激光告警设备的发展过程及现状

激光告警设备的发展过程及现状
2010-08-20 21:30:17| 分类：网上的资料| 标签：告警探测器视场入射激光|字号大中小订阅
摘要：本文根据现有资料总结了激光告警设备的发展过程，并重点介绍了激光告警设备的工作原理及典型设备实例。

关键词：激光告警发展工作原理
1 激光告警设备的发展过程
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。

1.1 60－70年代
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。

1.1.1 美国
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。

1.1.2 法国
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。

1.1.3 英国
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。

1.2 80－90年代
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。

1.2.1 德国MBB公司
德国MBB公司经过多年的研究，并吸收了美国转让的技术，依靠在1985年7月和1989年6月申请的两项专利，在COLDS样机中成功使用了光纤延迟技术。

在1989年申请的另一项专利中，又提出了一种利用光的干涉原理测量激光波长的方法，与用扫描式法一珀干涉仪探测激光方向和波长相比，它具有结构简单、技术难度小等优点，这在迄今为止的激光告警技
术中，不能不说是一种创新，它推动了激光告警技术的发展，其它公司也相继研制出多种先进的激光告警设备。

如瑞典NobeiT ech公司研制的机载激光告警系统同德国MBB公司研制的激光告警系统一样，采用了光纤延迟技术，而且在光路中使用分色镜，实现了多波长告警。

1.2.2 美国Tracor公司
美国Tracor公司是著名的电子战厂商，在使设备小型化方面颇有建树，它曾开发出短脉冲激光告警接收机、Skylight型和适合单兵使用的LADIS型等激光告警设备。

它们都采用了光纤延迟技术，而都具有设备重量轻，抗干扰能力强的特点。

短脉冲激光告警接收机采用电池供电，可安装在各种平台上，并经组装供地面作战的步兵使用。

其技术性能比AN/AVR-2激光告警接收机更先进。

Skylight是供高性能飞机使用的高精度、高灵敏度的激光告警系统。

在1992年10月申请的专利中，该公司提出一种袖珍型激光告警接收机，它体积小，重量轻，特别适合在飞机上使用。

1.2.3 AIL系统公司
AIL系统公司在对激光威胁源进行精确定向告警方面积累了许多丰富的经验。

1991年9月该公司代表美国陆军通信电子司令部的夜视和电子传感器管理局，研制出一种高精度激光激光接收机(HALWR)。

这种高精度激光激光接收机的视场覆盖为：30°，俯仰20°，对波长为0.4μm 到1.1μm的激光辐射的灵敏度为0.28mW/cm2，对方位和俯仰到达角(AOA)的测量精度近似1mrad(0.06°)足以支持战车的主炮半自动瞄准发射或实施激光武器的对抗。

它由一个指示传感器，一个二维CCD焦平面阵列组成的摄像机及一个用于处理和显示的相关电路组成。

这种CCD以非常规模式操作，可对非同时到达的单脉冲激光进行探测，拦截概率超过98％，帧速10000－1250000/s。

最初研究是把CCD探测器应用于激光告警器，但是受到诸如：要求多脉冲探测，或者低灵敏度、有限的频谱范围和低角脉冲拦截概率的限制。

1992年8月，试验性的HALWR在新泽西州海军空战中心进行了初步试验。

该装置利用气溶胶散射能量可探测偏轴约8m的激光辐射；利用出口散射和溶胶散射可探测到偏轴24m的激光辐射。

试验中，在偏离主光束7m处，可探测2.5km远的激光目标指示器。

此处的激光辐射度仅约为0.5mW/cm2。

这种接收机的成功试验，促使美国陆军通信电子司令部着手进行"改进型远离轴激光定位系统"(FOALLS)计划。

技术开发源于早期的设计，但是它可提供偏轴1km的探测距离。

这样就可把它作为一个战场侦测站，在一个大区域范围内精确地对激光威胁源进行定位。

远偏轴激光定位系统的灵敏度为1uW/cm2，探测、定位和显示威胁所需时间不足1s;可在8s内对至少三个激光源定位。

系统的视场覆盖为：方位75°，俯仰10°，分为5个区。

模块固定的下半部包括覆盖整个视场的嵌入式传感器和其它5个分配到各个区的传感器。

当一个探测器探测到激光时，模块上半部旋转的CCD成像仪在该区进行自调整。

宽视场的嵌入式视场传感器为系统提供确定CCD成像仪前部的窄带谱滤波器的正确威胁波长信息需要35ms。

然后，系统在1mrad内的方位和俯仰到达角。

另外，系统上半部还有一个背景标准传感器，在低视度(阴天或接近阴天)条件下覆盖整个探测带宽：0.5－1.064μm。

在HALWA的基础上，ALL系统公司研究了一种装备坦克等平台的新型告警系统的理想参数，根据高精度激光告警接收机技术着手几个内部设计研究计划。

这些研究表明，坦克前方120°范围最有可能受到激光威胁，因而需要8个CCD成像仪提供所需要求的覆盖。

AIL公司认为这样的告警器是现实的和经济上负担得起的。

2 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1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2表示图1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；
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
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3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。

3 典型激光告警设备实例
由于对激光告警、侦察接收设备要求有相当宽的动态范围，才能保证高的截获率和低的虚警率，而且还希望能获得足够多的侦察信息，以便识别和采取有效的对抗措施。

因此，在设备的研制中采用了多种技术和方案。

其工作原理也截然不同。

激光告警设备按探测工作原理分为光谱识别型、成像型、相干识别型、全息探测型激光告警设备。

3.1 光谱识别型激光告警接收机
目前军用激光装备的工作波长，仅有0.85μm、1.06μm、10.6μm等有限几个。

若探测装置探测到其中某个波长的激光能量，那就意味着可能存在激光威胁。

这就是光谱识别型激光告警接收机的设计依据。

光谱识别型激光告警接收机是比较成熟的体制，它技术难度小，成本低，成为开发种类最多的激光告警器，国外在70年代就进行了型号研制，80年代已大批装备部队。

它通常由探测头和处理器两个部分造成。

探测头是由多个基本探测单元所组成的阵列，阵列探测单元按总体性能要求进行排列，并构成大空域监视，相邻视场间形成交叠。

当某一光学通道接收到激光时，激光入射方向必定在该通道光轴两旁一定视场范围内。

当相邻二通道同时收到激光时，激光入射方向必定在二通道视场角相重叠的视场范围内。

依次类推，探测部件将整个警戒空域分为若干个区间。

接收到的激光脉冲由光电探测器(一般为PIN光电二极管)进行光电转换，经放大后输出电脉冲信号，经过预处理和信号处理，从包含有各种虚假的信息中实时鉴别信号，确定激光源参数并定向。

激光威胁源的一些典型特征是：激光武器波长特定、脉冲持续时间较长；测距机脉冲短、重频低；指示器类似于测距机，但重频高；对抗用的激光器类似于测距机，但强度高；通信激光器是调制的连续波光源或很高重频的脉冲串。

对于引导干扰机的激光告警接收机设备必须给出激光波形的详细特征，包括脉冲重复率、脉冲间隔。

对光谱识别型激光告警设备的光学系统而言，定位分辨力特别是方位分辨力是该型设备设计的一个重要参数，直接涉及系统的方案选择、系统的复杂程度和生产成本的高低。

如定位分辨率为45°的激光告警光学系统，它是国内外最先研制的一种激光告警光学系统，应用于激光告警装置和激光对抗系统中。

国外在70年代就进行了型号的研制，80年代已大批装备部队。

国内于80年代初进行了激光报警器实验样机的研制。

从最先报道的资料来看，其实验
样机的定位分辨率为45°。

该型的光学系统配置为：水平方向有4套均布的激光光学系统，顶上(垂直方向)有一套探测光学系统，每一套光学系统的视场为135°，相邻光学系统视场重叠45°，所以，整个水平视场被分为8个独立的视场区域，每个视场区域均为45°，如图8所示。

而把俯仰(垂直)视场分为9个独立的45°视场区域。

综上所示，该种光学配置只能指示敌方激光源的大致方向，其方位分辨率仅为45°。

该型的每一套光学系统的均布组成与图1所示的几乎一致。

通过光学系统的不同排列，系统的方位分辨率可达5°。

为精确确定入射光的方向，可利用光纤编码入射方向的激光探测光学系统。

该系统在半球形传感器头部将多根光纤均匀分布在凹起的球面上并将其安装在头部内部，另一端按序聚集为一束。

光纤内的光通过光学系统后，聚集在端面由许多探测器组成的探测器阵列上。

通过随后的计算电路和与每根光学一一对应的探测器，可以精确确定入射光的方向。

通过对各探测器的电荷求和，也可检测入射辐射的强度。

通过适当的安排，比如采用光纤延迟技术，也可同时测量入射辐射的波长。

图4表示的是这种系统的结构原理图。

激光告警接收机通过输入孔径探测主光束、出口散射和气溶胶散射的激光辐射。

主光束辐射的激光能量呈高斯分布。

一般情况下，目标上的光束直径只有几米：当发散度为±1.5mrad 时，在5km远的目标上形成直径为1.5m的光斑。

出口散射是由发射机光学系统的不完善或不洁净，使部分激光能量偏离主光束带来的散射。

激光能量的另外一个组成部分是气溶胶散射，激光通道上的分子和大气微粒也会使部分激光能量落在主光束外，造成局部散射。

光谱识别型激光告警接收机接收激光能量的方式大致有两种，即接收大气气溶胶散射的激光能量或直接拦截激光束。

3.1.1散射探测式激光告警设备
它是通过接收目标表面、地面、大气气溶胶等散射的激光辐射来实现激光探测和告警。

在协同作战中探测这种散射光可实现对临近车辆受到激光威胁的告警。

其光学系统核心是一个特殊设计的圆锥棱镜，其内有一个下凹的锥形。

制造棱镜用的材料可用光学质量好的有机玻璃。

棱镜的下方是窄带干涉滤光镜和硅光电二极管探测器。

菲涅耳透镜把透过窄带干涉滤光镜的
光聚焦在硅光电二级探测器的光敏面上。

一种通过接收大气气溶胶散射的激光能量而进行警戒、用于装甲车辆的探测器的工作原理。

这种探测器装在车顶，视场向外、向下展开，好像一个锥形的罩子，将车辆完全罩住。

它在垂直面上的视场宽度为6°，范围是－7°－13°；在水平方向上的视场为360°。

来自任何方向、射到车辆任何部位的激光辐射，都必然要穿过这"罩子"。

当激光束穿越罩子时，大气气溶胶散射的激光能量就能被探测器接收到。

这种散射探测方式可以有效地警戒敌方激光束的照明，但不能确定激光源的方位。

英国马可尼公司研制的空间散射光探测器，有八个光口围成一个圆形，在入光口中有栅极、折射镜，物镜及探测器等。

散射探测式通常利用接收设备所在平台本身或平台周围大气对激光能量产生的散射进行探测，但若是利用大气散射，则与天气有
关，其散射能量与波长的四次方成反比，因而只能用于可见光和近红外探测，对中远红外难以奏效。

为了可靠截获激光束，确保不漏警，往往将直接探测和散射探测相结合，这种方法更为实用。

3.1.2 拦截探测式激光告警设备
采用拦截探测方式，可实现对激光源的定位。

多探测器拦截警戒就是一种比较简单的、可实现对激光源定位的拦截探测方式，通常由若干个分立的光学通道和电路组成。

这种接收机探测灵敏度高，视场大，且结构简单，无复杂的光学系统，成本低，但角分辨率低，只能概略判定结构入射方向。

例如，挪威Simrad和英国Lasergage公司研制的RL1型激光警戒
装置，它由探测头和车内的显控器两个部分组成，如图5(a)所示。

探测头由5个硅光电二极管探测通道组成，水平方向均布4个，分别接收来自不同方向的激光辐射，每个探测器的视场均为水平135°，垂直－20°～＋67.5°，相邻二光学通道的夹角均为90°，可以探测到水平360°范围的激光辐射，图5(b)表示它们在水平方向的角度关系。

相邻视场重叠45°，角分辨率45°，它们的相互位置关系，将整个水平视场均匀地分成八个象限。

于是，根据某个或某两个探测器接收到的激光辐射，就可确定激光源所在的象限。

第5个探测器是垂直方向探测器，垂直通道的光轴指向天顶，视场135°，与水平方向的通道组合，覆盖垂直的110°空域，探测来自上方的激光辐射，图5(c)表示探测器关系通道的垂直面内的角度关系。

由图5(b)可见，当只有某一光学通道接收到激光时，激光入射方向必定在该通道光轴两旁±22.5°范围内；当相邻二通道同时收到激光时，激光入射方向必定在二通道视场角相重叠的45°范围内；由图5(c)可见，当只有垂直通道收到激光时，激光入射方向必定在天顶两旁22.5°范围内。

当垂直通道与某一水平通道同时收到激光时，激光入射俯仰角必定在二通道视场角相重叠的45°(即＋22.5°
～＋67.5°)范围内，当只有水平通道收到激光时，激光入射俯仰角必定在－20°～＋22.5°范围内。

这样，探测部件就将整个警戒空域分为17个区间，水平8个，角分辨率45°；垂直3个，角分辨率45°。

显示器含有9个发光二极管，可以显示出激光源的大致方位。

其中8个发光二极管排成一圈，分别代表水平方向上8个45°扇形区，中央发光二极管指示接收到来自上方空中的激光辐射，这9个发光二极管将半球空间分成17个不同的概略方向来指示。

每接收到一个激光脉冲时，显示器还同时发出持续2秒的音响和持续8秒的闪光告警；接收到多脉冲时，音响报警一直持续到脉冲结束为止。

该设备可用于对红宝石激光器、GaAs激光器和钕激光器的告警。

其主要技术指标为：探测波段0.66－1.1μm，虚警率小于1000h一次。

该接收机的角度分辨率较低，只能概略判定激光入射方向，主要用于对定向精度要求不高的场合。

探测器附近的物体造成的二次反射往往会引起错误定向。

为使入射方向不致定错，必须采取有效的二次反射抑制措施。

这种接收机要在有各种电磁干扰和背景光干扰的野战环境中长时间警戒360°空域而不。