laotunacuteacute美国导弹防御激光雷达技术 王戎瑞

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精华序号：36
来自论坛：小熊在线 《武器军事论坛》
内容说明：1　前　言 　　激光雷达由于其波长短，光束角窄、杂波干扰少，用来搜索和捕获目标十分困难。因此激光雷

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• ◎ laotunacuteacute美国导弹防御激光雷达技术 王戎瑞 (3805字) 帝国骑士 (235151)于2003/08/22(16:24:46)..

1　前　言
　　激光雷达由于其波长短，光束角窄、杂波干扰少，用来搜索和捕获目标十分困难。因此激光雷达系统一般需要与微波雷达，特别是与红外搜索跟踪系统配对使用，开始由微波雷达或红外搜索跟踪系统为激光雷达瞄准提供目标方位和俯仰角。
　　十几年以前美国星球大战计划已考虑激光雷达系统测量和识别再入飞行体和诱铒。改进后的火池雷达于1990年对再入飞行体和诱铒成功地进行了识别，这次试验具有重要的军事意义。然而，要求在上千公里距离上识别目标，这就使得激光雷达系统十分庞大而复杂，成本很高，不符合实战要求。
　　冷战结束后，主要的威胁是有限距离的战区弹道导弹(TBM)。为防御这些导弹就需要早期探测和跟踪，需要确定导弹的发射点、碰撞点和潜在的拦截点。激光雷达与被动红外搜索跟踪系统相结合，不仅提供精确的距离信息，而且快速地估算出目标弹道轨迹。图1表示用红外测量目标方位和俯仰角和用激光测距数据估算TBM弹道的误差。由图可见，采用被动红外和激光雷达相结合，使估算误差成倍减小。分析和试验表明，对于TMD任务所需要的几百公里距离，用现有机载激光测距仪和正在试制的激光雷达系统是可以实现的。

图1　用激光测距仪估算TBM弹道
　　实践业已证明美国眼睛蛇球RS-135S红外预警飞机最近几年内已加装了Nd∶YAG激光测距机，而美国海军TBM防御用的机载门警(Gate Keeper)系统就是采用IRST和激光雷达组合的系统，计划装于E-2C、S-3或E-3飞机。
2　激光雷达波长的选择
　　根据机载TMD任务，要求在已方国家上空执行飞行任务，因此激光测距仪必须采用人眼安全的激光器。为此，只能考虑波长大于1.4μm的激光器。
　　10.6μm波长的CO2激光作为相干探测激光雷达发射机，已研制相当成熟，而C13O2工作波长在11.15μm，可以改进大气传输特性，完全适合于TBM任务。
　　掺Tm或Ho YAG激光器，其工作波长在2μm附近，并已做成了相干探测激光雷达。现代的二极管泵浦Nd∶YAG激光器不仅提供高的光束质量，而且可以获得高的平均功率和大的脉冲能量，因此可以用它泵浦KTP或KTA光参量振荡器(OPO)获得1.5或1.6μm波长可调输出，或者利用CH4或D2拉曼盒把1.06μm输出分别频移到1.54和1.56μm波长输出。这些频移的固体激光器都可以用在直接探测激光雷达系统中。
3　激光测距仪性能分析
3.1　分析条件
　　为了分析比较，列出脉冲CO2激光相干探测测距机和直接探测OPO频移固体激光测距机相关数据。假定典型的TBM长波长和短波长的反射率分别为2%和10%。大约在发射后70s高度30km时熄火，随后20s时间上升到50km高空。因此，在分析激光测距仪性能参数时，选择目标距离从250km至450km，高度从发射点到60km，假定目标的激光雷达截面积为0.53m2(11.15μmCO2激光)和2.65m2(1.575μmOPO)。表1列出了这两个系统的设计参数。
3.2　分析比较
　　图2和图3分别示出了CO2和OPO激光测距机的信噪比(SNR)与目标距离和高度的关系。由图可见，CO2激光SNR在高度10km以下时迅速下降，而OPO激光SNR在高度15km以下时就迅速下降，因此这种短波长激光受大气衰减更大，图4和图5分别表示CO2和OPO激光测距机的探测概率与大气闪烁的关系。由图可见，CO2激光进行相干探测时，若要求探测概率为80%，那么就能在助推器30km高度上熄火之前，用单脉冲测距到450km以上；而对OPO激光直接探测，要求目标高度32km(熄火之前)可测距300km，高度达53km时可测距450km。

图2　11.15μm激光相干探测时SNR与
目标高度和距离关系。3J激光能量；0.53cm2目标激光截面积；飞机高度9.45km

图3　1.575μmOPO激光直接探测的SNR与目标
高度和距离的关系。0.5J激光脉冲能量；2.56m2目标激光雷达截面积；飞机高度9.45km

图4　11.15μm激光相干探测的单脉冲探测概率
Pd与目标高度的关系。3J激光脉冲能量；0.53m2目标激光雷达截面积；飞机高度9.45km

图5　1.575μmOPO激光单脉冲探测概率(Pd)
与目标高度的关系。0.5J激光脉冲能量；2.56m2目标激光雷达截面积；飞机高度9.45km
　　经周密计算指出［1］，C13O2激光相干测距机对高度15km，距离450km的目标进行单脉冲测距，可以提高80%的探测概率，而虚警率可达10-4；相比之下，OPO激光受大气湍流影响很大，用单脉冲测距不能提供上述性能水平。然而，根据系统情况和目标类型，激光测距仪能够利用多脉冲进行单次距离测量。图6表示OPO系统多脉冲单次测距对探测概率的影响。由图可见，即使在10μrad均方根光束跳动情况下，用这种只有2个脉冲组的方法就能使探测概率超过80%。另外，OPO激光测距仪脉宽为10ns量级，即使在最低SNR情况下也能为TMD任务提供合理的测距精度。

图6　OPO系统多脉冲单次测距对探测概率(Pd)
的影响。0.5J激光脉冲能量；2.65m2目标激光雷达截面积；飞机高度9.45km；距离300km；光束跳动10μrad。
　　总之，激光测距机性能分析结果表明，大气效应，尤其是湍流限制了激光测距机在TBM助推段初期测距性能，尤其在远距离下激光束接近水平通过大气时更是如此。光束跳动更加降低了激光测距性能。短波长OPO激光测距受上述二个因素的影响更大，但可以用多脉冲单次测距方法满足系统的要求。然而，从系统的实用要求出发，测距仪系统的重量、体积、功耗、成本以及可靠性和稳定性也是十分重要的参数。综合这些因素，固体激光器特别是二极管泵浦固体激光器在许多方面要比CO2激光器优越，因此在现有红外预警机中采用1.06μm Nd∶YAG测距机或1.06μm Nd∶YAG激光泵浦的KTP光参量振荡器测距机。
4　“门警”TBM测距系统
4.1　系统概况
　　防御TBM的关键是对其进行早期预警，并及时地向拦截武器系统提供高精度的TBM弹道数据。美国海军正在研制的“门警”系统就是一种用于防御TBM的机载光电传感器系统。它能探测在助推段或后置助推段的TBM，并测出后置助推段弹道三维数据，实时地向舰载、机载或陆基拦截武器系统提供足够状态矢量精度的弹道数据。门警系统将安装在多功能监视飞机如E-2C、S-3或E-3飞机上，并与战区C3网络联网。
　　该系统包括一个用于搜索目标的双波段红外搜索跟踪系统，工作波长为3.5～5和8～12μm；一个直接探测的短脉冲激光雷达，工作波长为1.571μm；一个与激光雷达配用的角跟踪器，工作波长为3.5～5μm。
　　当IRST搜索到一个后置助推器目标时，该目标的航向被转送到激光雷达/角跟踪器(LR/T)的角跟踪器中。角跟踪器有一个与高速处理器和宽带控制反射镜相连的中红外凝视焦平面阵列。高速处理器计算目标在焦平面上的位置，产生一个误差信号，并被转送到控制反射镜。这个误差信号把目标像移动到中心像素区，一旦目标像处于中心，并进行像限跟踪，则LR/T的激光雷达向该目标连续地发射一串激光脉冲，并测出脉冲往返时间，同时根据万向架与控制反射镜的位置以及飞机飞行高度和位置，经综合计算，得出目标在绝对坐标系中的位置。一系列精确的目标位置测量值经过约5秒钟时间修正，可以算出目标弹道状态矢量。
　　表2列出了门警系统的技术参数性能。由表可见，该系统具有高度缩短的拦截时间线。由于望远镜的水平视场只有2°宽，而传感器以40°/s的速度进行扫描，因此目标在传感器视场内停留时间只有50ms。对目标快速摆动的LR/T要在50ms时间内对目标进行锁定、跟踪和测距，因此对目标处理速度应为20次/s。如果在2°视场内出现多个(n)目标，则传感器应减慢扫描速率，此时万向架的扫描速率应为(40°/n)/s。
4.2　LR/T的角跟踪器
　　表3列出了LR/T角跟踪器技术参数。此角跟踪器包括中红外凝视焦平面阵列、宽频带控制反射镜、信号处理器/计算机控制数字伺服装置。中红外焦平面摄像机形成的输出被送到像素处理器，经处理后，向跟踪处理器提供“热点像素”清单。跟踪处理器用数字伺服算法进行目标选择(搜索方式)或误差信号计算(根据目标矩心离要求跟踪点的偏差)。来自跟踪处理器的反馈信号被送到宽带控制反射镜上，控制中红外凝视焦平面阵列瞬时视场。目前林肯实验室已研制出类似角跟踪器，可以从地面跟踪750km外层大气中目标，跟踪精度达1.2μrad。
4.3　LR/T的激光雷达
　　这是一种直接探测短脉冲激光雷达，包括固体激光发射机、光电探测器和距离跟踪处理器。表4列出了LR/T激光雷达技术参数。
正如前面所述，机载TBM激光雷达必须采用人眼安全的激光波长。虽然目前有许多激光器能产生1.5～1．8μm波长的激光输出，但是能同时满足LR/T激光雷达脉冲重复频率和脉冲能量要求的激光器不多，门警系统激光雷达使用的是Nd∶YAG激光泵浦KTP OPO，它的输出波长为1.57μm，脉冲能量为600mJ。
　　激光接收机使用InGaAs APD和窄带滤光片。这种InGaAs APD的截止波长与上述激光波长接近，而量子效率与温度有关，因此要选择能使激光测距性能最佳的的探测器工作温度。
5　结束语
　　激光测距技术用于战区弹道导弹测量研究表明，从技术上看是可行的，但由于最近几年才开始试用，还有待实践证明。

• 已加入精华区 (空) 香奈尔 (235954)于2003/08/24(12:01:36)..

• ◎ 建议可以多顶顶！(空) jason770 (235163)于2003/08/22(16:32:01)..

• 不好意思，你给的网站我还没有好好学习呢(空) 飞行棋 (235157)于2003/08/22(16:28:21)..

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