况下,ATIRCM可选择投放红外干扰弹以作为激光干扰的补充。ATIRCM的研制与生产开发预计用3年时间。1996年,Sanders公司成功实施其它导弹发射,整套系统于1997年2月通过鉴定设计评估,样机于1997年第四季度交付。Sanders公司与皮尔金顿光电公司联合为英国陆军的直升机计划的改进防御设备提供ATIRCM。第一台生产型样机将在2001年交付并正式投入生产。据统计,ATIRCM的最初需求量为1000台。ATIRCM系统可对付一切现役的红外导弹,并有潜力对付下一代导弹。
美空军Wright实验室计划研制一种灵巧的CDIRCM系统,称之为/激光红外对抗飞行实验0(LIFE)。与ATIRCM不同,它采用的是闭环技术:首先发射激光,红外导弹寻的器将激光反射回去,然后对反射波加以分析以确定红外导弹的类型,最后选择最有效的激光调制来对抗特殊类型的红外导弹。这种闭环的CDIRCM系统更具灵活性,且能更好地对抗新式红外导弹,但结构较复杂。Loral公司为该系统提供CO2激光器,由非线性晶体倍频后输出波长4~5Lm。
按计划安排,LIFE的实验性系统在1996年下半年进行了对付真实导弹的发射试验。这个系统安装在1066.8m的山峰顶部,接受飞机发射的红外导弹的攻击,然后将LIFE系统安装在白沙导弹靶场的移动缆车平台上。1997年初进行了地对空导弹的真实发射试验。LIFE系统的初期应用,是安装在大型高价值飞机(如E-3预警飞机)上,只需3个激光器转塔就能保护飞机不受地对空导弹的攻击。
美国研制的激光DIRCM是高性能的红外对抗系统,它适合旋转翼飞机、战术/运输固定翼飞机、舰船或地面车辆应用。它是一种灵活的轻型系统,能提供全方位保护,对抗所有红外波段威胁。由低功率激光源替换红外光源,从而使干扰输出功率从根
本上得到提高。该装备正在设计开发中。
在战斗机上是否使用CDIRCM系统,取决于是否需要全方位覆盖。全方位覆盖需要多个CDIRCM系统转塔,这就需要缩小激光器和跟踪器的体积。由美空军Wright实验室投资,MatinMarietta公司正在研究一种没有活动部件的新型球形透镜,其运作类似于电子控制的相控阵天线。利用一组光纤把激光能量馈送给透镜。这项技术使传感器的直径缩小到10.16cm,使用3个传感器就可为战斗机提供全方位覆盖。
发生局部破裂而造成局部缺陷损伤。当激光照射凝聚态材料时,发生激光吸收和激光能量沉淀,如果不断地吸收激光能量,能使半导体材料将可能熔融并达到气化温度,使半导体材料表面气化而造成缺陷损伤。
电子雪崩模型损伤机制是指激光强度达到一定程度时,半导体材料导带中的自由电子通过逆轫致过程吸收激光能量发生跃迁,而这种循环往复的倍增过程,使导带中的自由电子按指数规律迅速增加,这个过程称之为电子雪崩。电子雪崩的发展结果使自由电子密度很快使复介电常数实部等于零,使该电介质材料变成不透明材料。电子雪崩过程也称之为雪崩击穿,一旦发生雪崩击穿,将使光学器件彻底破坏。
自聚焦模型损伤机制,是激光在光学材料中传播时,光束自动地变得越来越细的现象,激光束的强度自动地变得越来越强,就像通过一个聚焦透镜一样,这种/自聚焦现象0在光束强度达到足够高时,将产生光学器件的破坏效应。
所谓多光子电离模型损伤机制,当激光照射半导体材料时,由于激光电场的作用,处于价带上电子的轨道将要变形。当激光强度很高时,激光的电场也很强,可逆使价带电子的轨道发生非线性变形,使之变成自由电子,这种由于激光电场作用把电子从价带剥离到导带的过程称之为场致电离,因为该过程中价带电子同时吸收几个光子而从价带跃迁到导带,因而也称之为多光子电离,这种电离将使该材料的介电常数发生变化。
所谓强光饱和模型失效机制,当照射激光超过器件的最大负载值时,将发生强光饱和现象。对于不同的光电传感器,强光饱和阈值也不同。相对其它几种损伤模型机制来说,强光饱和阈值是很小的。对于光电制导武器来说,当光电导引头的传感器达到饱和深度而失效几秒时,就已使精确制导武器失去制导能力。
强激光致盲导引头的器件主要包括光电传感器、调制盘、滤光片以及头罩。激光束必须直射在导引头上足够的时间。如果是破坏头罩,激光辐射能量必须能被头罩吸收,所以激光波长应在导引头的响应波段之外。
射到导引头上的激光功率Pe可由下式来计算:
4 强激光致盲技术
4.1 强激光致盲原理
强激光对红外导引头光电传感器的损伤机理主要有:热模型损伤机制、缺陷模型损伤机制、电子雪崩模型损伤机制、自聚焦模型损伤机制、多光子电离模型损伤机制和强光饱和模型失效机制等理论模型。
热模型损伤机制是指在激光加热下会使半导体材料膨胀或使晶格之间平均距离增大,从而导致电子能带结构以及能带宽带发生变化,半导体材料的带距随着温度升高而减少,与带间跃迁相关的共振项中心波长将向长波方向漂移,也就是说发生红移现象。半导体光电器件的工作波长是在标准温度密度条件下确定的共振项中心波长,如果激光加热发生了红移,则该器件的原工作波长的光谱响应下降,从而影响甚至破坏了其工作性能,这种现象称之为半导体器件的热逃逸效应。另外,材料加热使自由电子的热运动加剧、平均动能增加,引起材料的热激活和热激发效应,这也将引起材料的介电常数发生变化,从而改变半导体材料的光学特性。
缺陷模型损伤机制是指在激光加热半导体材料时,使半导体材料急剧升温,当材料中的某个局部区域的温度升高到融化温度时,如果激光能继续以较高的速率沉淀能量,则该局部区域的材料将会熔融而造成局部缺陷损伤。当激光照射半导体材料时将产生空间非均匀的温度场,固体材料各部分产生不同的热膨胀而引起热应力,激光照射后的材料迅速冷却和凝固,将使热应力集中的部位形成裂纹,甚至
Pe=AdEd=10-4@107=103W
Pe=P1SaSoAc/81R2
式中 P1)))激光功率;
81)))激光束的张角;Sa)))大气传输系数;So)))光学传输系数;
Ac)))导引头的有效集光面积;R)))从激光器到导引头的距离。
红外探测器受破坏的阈值与下列因素有关,即破坏机制、辐照时间、束径、激光波长、探测器结构材料的热学性质与散热器耦合品质等。美国海军研究实验室的研究表明,当辐照时间很短(S
-5
-2
-5
(2)
为在此探测器上产生这样的功率,所需的激光功率为:
P1=Pe81R2/SaSoAc=
103@10-8@(2@105)2/0.9@0.7@10=63.5kW
所以,破坏这个探测器所需要的激光功率,其脉冲宽度为100ns,束宽约为0.1mrad,脉冲功率为64kW。为破坏探测器,激光必须集中在束宽的一半或更小的角度内,即5@10-5rad中。这对静止平台难度已经不小,更何况是运动的平台。
导引头的调制盘装在焦面上,由于探测器并非处于焦面上,故破坏调制盘所需的能量一般小于破坏探测器的能量。探测器的破坏可使导引头失去跟踪目标的能力,而调制盘的破坏问题还不至于这样严重。
强激光的热应力可导致导引头的头罩受到破坏,但激光的波长要在导引头的响应波段外,而且所需要的能量密度要比破坏探测器的能量密度高几个数量
-7
s)时,激
)的变化与S成反比。
-2
s
脉冲时间的方根成反比。当S>10
-2
当辐照时间很短时,为使探测器的表面温度升至其熔点,所需的能量密度与材料的吸收系数成反比,与比热容及使探测器材料熔化而必须的表面温度增量成正比。
对于导引头所使用的红外探测器材料(如PbS,PbSe,InSb,光导及光伏材料),当脉冲宽度为10时,Eo的范围为10~10Wcm1Jcm
-2
6
7
-2
级,这样强的激光一般要采用高能激光武器。4.2 强激光致盲技术的发展现状
进入90年代,美海军提出两项反导激光致盲武器的研究计划。一项为平衡技术倡议)))红外对抗计划,其目的是研制一种装备在固定翼飞机上的一体化激光对抗系统,用来破坏红外导弹。该系统包括能与先进威胁告警系统一体化的高精度闭环跟踪瞄准系统,它能以极高的精度为致盲光束导引方向。威胁告警系统由红外凝视传感器和结构紧凑的实时图像处理器组成,是海军研究实验室飞眼威胁告警方案的扩充。
另一项为舰载反导激光致盲武器计划。美海军与洛拉尔公司签订了480万美元的合同,以论证和研制能对抗红外寻的头的激光致盲武器。该系统是未来的舰载多频谱电子战的一部分。该计划也将由美海军研究实验室进行管理。
(下转第189页)
s
,相当于0.1~
的连续光流量强度。通常,PbS和PbSe薄膜
探测器具有较高的吸收系数,因此有比其它探测器材料更低的光流量。HgCdTe、PbSeTe及InSb材料的阈值非常类似(1Jcm
对于短于10
-7
-2
)。
s的辐照脉冲,红外探测器的电击
穿现象是重要的。
这里,计算交汇距离为2km时,使导引头探测器破坏所需的激光功率。设探测器的破坏阈值Ed为107Wcm-2,探测器面积Ad为10-4cm2。另外,还假设有如下值:
Ad=10cm,Sa=0.9,So=0.7,81=10sr该探测器收集的功率为:
2
-8
李守荣:动态红外景象产生技术
开发上的投入是发展红外制导技术必经之路。红外景象产生技术国内仅在电阻阵列的研制方面有一些发展:由中科院上海技术物理研究所与航空总公司014中心合作研制成功了64@64硅桥电阻阵列,并已产生了动态红外景象。目前,正在研制更大规模高性能的悬浮薄膜(微桥)电阻阵列,希望此技术能满足国内对红外景象产生器的需求,尽快与国际水平接近。
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(上接第180页)
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摘要:红外导弹威胁的日趋严重,迫使人们开发出先进的采用激光技术的红外对抗手段,即相干光定向红外对抗和激光致盲,从而更有效地对抗新一代红外导弹。由于现代导弹多工作在中波红外,所以,工作在中波红外波段的激光器就成为相干光定向红外对抗和激光致盲武器研制中的关键问题。文中研究了红外对抗中的激光器技术,分析了强激光对红外传感器致盲原理,综述了国外相干光定向红外对抗和激光致盲技术的发展现状。
关 键 词: 红外对抗; 激光技术; 相干光定向; 激光致盲中图分类号:TN97 文献标识码:A
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红外干扰机是IRCM的重要设备。IRCM的实践表明:红外干扰机的光辐射越强,导弹偏离飞机的距离就越大。随着更先进导弹的问世,也迫使人们加大干扰机的输出功率。但是干扰机的输出功率受其体积、输出孔径尺寸和功率消耗的限制。这就促使人
收稿日期:2001-01-25
作者简介:付伟(1955-),男,辽宁锦州人,高级工程师,1982年毕业于天津大学激光专业,长期从事光电对抗技术的研究。出版论著两部,在
国内外期刊及学术会议上发表论文200余篇。
们开发出定向红外对抗(DIRCM)技术,即将红外干扰能量集中到狭窄的光束中,当红外导弹逼近时,导弹逼近告警系统(MAWS)将光束引向来袭导弹方向,使导弹导引头工作混乱而脱靶。DIRCM可以采用常规的红外光源也可以采用激光,而激光能在干扰光束中集中更大的能量。同其它IRCM方法相比,相干光定向红外对抗技术能提供更远的作用距离和更大的灵活性,能有效干扰先进的新一代红外导弹的制导系统。
激光致盲武器是对抗红外导弹的极其有效手段。近年来,在激光武器的研制中,激光致盲武器因其造价低、能耗小、技术难度小而异军突起,发展较快,已成为最先装备部队的激光武器。同相干光定向红外对抗一样,由于现代导弹多工作在中波红外,所以,激光器就成为激光致盲武器研制中的关键技术。
技术现在还处于初期。对于倍频激光也可再次进行倍频。虽然两次倍频可使波长缩短为原来的1/4,但是每次倍频将使激光能量损耗50%,两次倍频后所得激光能量仅为原激光能量的25%。
多数固体激光器工作在短波红外区,采用光参量振荡器可使其输出伸展到中波红外。光参量振荡器属二次非线性效应,其原理是:当一束具有较高频率的光波通过非线性晶体,并满足某些条件时,由于二次效应,晶体内产生两个频率较低的光波,被放大并振荡输出。它具有输出波长在很宽的范围内可调谐的特点。光参量振荡过程可表示为:
Xp=Xs+Xi
式中 Xp)))输入激光频率;
Xs和Xi)))输出的两种不同激光的可调谐
频率。
人们正在研究将二极管泵浦的Tm:YAG激光器的输出波长转换到中波红外,以用于CDIRCM技术。
(1)
2 红外对抗中的激光器
早期的调幅型导弹大都工作在短波红外区。到80年代,调频式、调频/调幅式和部分其它形式的导弹工作在3~5Lm的中波红外区。90年代后,导弹向红外成像发展,工作在中、长波红外区。因此,开发在中波红外区工作的激光器就成为CDIRCM的重点。
在CDIRCM中可采用的激光器有固体激光器、气体激光器和半导体激光器等。
实现中波红外区激光输出主要有三条途径:(1)使用直接辐射中波红外的激光器;(2)对长波红外激光进行倍频或三倍频;(3)使用具有光参量振荡器(OPOs)的红外激光器。在(2)、(3)项中采用的是非线性光学(NLOs)技术。
倍频激光器是利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应,使频率为X的激光,通过晶体后,变成频率为2X(1/2波长)的倍频光。例如,可将10.6Lm的CO2激光倍频为5.3Lm的激光。倍频激光的能量转换效率约为50%。
人们还进行三倍频激光器的研制工作,一步就可使输出激光的波长缩短为原先的1/3。如10.6Lm的CO2激光可三倍频为中波红外的3.53Lm,这项
3 相干光定向红外对抗技术发展现状
美国三军正在分别开展以倍频CO2激光器和采用非线性光学技术的固体激光器为光源的CDIRCM研制计划,以装备飞机、舰艇以及装甲车辆。同其它IRCM方法一样,CDIRCM仍然是通过欺骗方式使导弹脱靶,其激光能量远小于激光致盲的能量。
美国Northrop公司研制的QRC-84-02B/萤火虫0系统使用波长9.6Lm的CO2脉冲激光器,通过AgGaS2非线性晶体进行倍频,产生波长4.8Lm的二次谐波。该CDIRCM系统的脉冲重复频率为500Hz或1~20kHz可变。导弹制导系统越复杂,CDIRCM系统激光器的重复频率就越高,将来,所需的脉冲重复频率将达到数兆赫兹。这种CDIRCM系统的寿命约为300~500h,与铯灯或氙灯的IRCM系统的寿命差不多。
AN/AAQ-24(V)/复仇女神0定向红外干扰系统可有效保护固定翼飞机和直升机免受红外导弹攻击。1995年3月,英国和美国特别行动指挥部签订价值近4.5亿美元的合同。
/复仇女神0是一个综合系统,它能够提供导弹告警,确定导弹对所保护目标是否构成威胁,跟踪并启动大功率弧光灯为主的对抗措施以干扰导弹。四轴炮塔可方便地与激光器相结合。而用于固定翼飞机和直升机上的定向红外对抗发射机已经开发出来,发射机包括带有准确跟踪传感器(FTS)和红外干扰机的指示炮塔。
Rockwell公司正在生产准确跟踪传感器,这种传感器采用高灵敏度的碲镉汞中波焦平面阵列技术。当导弹告警系统告警时,发射机跟踪来袭导弹,并向导弹发射高强度红外光束。跟踪系统是四轴的。在导弹威胁情况下,FTS电子处理来袭导弹图像,供/复仇女神0系统使用,发射机锁定并跟踪目标,并在来袭的导弹上一直保持跟踪,直到导弹被击中。每个/复仇女神0发射机都装有备用激光源以供更新系统使用。
/复仇女神0用的告警系统是AN/AAR-54导弹逼近紫外告警系统。无源探测导弹尾焰的紫外能量,跟踪多重能源并按照杀伤导弹,非杀伤导弹或杂波对辐射源进行分类。所提供的探测距离是现有MAWS的一倍,并且大大降低了虚警率。系统使用宽视场传感器和小型的处理器,可以使用一至六个传感器。
AN/AAQ-24(V)系统能大大增强运输机和战斗机对抗红外导弹的能力。该设备还采用了一个256@256凝视阵列威胁跟踪子系统和可调整的跟踪/干扰塔台。/复仇女神0利用AAR-54(V)探测导弹羽烟,并将数据传输给数据处理子系统。跟踪子系统建立目标系统,计算威胁并在交战过程中进行塔台的调整。干扰源是高功率、可调制的弧光灯。将来的方案是把激光源加入干扰子系统中。
1996年9月美国空军的特种作战部队已将首批产品中的60套安装在MC-130E/H和AC-130H/U飞机上。在英国,AN/AAQ-24(V)系统已应用到皇家空军/英国陆军飞行队的各种大型固定翼飞机和直升机上。
AN/ALQ-212(V)先进的威胁红外对抗(ATIR-CM)系统是下一代综合导弹告警、红外干扰和投放系统,它是第一个采用激光束对抗新一代红外导弹的机载系统。ATIRCM系统采用的是非闭环技术,
结合了激光器和氙灯技术以及其它先进技术。
ATIRCM系统采用了通用导弹告警系统(CMWS)AN/AAR-57,以有效进行导弹告警,并且以几度的偏差给出威胁目标的准确方向。发出导弹告警后,ATIRCM干扰机将从一个光源聚焦一个光束,并对其波形进行有效调制。
在受到多个红外导弹攻击的情况下,ATIRCM可选择投放红外干扰弹以作为激光干扰的补充。ATIRCM的研制与生产开发预计用3年时间。1996年,Sanders公司成功实施其它导弹发射,整套系统于1997年2月通过鉴定设计评估,样机于1997年第四季度交付。Sanders公司与皮尔金顿光电公司联合为英国陆军的直升机计划的改进防御设备提供ATIRCM。第一台生产型样机将在2001年交付并正式投入生产。据统计,ATIRCM的最初需求量为1000台。ATIRCM系统可对付一切现役的红外导弹,并有潜力对付下一代导弹。
美空军Wright实验室计划研制一种灵巧的CDIRCM系统,称之为/激光红外对抗飞行实验0(LIFE)。与ATIRCM不同,它采用的是闭环技术:首先发射激光,红外导弹寻的器将激光反射回去,然后对反射波加以分析以确定红外导弹的类型,最后选择最有效的激光调制来对抗特殊类型的红外导弹。这种闭环的CDIRCM系统更具灵活性,且能更好地对抗新式红外导弹,但结构较复杂。Loral公司为该系统提供CO2激光器,由非线性晶体倍频后输出波长4~5Lm。
按计划安排,LIFE的实验性系统在1996年下半年进行了对付真实导弹的发射试验。这个系统安装在1066.8m的山峰顶部,接受飞机发射的红外导弹的攻击,然后将LIFE系统安装在白沙导弹靶场的移动缆车平台上。1997年初进行了地对空导弹的真实发射试验。LIFE系统的初期应用,是安装在大型高价值飞机(如E-3预警飞机)上,只需3个激光器转塔就能保护飞机不受地对空导弹的攻击。
美国研制的激光DIRCM是高性能的红外对抗系统,它适合旋转翼飞机、战术/运输固定翼飞机、舰船或地面车辆应用。它是一种灵活的轻型系统,能提供全方位保护,对抗所有红外波段威胁。由低功率激光源替换红外光源,从而使干扰输出功率从根
本上得到提高。该装备正在设计开发中。
在战斗机上是否使用CDIRCM系统,取决于是否需要全方位覆盖。全方位覆盖需要多个CDIRCM系统转塔,这就需要缩小激光器和跟踪器的体积。由美空军Wright实验室投资,MatinMarietta公司正在研究一种没有活动部件的新型球形透镜,其运作类似于电子控制的相控阵天线。利用一组光纤把激光能量馈送给透镜。这项技术使传感器的直径缩小到10.16cm,使用3个传感器就可为战斗机提供全方位覆盖。
发生局部破裂而造成局部缺陷损伤。当激光照射凝聚态材料时,发生激光吸收和激光能量沉淀,如果不断地吸收激光能量,能使半导体材料将可能熔融并达到气化温度,使半导体材料表面气化而造成缺陷损伤。
电子雪崩模型损伤机制是指激光强度达到一定程度时,半导体材料导带中的自由电子通过逆轫致过程吸收激光能量发生跃迁,而这种循环往复的倍增过程,使导带中的自由电子按指数规律迅速增加,这个过程称之为电子雪崩。电子雪崩的发展结果使自由电子密度很快使复介电常数实部等于零,使该电介质材料变成不透明材料。电子雪崩过程也称之为雪崩击穿,一旦发生雪崩击穿,将使光学器件彻底破坏。
自聚焦模型损伤机制,是激光在光学材料中传播时,光束自动地变得越来越细的现象,激光束的强度自动地变得越来越强,就像通过一个聚焦透镜一样,这种/自聚焦现象0在光束强度达到足够高时,将产生光学器件的破坏效应。
所谓多光子电离模型损伤机制,当激光照射半导体材料时,由于激光电场的作用,处于价带上电子的轨道将要变形。当激光强度很高时,激光的电场也很强,可逆使价带电子的轨道发生非线性变形,使之变成自由电子,这种由于激光电场作用把电子从价带剥离到导带的过程称之为场致电离,因为该过程中价带电子同时吸收几个光子而从价带跃迁到导带,因而也称之为多光子电离,这种电离将使该材料的介电常数发生变化。
所谓强光饱和模型失效机制,当照射激光超过器件的最大负载值时,将发生强光饱和现象。对于不同的光电传感器,强光饱和阈值也不同。相对其它几种损伤模型机制来说,强光饱和阈值是很小的。对于光电制导武器来说,当光电导引头的传感器达到饱和深度而失效几秒时,就已使精确制导武器失去制导能力。
强激光致盲导引头的器件主要包括光电传感器、调制盘、滤光片以及头罩。激光束必须直射在导引头上足够的时间。如果是破坏头罩,激光辐射能量必须能被头罩吸收,所以激光波长应在导引头的响应波段之外。
射到导引头上的激光功率Pe可由下式来计算:
4 强激光致盲技术
4.1 强激光致盲原理
强激光对红外导引头光电传感器的损伤机理主要有:热模型损伤机制、缺陷模型损伤机制、电子雪崩模型损伤机制、自聚焦模型损伤机制、多光子电离模型损伤机制和强光饱和模型失效机制等理论模型。
热模型损伤机制是指在激光加热下会使半导体材料膨胀或使晶格之间平均距离增大,从而导致电子能带结构以及能带宽带发生变化,半导体材料的带距随着温度升高而减少,与带间跃迁相关的共振项中心波长将向长波方向漂移,也就是说发生红移现象。半导体光电器件的工作波长是在标准温度密度条件下确定的共振项中心波长,如果激光加热发生了红移,则该器件的原工作波长的光谱响应下降,从而影响甚至破坏了其工作性能,这种现象称之为半导体器件的热逃逸效应。另外,材料加热使自由电子的热运动加剧、平均动能增加,引起材料的热激活和热激发效应,这也将引起材料的介电常数发生变化,从而改变半导体材料的光学特性。
缺陷模型损伤机制是指在激光加热半导体材料时,使半导体材料急剧升温,当材料中的某个局部区域的温度升高到融化温度时,如果激光能继续以较高的速率沉淀能量,则该局部区域的材料将会熔融而造成局部缺陷损伤。当激光照射半导体材料时将产生空间非均匀的温度场,固体材料各部分产生不同的热膨胀而引起热应力,激光照射后的材料迅速冷却和凝固,将使热应力集中的部位形成裂纹,甚至
Pe=AdEd=10-4@107=103W
Pe=P1SaSoAc/81R2
式中 P1)))激光功率;
81)))激光束的张角;Sa)))大气传输系数;So)))光学传输系数;
Ac)))导引头的有效集光面积;R)))从激光器到导引头的距离。
红外探测器受破坏的阈值与下列因素有关,即破坏机制、辐照时间、束径、激光波长、探测器结构材料的热学性质与散热器耦合品质等。美国海军研究实验室的研究表明,当辐照时间很短(S
-5
-2
-5
(2)
为在此探测器上产生这样的功率,所需的激光功率为:
P1=Pe81R2/SaSoAc=
103@10-8@(2@105)2/0.9@0.7@10=63.5kW
所以,破坏这个探测器所需要的激光功率,其脉冲宽度为100ns,束宽约为0.1mrad,脉冲功率为64kW。为破坏探测器,激光必须集中在束宽的一半或更小的角度内,即5@10-5rad中。这对静止平台难度已经不小,更何况是运动的平台。
导引头的调制盘装在焦面上,由于探测器并非处于焦面上,故破坏调制盘所需的能量一般小于破坏探测器的能量。探测器的破坏可使导引头失去跟踪目标的能力,而调制盘的破坏问题还不至于这样严重。
强激光的热应力可导致导引头的头罩受到破坏,但激光的波长要在导引头的响应波段外,而且所需要的能量密度要比破坏探测器的能量密度高几个数量
-7
s)时,激
)的变化与S成反比。
-2
s
脉冲时间的方根成反比。当S>10
-2
当辐照时间很短时,为使探测器的表面温度升至其熔点,所需的能量密度与材料的吸收系数成反比,与比热容及使探测器材料熔化而必须的表面温度增量成正比。
对于导引头所使用的红外探测器材料(如PbS,PbSe,InSb,光导及光伏材料),当脉冲宽度为10时,Eo的范围为10~10Wcm1Jcm
-2
6
7
-2
级,这样强的激光一般要采用高能激光武器。4.2 强激光致盲技术的发展现状
进入90年代,美海军提出两项反导激光致盲武器的研究计划。一项为平衡技术倡议)))红外对抗计划,其目的是研制一种装备在固定翼飞机上的一体化激光对抗系统,用来破坏红外导弹。该系统包括能与先进威胁告警系统一体化的高精度闭环跟踪瞄准系统,它能以极高的精度为致盲光束导引方向。威胁告警系统由红外凝视传感器和结构紧凑的实时图像处理器组成,是海军研究实验室飞眼威胁告警方案的扩充。
另一项为舰载反导激光致盲武器计划。美海军与洛拉尔公司签订了480万美元的合同,以论证和研制能对抗红外寻的头的激光致盲武器。该系统是未来的舰载多频谱电子战的一部分。该计划也将由美海军研究实验室进行管理。
(下转第189页)
s
,相当于0.1~
的连续光流量强度。通常,PbS和PbSe薄膜
探测器具有较高的吸收系数,因此有比其它探测器材料更低的光流量。HgCdTe、PbSeTe及InSb材料的阈值非常类似(1Jcm
对于短于10
-7
-2
)。
s的辐照脉冲,红外探测器的电击
穿现象是重要的。
这里,计算交汇距离为2km时,使导引头探测器破坏所需的激光功率。设探测器的破坏阈值Ed为107Wcm-2,探测器面积Ad为10-4cm2。另外,还假设有如下值:
Ad=10cm,Sa=0.9,So=0.7,81=10sr该探测器收集的功率为:
2
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李守荣:动态红外景象产生技术
开发上的投入是发展红外制导技术必经之路。红外景象产生技术国内仅在电阻阵列的研制方面有一些发展:由中科院上海技术物理研究所与航空总公司014中心合作研制成功了64@64硅桥电阻阵列,并已产生了动态红外景象。目前,正在研制更大规模高性能的悬浮薄膜(微桥)电阻阵列,希望此技术能满足国内对红外景象产生器的需求,尽快与国际水平接近。
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(上接第180页)
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