光电侦察告警技术在光电对抗中的应用

光电侦察告警技术在光电对抗中的应用
光电侦察告警技术在光电对抗中的应用
光电对抗(Electro-Optical Countermeasure)是指敌对双方在紫外、可见光、红外波段范围内，利用光电设备和器材对敌方光电制导武器和光电侦测设备等光电武器装备进行侦察干扰，使敌方光电制导武器和光电侦测设备等光电武器装备失去或降低其作战技能，并保护己方光电设备和人员免遭敌方的侦察干扰，正常发挥作用所采取的各种战术技术措施的总称。

它是电子对抗领域中的一个重要组成部分。

用光波作为“炮弹”的光电对抗武器装备及其技术，以惊人的速度得到发晨，成为实现各国军事竟争的重要焦点之一。

光电对抗技术最早起源于上个世纪50年代左右，美国是最先研制成对抗红外制导导弹的红外装置的国家，在1974年第四次中东战争中，就开始使用红外干扰机和红外干扰子弹等。

自此，红外对抗技术才得到了进一步的发展；而激光对抗则始于60年代末期，1968年美国研制成功世界上新的制导武器激光制导炸弹时，便开始了对抗措施的研究。

在70年代初期，就开始出现坦克载激光告警设备、舰载激光告警器和装在飞行员头盔上的激光告警器。

一直至今各国都在积极地发展光电对抗技术并建立新型的光电对抗体制。

毕竟，随着光电对抗技术的发展和应用，使得现代战争中防空武器系统面临的作战环境越来越严峻，没有光电对抗能力或对抗能力差的防空武器不仅不能有效地杀伤敌人，甚至自身的生存也会成为问题。

而且近代的几次战争也从侧面充分地证明了这点，历史的教训往往更直接、更深刻。

在军事应用中，光电精确制导技术和光电侦测技术发展迅速；应用广泛，目前己形成较完善的装备体系，许多现代军事作战平台(飞机、舰船、坦克及装甲车等)，普遍装备了前视红外系统、红外热像仪、激光测距机、微光夜视仪等光电侦测设备，使现代战争没有了白天和黑夜之分。

同时，在军事平台中还装备了激光制导导弹和炸弹、电视制导导弹和炸弹以及红外制导导弹等光电精确制导武器，这些光电精确制导武器具有命中精度高、全天候、全时段使用的特点，使得现代战争作战模式发生了巨大的变革。

以海湾战争为例：在海湾战争中，以美国为首的多国部队，对伊拉克采用了夜间突袭战术和“外科手术式”的精确打击战术，成功地摧毁了伊军大部分的战略、战术目标，在短期打垮了号称世界军事强国的伊拉克庞大的作战体系，而多国部队自己仅损失作战飞机几十架，人员伤亡数百人。

取得如此辉煌的战果，其中一个主要原因就是成功地使用了光电武器装备。

其实早在战争爆发前5个多月的危机中，多国部队就开始充分利用他们的光电技术的优势了，积极开展了以光电侦察为主要
内容的光电对抗，使用配有红外传感器的KH-11、KH-12“锁眼”式卫星和“曲棍”式卫星。

图1美国KH-12“锁眼”卫星
美国KH-12“锁眼”光学侦察卫星，有“极限轨道平台”之称，是当今分辨力最高的光学侦察卫星。

性能特点:
①可进行轨道机动，对重要目标详查时可降低高度。

②兼有普查和详查功能，遥感设备先进，分辨率高。

③可由航天飞机在轨道在补充燃料，工作寿命长。

基本数据:
发射载体：哥伦比亚号航天飞机或大力神－4火箭
工作寿命：不少于6年
地面分辨率：0.1-0.3米
重量：17吨
轨道近地点：315千米,倾角57分
可下降到高度：120千米
其中，KH-11“锁眼”式卫星能够拍摄可以辨别直径为30cm的地面物体的照片，而KH-12“锁眼”式卫星则能辨别直径为10cm的地面物体，更神奇的是这两者还能在夜间侦察到任何散热的物体；“曲棍”式卫星则能探测到地下几米深的物体。

除此之外，当然还有其他大量的武器和侦察器材。

正是在这些有效设备的帮助下，美军才能提前对伊拉克的各种军事目标和电磁信号进行全方位和不间断的侦察、监视与监听，为以后多国部队的空袭和地面打击提供准确可靠的情报，也在一定程度上为日后早日结束战争打下基础。

另外，海湾战争一共进行了42天，地面战争仅仅打了4天，而空袭与反空袭的作战却持续了38天。

伊拉克拥有的苏制地空导弹系统和德、法制造的“罗兰特”地空导弹武器，不具备对抗高强度光、电干扰能力和对抗反辐射导弹与空对地光电制导武器的能力，在空袭中几乎丧失了战斗力。

而作为敌人的多国部队在空袭时采用了多种飞机综合编队方式，除EA-6B，EF-111A专用电子飞机携带大量光电对抗设备外，作战飞机均配备了各类自卫光电干扰设备。

此类设备在作战时有效地抑制了SA-7、SA-9、SA-13、“罗兰特Ⅱ”等防空导弹的攻击能力。

也因此多国部队的飞机损失率只有0.5%，可见机上的自卫干扰发挥了多大的作用了。

此外，多国部队还运用了反辐射导弹以及光电直到空对地导弹，发射了1000多枚HARM和100多枚ALARM导弹，使得伊拉克地面制导设备遭到了毁灭性的打击。

综上就不难看出：光电对抗在现代战争应用的必要性和广泛性了。

但这也并不能说明这些光电侦测装备和光电制导武器就无法对抗了，海湾战争伊拉克在十分被动的情况下，匆忙点燃了许多油井，漫天的烟雾使光电侦察设备无法识别目标，光电制导武器也失去了用武之地，有效地阻止了多国部队对该区域的攻击，这就是光电对抗技术的一种典型应用形式。

光电对抗的作战对象主要是来袭光电制导武器和敌方光电侦测设备。

光电制导武器和光电侦测设备都有两个敏感单元：信息获取单元(光电传感器)和信息处理单元(计算机)，这就像是人的眼睛和大脑。

光电对抗技术就是针对敌方光电制导武器和光电侦测设备的“眼睛”和“大脑”，采用强光致盲、致眩干扰使其“眼睛”变瞎，采用烟雾遮蔽干扰使其“眼睛”看不见目标，采用光电迷惑干扰使其“大脑”无法识别目标，采用光电欺骗干扰使其“大脑”产生错误判断而攻击假目标，从而有效对抗敌方光电制导武器和光电侦测设备。

1.光电对抗概念
光电对抗包括光电侦察与光电干扰、反光电侦察与反光电干扰两个方面的内容。

每个方面均涉及激光、红外和可见光三个技术领域，因此，通常又把光电对抗分成激光对抗、红外对抗和可见光对抗三个组成部分。

图2为光波段的分布图，将功能分类和波段分类结合起来就得到了一个完整的光电对抗技术体系，如图3所示。

图2光波段的分布图
图3光电对抗技术体系
1.1光电侦察
光电侦察是指利用光电技术手段对敌方光电设备辐射或散射的光波信号进行搜索、截获、定位及识别，并迅速判别威胁程度，及时提供情报和发出告警。

光电告警是光电侦察的特殊应用形式，光电侦察告警是实施有效干扰的前提。

光电侦察有主动侦察和被动侦察两种方式。

主动侦察是利用对方光电装备的光学特性而进行的侦察，即向对方发射光束，再对反射回来的光信号进行探测、分析和识别，从而获得敌方情报的一种手段；被动侦察是指利用各种光电探测装置截获和跟踪对方光电装备的光辐射，并进行分析识别以获取敌方目标信息情报的一种手段。

光电侦察主要包括光电侦察告警技术、激光测距技术和激光雷达技术。

其中,光电侦察告警技术是指利用光电探测器在光波段侦察、截获和识别敌方的光信号，进而判断其威胁性质和危险等级，确定来袭方向，最后发出警报并启动防御系统进行对抗。

根据光波段的不同，光电侦察告警技术可以分为红外侦察告警技术、紫外侦察告警技术和激光侦察告警技术。

1.1.1 激光侦察告警
激光技术的发展使人们开始研究激光对抗技术，从70年代的初级形式“激光报警器”：可实时判断激光威胁的存在并粗略判断激光来袭方向；到现在研制的具有多种性能的高级形式激光告警接收机：不仅能实时报警，而且能探测某些激光参数包括位置(方向)、激光波长、能量、重复频率及编码等。

国外对激光威胁的侦察、探测和告警工作都极为重视，先后研制了多种形式的激光告警接收机。

首先出现的是60年代问世的带有威胁探测器的主动防御系统--红外探测器，安装在主战坦克上。

这种探测器在70年代得到了进一步的发展，不仅能对付连续的红外威胁，而且能对抗来自激光测距机、激光目标指示器的激光威胁。

据此，美国伯琴-埃尔默公司首先研制出了激光告警接收机(LWRs)，它与烟幕弹发射装置联合使用，形成了早期的对抗手段，至今仍是主动防御系统中广泛使用的对抗方式。

其后，法国、英国也先后公开展出了红外和激光警戒接收机、激光与红外探照灯探测器。

美国伯琴-埃尔默公司为激光告警的开发研制做出了巨大贡献。

该公司通过进行大量基础研究，申请并获准了两项专利，研制出法－珀型激光告警设备，即现在广泛装备部队的AN/AVR-2的原始样机。

1971年，美国伯琴－埃尔默公司申请了相干光探测器专利，用扫描式法－珀干涉仪探测激光的方向、波长，用硅光管接收信号，该专利于1974年获准。

在此专利基础上，1977年该公司又申请了分析相干辐射装置的专利，在上述专利的基础上加以改进，提高了探测1－6μm波段的功能。

该
专利于1979年获准。

该公司在上述两个专利的基础上，于1978年开始制MIWR多传感器警戒接收机的样机，识别0.45－1μm波段内激光源的方位、波长等。

与AN/ALR－46雷达警戒机联用，在1979年进行了战术试验，试验表明能够提高飞机的生存力。

此后该公司将MWR改进并定型生产，正式列入美军装备，这就是AN/AVR－2激光警戒接收机。

法国TRT公司1975年在法国第五届武器和装备展览会上公开展出了红外和激光警戒接收机，此接收机可接收并记录水平360°、垂直－30°～＋60°范围内的可见光、红外光和激光脉冲，并在指示器上显示出来，光源指示精度15°。

该警戒探测器由旋转传感器、指示器和操作台三部分组成。

辐射源停止发射时，警戒探测器的信息存储器可以将信息存储起来。

英国普莱赛雷达公司于1978年完成激光与红外探照灯探测器的样机及试验，主要供地面装甲车辆使用。

该探测器有复合探测器组件和显示器两部分构成，可接收直接照射的激光束，也可用散射探测器接收散射的激光，装在车顶，实现全向监视。

显示装置装在车内，产生音响和视频警报，并标明威胁类型。

散射探测器的视场犹如英国锥形的罩子，将车辆完全罩住。

激光由任何方向照射车辆任何部位，都要穿过这个罩子，于是散射探测器就能接收到视场内大气气溶胶散射的激光能量。

位于散射探测器下方的直接探测器，只有被激光束照射到时才发挥作用。

它采用由12个硅光管构成的圆阵列，这些探测器的视场彼此重叠，利用编码孔径，可以确定激光源的大致方位，在水平方向以15°精度测定激光来袭方向。

在80年代早期，激光告警系统曾计划装备"挑战者"坦克，但最终未被采纳。

其原因是虽然人们一直认为激光告警接收机主要是用来对抗坦克炮的激光测距机，但因为激光脉冲到达和坦克炮发射的时间间隔非常短，所以系统不是很奏效。

即便如此，80年代中期激光告警接收机还是装备到了前华沙合约部队中。

几乎与此同时，以色列新开发的"梅瓦塔"坦克也装备了激光告警系统，它和前东德陆军的T－55AM2坦克上的激光告警系统灵敏度已有了显著提高，不仅能探测激光测距机和激光指示器，还能探测到激光驾束制导导弹系统发出的微弱激光辐射。

此时其它许多国家也开始广泛进行激光告警设备的研制，虽然这此激光告警接收机灵敏度还不够高，但是人们认识到了激光告警接收机与烟幕弹发射装置联合使用的潜在优越性，才使激光告警技术得以发展。

美国在80年代初开始广泛进行激光告警技术的研究，为其它国家激光告警技术发展奠定了基础。

1980年美国电子战中心系统研究实验室研制成功LARA激光接收－分析仪，用迈克尔逊干涉仪原理测定激光的到达角度和波长，用二维阵列探测器接收并存储条纹图。

1980年美国空军赖特航空实验室研制DOLE(Detection of Laser Evaiuation)激光警戒接收机，
并于1982年成功进行了战术试验。

它是一种机载激光警戒装置，类似于AN/AVR-2型激光警戒接收机。

此后由美国空军航空电子学实验室主管，伯琴－埃尔默公司做主承包商研制的DOLRAM，是DOLE 发展型，能测量激光入射角，并将激光警戒、毫米波警戒装置与AN/ALR-46A雷达警戒接收机相结合。

1983年美国陆军将AN/GLQ-13车载激光对抗系统编入美军装备，探测激光并采取适当的对抗措施，可保卫各种尺寸和形状的区域，保卫地面重点目标。

此时，各国研制的激光告警设备大都能对激光威胁源进行粗略定向，3个著名的公司在解决了许多关键技术问题的基础上，采用激光告警先进技术，不断开发研制出能对激光威胁源进行精确告警的小型化设备。

这就是德国MBB公司、美国Tracor公司和美国AIL系统公司。

激光告警技术可探测激光测距机和激光照射器发出的激光并发出报警信号,探测的是激光的照射方向。

Nd：YAG激光(波长为1.064μm)、红宝石激光(波长为0.694μm)已成为威胁对象。

最近正在开发以伤害人的眼睛为目的的激光武器，Nd∶YAG激光的2次倍频(波长为0.532μm)和氩激光(波长为0.515μm)等可见光区的激光也成了威胁。

探测光源时需要将目标和背景分离，通过波长识别和时间识别，提取出激光光源。

波长识别利用多层膜滤光片技术，能够探测限定了探测波长范围的脉冲激光和连续振荡激光。

时间识别探测激光的脉冲重复次数，与背景光的直流信号分离，波长范围很宽，但只限定脉冲激光。

激光告警装置的告警范围，水平方向必需做到360°，采用两种方法实现，一是采取多个单元探测器并联的方式，二是采用2维阵列凝视探测器方法。

单元探测器并联方式通过结合集光(聚光)透镜和单元探测器，比较各个探测器的信号水平(电平)，进行方位分辨。

方位分辨能力取决于各个传感器的视场角和传感器的数目。

2维阵列探测器配有宽视场光学系统，探测器自身具有角度分辨能力，能够进行精密的方位测定。

单元探测器方式的角度分辨能力为15°～45°，2维阵列方式的为小于1°。

探测波长区域由使用的光学系统和探测器的波长来决定，现正在研究开发有望成为威胁激光波长的0.5～1.1μm区域。

另外，单元探测器使用的是硅发光二极管，而2维阵列使用的是硅/CCD固体摄像器件。

激光告警针对战场上机载激光测距机、激光制导武器等激光威胁源，以被动的方式及时准确地探测敌方激光辐射，确定其来袭方向，发出警报，以便对其进行干扰或摧毁。

例如，美国AIL系统公司研制的“高精度激光告警接收机”(HALWR)，覆盖范围为方位角30°，俯仰角为20°，灵敏度为0.28mW/cm2，而测量角精度接近1mrad，这足以支持激光武器对抗威胁目标。

1.1.2 红外侦察告警
红外侦察告警主要针对来袭导弹或飞机，对目标进行搜索、跟踪和定位，自动引导干扰系统工作，用先进的成像显示提供清晰的战场情况。

例如，使用红外传感器的MAWS，有效探测波长为3～5μm和8～12μm。

红外侦察告警系统按告警单元工作原理可分为扫描型和凝视型两种。

扫描型红外告警器采用单元探测器或阵列探测器，通过二维光机扫描完成对空域的监视。

凝视型红外告警器采用焦平面探测器和固定视场完成对空域的监视。

红外侦察告警系统的特点有:
(1)被动操作、具有隐蔽性；
(2)昼夜24h都可工作；
(3)有良好的烟雾、尘埃的透过能力和揭示伪装的能力；
(4)有很高的灵敏度和分辨率。

1.1.3 紫外侦察告警
紫外侦察告警系统的识别探测原理是在火箭发动机燃烧时，火焰辐射光的成分中包含比0.3μm 波长更短的紫外线。

当燃烧温度在尾喷管出口上升到2000K时，便包含伴有黑体辐射的紫外成分。

在固体火箭发动机中，除固体燃料外，还常添加金属燃料如铝粉等，以提高燃速，增强推力。

添加铝粉时，随着燃烧温度的上升，紫外波段的辐射也增强。

由于燃烧，气化的铝局部可达5000K高温，产生原子化，热激励的中性铝原子及离子化原子便可出现强烈的紫外线发光。

发光光谱为不连续的线谱，根据报告在太阳盲区波段(0.25～0.3μm)也有很强的辉线光谱，因此可以得到很大的信噪比。

紫外告警的技术特点有:
(1)紫外探测技术为系统提供了成熟的、极其灵敏的探测器，易采用先进信号处理技术，使技术成果迅速转变为战斗力成为可能；
(2)在紫外区，由于空间造成的紫外背景辐射较小，同时，由于中紫外区位于太阳盲区，系统避开了最大的自然光源；
(3)紫外探测技术使系统结构大为简化，不制冷、不扫描，质量减轻，体积减少。

目前，紫外侦察告警系统以其虚警率极低、结构轻巧、高灵敏度等特点而被广泛地应用到军事领域。

尤其是在空战中，对保护载机的安全起着巨大的作用。

1.1.4 复合侦察告警
现代战争对信息综合利用的要求使复合光电侦察告警技术应运而生。

光电综合告警装备可对红
外、紫外、激光不同波段的光电威胁信息进行综合探测处理，在探测头上有机结合，在数据处理上有效融合，并充分利用信息资源，实现优化配置、功能相互支援及任务综合分配。

以激光驾束制导导弹为例，它不仅表现有制导波束的激光辐射信息，还有导弹发动机工作时的羽烟紫外辐射信息，也有导弹自身的红外辐射信息。

三种信息的综合利用不仅可以准确地探测这种导弹，精确地指示其角方位，判明是红外制导导弹还是激光制导导弹，有效地剔除假目标，显著降低虚警率，而且能依据由不同波段获得的数据比对处理攻击目标距离信息。

美国F-22战斗机装备的告警系统，可利用紫外辐射、可见光、红外辐射直至毫米波实施侦察告警；英国普莱西雷达公司研制的复合光电侦察告警器能有效地探测红外探照灯和两种激光。

美国海军将导弹逼近告警、激光告警和“最佳对抗响应”软件综合在单一处理器模块上，形成综合告警，并通过综合控制大大提高了作战效果。

1.2 光电侦察告警装备
光电侦察告警装备利用光电探测器，对敌方武器设备所辐射或散射的光波进行侦察、截获及识别，判断威胁的性质和危险等级、确定来袭方向，然后发出警报并启动与之相连的防御系统实施对抗，如引导激光致盲武器对来袭导弹进行软杀伤，或引导高能激光武器实行硬摧毁。

光电侦察告警装备，主要有:红外、紫外和激光侦察告警装备等分别列于表1、表2和表3。

表 1 激光侦察告警设备
表 2 红外侦查告警技术
表 3 紫外侦察告警设备
激光告警设备的工作原理
激光告警设备是一种用于截获、测量、识别敌方激光威胁信号并实时告警的光电侦察设备。

通常装载在飞机、舰船、坦克及单兵头盔上，或安装在地面重点目标上，对激光测距机、目标指示器、激光驾束制导照射器、激光雷达、激光制导武器的激光信号进行实时探测、识别和告警，以便载体适时地采取规避机动或施放干扰等对抗措施。

激光告警是一种特殊用途的侦察行为，它针对战场复杂的激光威胁源，及时准确地探测敌方发射的激光信号，确定其入射方向，发出警报。

激光告警通常具有如下特点：
接收视场大，能覆盖整个警戒空域；
频带宽，能测定敌方所有可能的军用激光波长；
低虚警、高探测概率、宽动态范围；
有效的方向识别能力；
反应时间短；
体积小、重量轻，价格便宜。

激光告警设备主要由激光光学接收系统、光电传感器、信号处理器、显示与告警装置等部分组成，测量敌方激光辐射源的方向、波长、脉冲重复频率等技术参数。

激光光学接收系统用于截获敌方激光束、滤除大部分杂散光后将激光束会聚到光电传感器上，光电传感器将光信号转变为电信号后送至信号处理器，经信号处理器处理后送至显示器，显示器可显示出目标类型、威胁等级以及方位等有关信息，并发出告警信号。

还可将来袭目标的威胁信号数据通过接口装置直接送到与其交连的对抗设备中，直接启动和控制这些对抗设备。

图4是一个基本而完整的激光光学系统，其光学原理是：激光束通过滤光镜后，选择了有用的工作波段，然后由接收物镜会聚到光电探测器的光敏面上。

光栏的作用是限制视场。

图5表示图4中光学元件的光学原理。

从图上可以得出各光学元件参数简单的关系；
图4 激光光学系统的基本形式
图5 激光光学系统的光学原理
D1=2f′tgω (1) 式中：f′：物镜的后焦距；D1：探测器光敏面直径；ω：关系系统半视场角
图6 场镜的作用
图7 光纤编码入射方向的结构原理图
由于技术难度大成本高等原因，光电器件的光敏面尺寸一般都不能作得过大，仅为几毫米。

但是，当要求光学系统的视场2很大时，就产生了矛盾。

由公式(1)可知，当很大时，则就会成比例的增加，这是作不到的。

为了解决大视场与小光敏面尺寸匹配的问题，可以采用场镜法等光学系统。

场镜是位于物镜象平面或其附近的正透镜，它的作用是把视场边缘的发散光束折向光轴，以减小探测器的光敏面尺寸。

如图6所示。

探测器的光敏面应与系统的出瞳位置重合，两者的尺寸相等。

由此，可利用小尺寸的光敏面并改善投射在其上的照度均匀性。

1.3 发展分析
(1)从激光侦察告警技术的发展来看，CCD器件及高灵敏度、高精度远离轴探测技术受到注目，可能向激光侦察及预警方向发展；一体化多方式告警及对抗技术是人们研究的重点和发展趋向；在激光告警设备中采用可配置组件结构以适应多种应用，且在保证产品高性能的同时成本降低。

(2)红外侦察告警装备的发展已呈现出新趋势：充分利用目标光信号特征降低虚警率。

来自目标的光信号可能从光谱曲线、时间特性、空间特性等多方面表现目标的特征，充分利用这些信息，就。