光电传感器技术综合应用

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：激光告警光学窗口和毫米波告警窗口分开，激光告警光学窗口实现对来袭激光侦察，完成光信号传输，主要由保护玻璃、视场光阑、光纤组成。

目前战场上主要的威胁有红外指令制导、红外成像制导、毫米波制导、激光驾束制导以及复合制导等多种类型导弹，威胁呈多样化发展，告警手段也相应出现了激光告警、紫外告警、红外告警、雷达告警等多种形式，并随着主动拦截系统的应用，还出现了近程探测雷达等主动探测手段。由于单一的传感器信息采集量不足，且易受周围环境等干扰因素的影响，因此很难保证检测威胁的准确性和可靠性，而且现在的威胁都具有多重特征，也需要综合探测告警才能对威胁进行正确的判断。同时，多种传感器在探测时都需要全向告警且视场无遮挡，如果各个传感器都要占据炮塔的高位，即是不太现实的，只有采取集成化的设计，才能保证多传感器的视场不相互遮挡。尤其对多模多色的制导方式，如末敏弹等威胁，必须采用多频谱综合探测告警再配合多种对抗手段，才能实现主动防护。

光电综合原理就是利用多个传感器对红外、紫外、激光、毫米波等不同波段的威胁信息进行综合采集，充分利用不同时间与空间的多传感器数据资源，运用数据融合处理和数据实时比对技术，得到各种信息的内在联系和规律，并在探测头结构设计上采取合理的视场分配、共孔径或部分共孔径设计，实现多传感器结构上一体化、功能上优化配置、信息上资源共享，从而实现对威胁目标的快速综合识别。

光电综合的优点和意义在于：

（1）显著提高判决的可靠性。光电综合后使被利用的信息量明显增加，而几种光电传感器获取的信息融合会使判决结果更加可靠。

（2）补充目标的距离信息。不同波段光辐射对应的大气衰减不同，依据这一点，利用两个不同波段实施目标探测时，运用数据处理技术可以有效地进行距离估计，从而弥补一般被动式光电传感器不能感知距离的重要缺点。

（3）有利于快速反应。光电综合包含了共形设计、光通道复用、资源共享、信息融合和多传感器数据并行处理等诸多高新技术，相对于单个传感器而言，其信号处理能力要强得多，实时性好得多，因而可实现快速反应。

（4）提高系统的作战能力。

目前在坦克装甲车辆上已经有以下6种典型的应用。

1.激光/毫米波复合告警技术

激光/毫米波复合告警通常用8 mm波段的毫米波告警和0.9～1.7μm的激光告警构成多频谱综合传感器，是一种低成本的威胁感知，不需要高精度测向，主要引导无源干扰。传感器对区域内的多频段告警信号进行匹配滤波和综合处理，对视场内的告警信号分别进行预处理后再统一送往防护计算机进行集中融合处理。

激光告警光学窗口和毫米波告警窗口分开，激光告警光学窗口实现对来袭激光侦察，完成光信号传输，主要由保护玻璃、视场光阑、光纤组成。光/电转换预处理电路将光/电转换后的电信号变成离散的差分脉冲信号送到决策处理器再进行处理。毫米波告警窗口由毫米波接收天线和预处理电路组成，在接收到雷达波束照射时，采用扫频的方式侦察整个频域的威胁信号，电子扫描以200 MHz为步长，为了覆盖全工作带宽，共需50个扫描点。告警天线对接收到的雷达信号进行检波放大，信号按其载频不同，通过各自的频段支路，以视频脉冲的信号形式再进入信号处理单元，信号处理单元利用到达时间，测出信号重复周期。

传感器内部采用模块化设计，按照功能划分为激光天线、毫米波天线、激光预处理、毫米波预处理、电源板等不同的模块，并在结构设计上进行匹配设计，模块间互不干涉。前端告警信号经接收预处理后统一送防护计算机进行数据融合处理，不仅节省了处理电路板，还提高了处理的速度和精度，实现了传感器的综合。

2.激光/导弹逼近复合告警技术

导弹逼近复合告警通常以共孔径结构凝视空间大视场范围，便于实现探测头空间视场匹配和时间的最佳同步。采用共孔径、探测器分立设置的方式，接收的辐射经过同一光学系统会聚和分束器分光后，分别送到不同滤光片上，经滤光片选择滤波，送至相应的探测器。探测器每个像素视场内的光学信号随后转换成电信号。设备一般采用凝视型，以多元探测器件实现对光电威胁的精确探测，同时可抑制假目标（尤其对激光等短持续特征的信号）。德国埃尔特罗公司的LAWA激光告警器即为一例，它能探测红宝石激光、Nd：YAG激光、CO2激光和普通红外辐射。

导弹逼近复合激光/代表有告警通常以成像型紫外告警和激光告警构成综合一体化系统，典型的如德国的MUSS系统。

激光/紫外复合告警设备由探测头、信号处理器、显控盒等组成。每个探测头的紫外、激光光学视场完全重叠且均为90°，4个探测头形成360°×90°的监视范围。紫外探测器对空间进行成像探测。4个能探测不同波长的激光探测头均布置在紫外探测通道周围，对激光波长进行识别，当激光威胁源或红外制导导弹出现在视场内时，其产生告警信号并在显示器上显示出相应的位置。激光/紫外复合告警不仅在探测头结构形式上有机结合、在数据处理上有效融合，而且由于探测头输出信号均为纳秒级脉冲信号，因而在接口、预处理电路及电源等方面可做到资源共享。另外，它可对激光驾束制导进行复合探测，这是因为二者视场完全重叠。当驾束制导导弹来袭时，紫外告警通过探测羽烟获得数据，激光告警通过探测激光驾束信号获得数据，两者做相关处理，能获得导弹来袭角信息和激光特征波长。

单独的紫外告警不能区分来袭的光电制导导弹是红外制导还是激光制导，只有同激光告警的数据相关后，才能作出判决；另外，激光/紫外复合告警可对激光驾束制导导弹进行复合告警，通过数据相关降低激光告警的虚警率。典型装备如美国LORAL公司研制的带有激光告警的AAR-47紫外告警机改进型，将探测头更新换代，采用4个激光探测器，装在现有紫外光学设备周围，同时使用了一个小型化实时处理设备。激光探测器工作波长为0.4～1.1μm，可对类似于瑞典博福斯公司生产的RBS70激光驾束制导导弹告警，同时能对成像制导导弹告警。当判断出有导弹来袭而又没有制导信号时，基本可判定为成像制导导弹。

紫外/红外复合告警采用单独的光学系统和分立的探测器件，对现有紫外、红外探测头进行复合，通过数据相关处理，提高战场态势估计水平。紫外告警完成对导弹的发射探测，红外告警对导弹进行跟踪，以控制定向红外干扰机等干扰设备。同时，二者做信号相关处理，可大大降低虚警率，完成对导弹的可靠探测，由于红外告警的角分辨率可达1 mrad，因而对导弹的定向精度可优于1 mrad。一般来说，紫外/红外复合告警是大视场紫外告警和小视场红外告警的综合。紫外告警由多个成像型探测头构成，对空域进行全方位监视；红外告警则是一个小视场的跟踪系统。紫外告警探测、截获威胁目标后，把威胁方位信息传给中央控制器，中央控制器通过控制多轴向转动装置完成对红外告警的引导。由于导弹发动机燃烧完毕后继续有较低的红外辐射能量，红外告警可对目标继续跟踪，二者以“接力”方式进行工作。例如，美国1997年推出的AN/AAQ-24红外定向对抗系统就采用了这种告警技术。

3.激光/毫米波复合告警/近程雷达探测技术

激光/毫米波复合综合传感器为了兼容拦截型防护，需要在激光/毫米波告警的基础上增加近程雷达，完成综合探测告警功能。近程雷达探测包含发射天线和接收天线两个部分，这样在威胁探测告警组件内部需要集成激光告警、毫米波告警、雷达发射、雷达接收4种天线。为了最大限度地利用内部的空间，且使4种天线的视场能匹配而不相互遮挡，采用分区布置的方式，将各天线安排在相应的区域，这既保证了各个接收窗口能充分接收告警信号，又保证了探测的独立性而不相互干扰。同时将雷达发射天线用天线隔离腔隔离开来，做好收/发隔离，以保证雷达探测精度。

探测告警组件内部采用模块化设计的原则，所有天线接收处理前端共用电源、滤波模块，各接收预处理模块（激光、毫米波、雷达）将不同的探测告警信号预处理后通过统一的接插件输出至主动防护的综合处理器进行下一步的信号融合与处理。内部各模块用独立的壳体封装起来，以提高综合传感器的电磁兼容性。

多频谱复合设计后，告警不仅能引导激光、毫米波、烟幕弹等多种干扰措施，还能引导随动式拦截转台提前转动到威胁方向，在近程雷达探测到目标准确方向后只需要微调转台就能引导拦截弹发射，从而大大节约了系统的反应时间，提高了主动防护效率。

4.可见光/红外图像与告警传感器综合技术

威胁告警传感器在探测到信息后，以声音、文字等形式向乘员提供告警信息，而乘员多以可见光/红外图像的方式获得周围的信息。

5.光电与雷达综合技术

光电与雷达综合技术是一项基于光电侦察与雷达等多维信息综合（融合）的目标综合识别技术。目标综合识别技术通过多维组合特征的辐射源识别算法实现目标综合识别，可以提高对目标属性判断的可信度。根据多维特征的特点，构建测量特征空间，计算每一维特征与识别库中对象空间的欧氏距离，根据距离的大小计算目标相似度，实现对目标的综合识别。

多维组合特征的辐射源识别算法的基础是建立多特征维度综合识别模型。首先对参与综合识别的特征进行定义，分析各特征对目标识别的贡献度、可用度和稳定度，结合电子目标辐射源搭载方式，分配各特征要素的权重和关联方式，完成目标综合识别建模。根据侦察装备的能力模型和识别可信度设置证据权，利用证据权修正基本可信度分配函数，使其表示证据的信度和重要度两种属性，提升综合识别正确率。

6.光电综合涉及的多传感器融合算法

光电综合涉及多个传感器信息，包含如激光探测、紫外探测、毫米波探测等传感器，在信息处理时需要对多个信息进行融合处理，工作流程如图5-5所示：由多传感器的探测网络探测威胁目标的特征参数，结合车辆姿态信息对这些参数进行数据融合，确定威胁目标的身份属性。一旦确定了威胁目标的身份属性，即可参照车辆现有的对抗手段进行决策，并启动最佳的防护措施。在整个处理流程中，数据融合处于一个特别重要的位置，数据融合算法的优劣直接决定着后续决策和防护的效能。

pagenumber_ebook=172,pagenumber_book=155