Comparative experimental study on interference effect of medium wave infrared laser
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摘要:
使用两种不同频率（1 kHz与15 kHz）的中波红外激光器对同一目标进行了远距离（15 km）干扰效果对比实验，分析了激光器频率与干扰效果的关系，计算了到达探测器的激光功率密度。实验结果表明：在激光器波长、平均功率一致的情况下，高重复频率（15 kHz）中波激光器的干扰效果要明显优于低重复频率（1 kHz）的中波激光器，实验结果对光电对抗装备的研制具有一定的指导意义。
Abstract:Two different frequencies (1 kHz and 15 kHz) of medium-wave infrared lasers were used to compare the interference effect at a distance (15 km) to the same target, the relationship between laser frequency and interference effect was analyzed, and the laser power density reaching the detector was calculated. The experimental results show that the interference effect of the medium-wave laser with high repetition frequency (15 kHz) is obviously better than that of the medium-wave laser with low repetition frequency (1 kHz) when the laser wavelength and average power are the same. The experimental results have certain guiding significance for the development of photoelectric countermeasure equipment.
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引言
在现代战争中，利用激光进行定向干扰是军事领域的一项重要研究内容，中波红外激光的定向干扰更是研究重点[1]。在实际应用中，使用中波红外激光定向干扰红外制导武器、红外观瞄系统，可对重要军事设施、军事要地、武器装备等提供有效地掩护，提升人员和装备的战场生存能力[2]。中波红外激光定向干扰的技术原理是，将较高能量密度的激光辐照到红外制导武器、红外观瞄系统的探测器上，扰乱其制导信号，或者对其光电传感器进行致眩、致盲，使其无法正常工作或完全丧失作战能力[3-4]。影响干扰效果的因素有很多，包括激光器自身参数，如波长、平均功率、光束质量、峰值功率、重复频率等，以及一些外部因素，如激光入射角、被干扰设备的光学增益、激光大气传输特性等[5-6]，最终体现在到达红外传感器表面的功率密度。在实际应用中，中波红外激光器的脉冲重复频率对干扰效果影响显著。国内葛成良、范国滨等人[7]已经对脉冲激光对红外探测器的干扰进行了数值模拟仿真研究，理论上初步得到了脉冲激光干扰红外探测器的作用机理。相关仿真结果表明，当干扰信号的调制频率接近或大于红外探测器的调制频率时，干扰信号对目标信号可进行有效抑制[7]。理论研究方面，激光干扰探测器的本质涉及激光与物质的相互作用，国内外机构对相关机理也进行了大量地研究[8-10],但其微观原理并不完全清楚。实验研究方面，大多数实验集中在实验室实物或半实物仿真方面[11-14]，接近实际情况的远距离干扰实验耗费的人力、物力、财力巨大，但其结果更具有现实指导意义。因此，开展相关远距离干扰实验研究具有重要的意义。
本文基于以上背景，针对某型红外跟踪仪开展了距离为15 km的地面远距离干扰实验。实验采用两种体制的中波红外激光器作为干扰源，脉冲重复频率分别为1 kHz和15 kHz，激光器平均功率均为1 W～6 W可调，发散角均为1.8 mrad，脉冲宽度接近23 ns。实验中，通过调节激光器电流改变干扰激光功率，结合激光束散角、大气透过率、跟踪仪光学增益等参数，使两种重频的激光到达红外跟踪仪探测器表面的功率密度相近，以此对比两种频率的激光对红外跟踪仪的干扰效果。
1 实验原理及装置
实验采用远距离直接干扰的方式开展。由于中波红外干扰的对象一般为红外制导导弹、机载红外观瞄设备等，其工作距离一般在10 km～20 km左右，此距离是干扰设备最佳工作距离，因此,干扰实验选15 km距离进行[15]。实验原理如图1所示。实验中分别将两台中波红外激光器和红外跟踪仪架设在相距15 km两个位置处，通视无遮挡。辅助瞄准激光器采用绿光，先通过肉眼观察，将辅助瞄准激光对准红外跟踪仪位置，再调节中波激光出射方向，使之与辅助瞄准激光平行，以实现远距离下激光发射端与接收端的精确对准。整个过程通过视频记录计算机记录干扰原始视频，对视频进行分析，得到两种中波激光的干扰效果对比结果。
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图 1 红外跟踪仪远距离干扰实验光路示意图Figure 1. Schematic diagram of optical path of experiment on long-distance interference of infrared tracker实验中，通过分光镜将部分激光引入激光能量计，对激光能量进行实时监测。通过调节两台激光器输出激光功率，结合发散角、大气透过率、跟踪仪光学增益等参数，使到达跟踪仪探测器表面的激光功率密度一致。此时干扰效果的差异仅仅与两台激光器的重复频率相关。
实验设备的具体参数如下：
1） 1 kHz中波激光器：波长3.89 μm，发散角1.8 mrad，平均功率1 W～6 W，脉宽23 ns；
2） 15 kHz中波激光器：波长3.89 μm，发散角1.8 mrad，平均功率1 W～6 W，脉宽22 ns；
3） 红外跟踪仪参数：（Ⅰ）探测器，凝视型红外焦平面；（Ⅱ）工作波段：3 μm～5 μm；（Ⅲ）帧频，50 Hz；（Ⅳ）光学增益，1.0×106（大视场）， 9×106（小视场）；（Ⅴ）积分时间，2 ms；
4） 激光功率计量程10 W，精度1%。
图2为红外跟踪仪及与之相连的视频记录工控机和监视器。图3为频率1 kHz和15 kHz中波红外激光器，绿色激光束为远距离辅助瞄准激光。图4为激光功率测量装置。
由于实验距离较远，远场光斑尺寸较大，因此,可忽略激光器光束直径对远场光斑的影响。
2 到达探测器的激光功率密度计算
中波激光器发射的激光束到达被干扰跟踪仪，通过其光学窗口，最终到达后方光电探测器表面。探测器表面处的激光功率密度计算公式如下：
$$ P = \frac{{4{P_0}\beta \tau }}{{{\text{π }}{{\left( {R\theta } \right)}^2}}} $$ (1) 式中：P为到达探测器的激光功率密度（W/cm2）；P0为中波激光器平均功率（W）；β为被干扰设备的光学增益；τ为大气透过率：R为干扰距离；θ为激光发散角。其中 τ=0.02表示较差大气，对应能见度5 km；τ=0.08 为中等大气，对应能见度13 km；τ=0.2 为良好大气，对应能见度23 km。
实验中实际运行参数：干扰距离R=15 km；红外跟踪仪光学增益β=1.0×106（大视场）、β=9×106（小视场）；激光器平均功率P0=1 W～6 W可调；大气透过率τ=0.02；大气能见度约5 km；激光发散角θ1=θ2=1.8 mrad。两种激光器分别按照1 W、3 W、5 W、6 W功率发射干扰激光，到达跟踪仪探测器表面的干扰激光功率密度如表1所示。
表 1 实验距离15 km时探测器表面的激光功率密度Table 1. Laser power density of detector surface at distance of 15 km激光功率/W 到达探测器的激光功率密度/（ W/cm2） 大视场 小视场 1 0.0035 0.0315 3 0.0105 0.0944 5 0.0175 0.1573 6 0.0210 0.1887 3 实验结果及分析
为了比较1 kHz、15 kHz激光器的干扰效果，把相同实验距离、相同功率密度的干扰图像进行对比。激光器功率分别为1 W、3 W、5 W、6 W时，红外跟踪仪大视场的干扰效果对比如图5所示。图5中左侧为1 kHz激光器的干扰效果图，右侧为15 kHz激光器的干扰效果图。
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图 5 两种激光器对大视场的干扰效果对比图Figure 5. Comparison of interference effect of two lasers on large field of view对应小视场的干扰效果对比图如图6所示。图6中左侧为1 kHz激光器的干扰效果图，右侧为15 kHz激光器的干扰效果图。
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图 6 两种激光器对小视场的干扰效果对比图Figure 6. Comparison of interference effect of two lasers on small field of view通过对比，可明显观察到不论大视场还是小视场，在激光功率相同的情况下（此时到达传感器的功率密度值相同），15 kHz中波激光器的干扰光斑面积要明显大于1 kHz中波激光器，即15 kHz激光器的干扰效果明显优于1 kHz激光器。为了对干扰效果进行定量对比，将干扰图像光斑占原始图像的面积比进行了计算，并将光斑面积换算成掩护面积，得到的统计数据如表2所示。激光功率密度与掩护面积曲线图如图7和图8所示。
表 2 两种激光器干扰图像的光斑百分比与掩护区域统计表Table 2. Statistics of spot percentage and cover area of two kinds of laser interference images视场 功率
/W功率密度
/(W/cm2)1 kHz激光器 15 kHz激光器 光斑
百分比/%掩护
面积/m2光斑
百分比/%掩护
面积/m2大视场 1 0.003 5 1.4 8.1E+04 1.8 1.1E+05 3 0.010 5 3.8 2.2E+05 4.4 2.5E+05 5 0.017 5 4.0 2.3E+05 8.6 5.0E+05 6 0.021 3.7 2.1E+05 9.5 5.4E+05 小视场 1 0.031 5 0.18 7.3E+02 2.1 8.5E+03 3 0.094 4 0.3 1.2E+03 3.8 1.5E+04 5 0.157 3 0.3 1.2E+03 4.4 1.8E+04 6 0.188 7 0.4 1.6E+03 5.5 2.2E+04 ![]()
图 7 大视场功率密度与掩护面积曲线图Figure 7. Curves of power density and cover area at large field of view![]()
图 8 小视场功率密度与掩护面积曲线图Figure 8. Curves of power density and cover area at small field of view由图7和图8可以看出，在大、小视场下，15 kHz中波激光的干扰效果明显优于1 kHz中波激光器。
在实际应用中，干扰激光与目标不可能完全对准，目标也不可能一直处于光斑光强最强区域内。本文分别对干扰激光光斑位于红外跟踪仪右半边视场（小视场）中央和右半边视场（小视场）边缘的干扰效果进行了对比分析。当激光功率分别为1 W、3 W、5 W、6 W时，激光光斑位于右半边视场中央和边缘时的干扰效果对比图如图9和图10所示。图9和图10中左侧为1 kHz激光器的干扰效果图，右侧为15 kHz激光器的干扰效果图。表3和表4分别为光斑位于右边视场中心和边缘时，光斑百分比与掩护面积统计数据。对应的激光功率密度与掩护面积曲线图如图11和图12所示。
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图 9 干扰光斑位于右半视场中心时的干扰效果对比图Figure 9. Comparison of interference effect when interference spot located in center of right half field of view![]()
图 10 干扰光斑位于右半视场边缘时的干扰效果对比图Figure 10. Comparison of interference effect when interference spot located at edge of right half field of view表 3 光斑位于右半视场中心时光斑百分比与掩护区域统计表Table 3. Statistics table of spot percentage and cover area when spot located in center of right half field of view光斑位置 功率
/W功率密度
/（W/cm2）1 kHz激光器 15 kHz激光器 光斑
百分比/%掩护
面积/m2光斑
百分比/%掩护
面积/m2右半边
视场中心1 0.031 5 0.25 1.01E+03 1.49 6.01E+03 3 0.094 4 0.27 1.10E+03 2.01 8.15E+03 5 0.157 3 0.45 1.83E+03 2.79 1.13E+04 6 0.188 7 0.42 1.70E+03 4.18 1.70E+04 表 4 光斑位于右半视场边缘时光斑百分比与掩护区域统计表Table 4. Statistical table of spot percentage and cover area when spot located at edge of right half field of view光斑位置 功率
/W功率密度
/（W/cm2）1 kHz激光器 15 kHz激光器 光斑
百分比/%掩护
面积/m2光斑
百分比/%掩护
面积/m2右半边视
场边缘1 0.031 5 1.56 6.3E+03 2.49 1.0E+04 3 0.094 4 2.76 1.1E+04 4.18 1.7E+04 5 0.157 3 2.68 1.1E+04 6.03 2.5E+04 6 0.188 7 2.23 9.0E+03 8.85 3.6E+04 由图11和图12可以看出，当干扰光斑位于右半边视场中心和边缘时，15 kHz激光器的掩护面积均优于1 kHz激光器。且在实际干扰实验中，通过调节红外跟踪仪俯仰和水平角度，使光斑在视场内进行上、下、左、右不同位置偏移，15 kHz激光器的干扰效果均稳定，并且优于1 kHz激光器的干扰效果。
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图 11 光斑位于右半视场中心时的功率密度与掩护面积曲线图Figure 11. Curves of power density and cover area when spot located in center of right half field of view![]()
图 12 光斑位于右半视场边缘时的功率密度与掩护面积曲线图Figure 12. Curves of power density and cover area when spot located at edge of right half field of view综上所述，15 kHz中波红外激光器对红外跟踪仪的综合干扰效果明显优于1 kHz中波红外激光器。对于此结果，应该与中波红外干扰的物理机理相关，目前国内已经有相关论文从红外探测器的基础电路设计、成像机制等方面做了相关研究[16-17]。后续可引入激光器重频因素作为研究分析的重点。
4 结论
通过开展15 km距离下，1 kHz和15 kHz中波红外激光器对某型红外跟踪仪的干扰效果对比实验，我们可以得到在激光功率、波长等参数相近的情况下，为了使中波激光器对红外制导武器、红外观瞄系统的干扰效果最佳，应该选择高重频的中波激光器。该实验结果对光电对抗装备的研制具有一定的指导意义。
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图 1 红外跟踪仪远距离干扰实验光路示意图
Figure 1. Schematic diagram of optical path of experiment on long-distance interference of infrared tracker
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图 5 两种激光器对大视场的干扰效果对比图
Figure 5. Comparison of interference effect of two lasers on large field of view
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图 6 两种激光器对小视场的干扰效果对比图
Figure 6. Comparison of interference effect of two lasers on small field of view
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图 7 大视场功率密度与掩护面积曲线图
Figure 7. Curves of power density and cover area at large field of view
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图 8 小视场功率密度与掩护面积曲线图
Figure 8. Curves of power density and cover area at small field of view
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图 9 干扰光斑位于右半视场中心时的干扰效果对比图
Figure 9. Comparison of interference effect when interference spot located in center of right half field of view
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图 10 干扰光斑位于右半视场边缘时的干扰效果对比图
Figure 10. Comparison of interference effect when interference spot located at edge of right half field of view
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图 11 光斑位于右半视场中心时的功率密度与掩护面积曲线图
Figure 11. Curves of power density and cover area when spot located in center of right half field of view
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图 12 光斑位于右半视场边缘时的功率密度与掩护面积曲线图
Figure 12. Curves of power density and cover area when spot located at edge of right half field of view
表 1 实验距离15 km时探测器表面的激光功率密度
Table 1 Laser power density of detector surface at distance of 15 km
激光功率/W 到达探测器的激光功率密度/（ W/cm2） 大视场 小视场 1 0.0035 0.0315 3 0.0105 0.0944 5 0.0175 0.1573 6 0.0210 0.1887 
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表 2 两种激光器干扰图像的光斑百分比与掩护区域统计表
Table 2 Statistics of spot percentage and cover area of two kinds of laser interference images
视场 功率
/W功率密度
/(W/cm2)1 kHz激光器 15 kHz激光器 光斑
百分比/%掩护
面积/m2光斑
百分比/%掩护
面积/m2大视场 1 0.003 5 1.4 8.1E+04 1.8 1.1E+05 3 0.010 5 3.8 2.2E+05 4.4 2.5E+05 5 0.017 5 4.0 2.3E+05 8.6 5.0E+05 6 0.021 3.7 2.1E+05 9.5 5.4E+05 小视场 1 0.031 5 0.18 7.3E+02 2.1 8.5E+03 3 0.094 4 0.3 1.2E+03 3.8 1.5E+04 5 0.157 3 0.3 1.2E+03 4.4 1.8E+04 6 0.188 7 0.4 1.6E+03 5.5 2.2E+04
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表 3 光斑位于右半视场中心时光斑百分比与掩护区域统计表
Table 3 Statistics table of spot percentage and cover area when spot located in center of right half field of view
光斑位置 功率
/W功率密度
/（W/cm2）1 kHz激光器 15 kHz激光器 光斑
百分比/%掩护
面积/m2光斑
百分比/%掩护
面积/m2右半边
视场中心1 0.031 5 0.25 1.01E+03 1.49 6.01E+03 3 0.094 4 0.27 1.10E+03 2.01 8.15E+03 5 0.157 3 0.45 1.83E+03 2.79 1.13E+04 6 0.188 7 0.42 1.70E+03 4.18 1.70E+04
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表 4 光斑位于右半视场边缘时光斑百分比与掩护区域统计表
Table 4 Statistical table of spot percentage and cover area when spot located at edge of right half field of view
光斑位置 功率
/W功率密度
/（W/cm2）1 kHz激光器 15 kHz激光器 光斑
百分比/%掩护
面积/m2光斑
百分比/%掩护
面积/m2右半边视
场边缘1 0.031 5 1.56 6.3E+03 2.49 1.0E+04 3 0.094 4 2.76 1.1E+04 4.18 1.7E+04 5 0.157 3 2.68 1.1E+04 6.03 2.5E+04 6 0.188 7 2.23 9.0E+03 8.85 3.6E+04
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