1、光电系统与光电对抗,北京理工大学 光电工程系,军用光电系统简介,第一篇,光电技术成为现代军事完成侦察和打击的重要技术基础，使相关武器技术产生了质的飞跃。二次世界大战及其后的一段时间内，武器曾以增大火炮口径，加大弹丸质量，加厚装甲等方向发展。近二十年来人们把发展方向转为利用高技术改造武器，使其性能有了质的提高,并使战场成为无前方与后方之分的立体战争，光电技术就是这些高技术中最为重要的部分。而激光技术的发展和应用，使军用光电系统得到进一步的补充和完善。从而成为精确打击的必要手段。,概述一：光电系统的发展,概述二：光电对抗的主要任务,光电系统的广泛应用， 例如电视末制导寻的可以在几百公里之外命中飞机
2、的跑道或仓库。如此“外科手术”式的精度，不能不对其实施对抗。归纳起来光电对抗的主要任务是：抑制光电系统及相应武器系统功能的发挥；利用现代光电系统有效的发现对方武器平台如飞机、导弹、战车、舰船等；反对抗技术的研究与实施，随着对抗技术的发展，为确保武器系统性能的发挥，必须发展反对抗技术。,概述三：武器与侦瞄系统的发展,武器 侦察、瞄准手段 大刀、长矛 人眼 枪、炮 以望远系统为基础的各种观瞄仪器如瞄准 、测距和通讯的系统 飞机、坦克、战舰 用于侦察、搜索、跟踪，其中最重要的是利用无线电和光电技术构成的系统。 火箭、导弹 跟踪、寻的系统,概述四：主要的军用光电系统,组成军用光电系统的基本技术是光电成
3、像、光电探测和光电定位技术，利用它们与武器装备有机结合就可形成各种类型的军用光电系统。 光电成像系统 光电跟踪系统 光电搜索系统 光电制导系统 光电火控系统 光电测距系统 光电通讯与探潜等系统,（一）光电成像系统,人眼是一个极其精良的光学系统，为自身采集80的信息。人眼的限制：分辨力低、灵敏度低、光谱范围窄、反应时间慢等。光电成像系统的主要作用：提高了灵敏度、分辨力、扩大了光谱范围、加快或延长了反应的时间等。,1、主动红外夜视系统,利用红外探照灯和红外变像管构成的直视望远镜，工作波段为0.761.2m；视距与红外探照灯的功率和光学系统F数有关，可达1km左右；其优点是对比度好、能识别伪装，但因
4、红外暴露而隐蔽性差，雾天不能使用。,红外夜视仪简图,利用像增强器构成直视望远镜，依靠夜天光进行工作，夜天光的光谱主要是在可见光和近红外区域中；在星光下视距可达0.71km；由于是被动工作，隐蔽性好；但其对比度较差、受时空影响大、雾天不能工作。,2、直视微光,级联像增强器,像增强器,3、微光电视系统,利用像增强器和电视摄像器（如CCD摄像器和真空摄像器等)组成，在夜天光下摄像，并输出全电视信号，便于多处显示和长距离传输，且能进行必要的图像处理。通常黑白CCD摄像器可在10.1Lx景物照度下工作，彩色CCD可在10Lx条件下工作，而微光电视可在10-3Lx条件下工作；其视距与物镜性能有关，约为12
5、km。,4.红外热成像系统,原理： 利用目标与背景自身温度和比辐射率不同产生的辐射差异进行工作。典型的代光机扫描热像仪工作原理如下图所示。大气窗口：所有的光电系统都是利用电磁波中的光辐射来传递信息的，这种传递必须穿过大气，而由于大气吸收的存在只留下了三个可共光辐射传播的大气窗口，它们是0.32m的可见光和多个近红外的波段；35m的中红外波段；以及812m的远红外波段。特点：全被动的热成像系统反映的是景物辐射特性，由于使用的波长较长所以有一定穿透烟雾的能力。,热成像系统的工作原理,大气窗口,热成像系统的发展,为提高红外辐射的利用率，发展了各种多元探测器，如并扫、串扫、串并扫以及sprite探测器
6、系统等。 随着微电子集成能力的提高，将处理电路的功能移植到探测器上，构成代焦平面阵列探测器，使之只需一维光机扫描，或构成无需光机扫描的凝视系统,热像仪的性能举例及应用,美国代通用组件热像仪的观察性能为：在夜间海洋中发现蛙人的距离约1km；白天观察舰船甲板上的人的距离约5.6km；在雾夜观察地面行人约34km；在夜间观察坦克约3.55.5km；白天观察飞机（尾追）约27km。 应用： 光电成像系统除用于直接观察外，电视系统和热成像系统已成为各类军用光电系统和光电对抗系统的重要部件。,国产热像仪,热像图,（二）光电跟踪系统,系统的主要作用是对运动目标进行有效的跟踪。其方法是不断探测出运动目标相对系
7、统测量基准的偏移量，并将由此形成的误差信号输入跟踪机构，从而驱动系统向减小偏移量的方向运动，以实现对目标的跟踪。,1、调制盘的点目标方位探测系统,偏移量的表示方法：在光学物镜形成的物像关系中，远距离的目标成像在物镜的焦平面上，用极坐标表示物像共轭点M和M分别为M（，）和M（，），其中ftanq；，式中f为物镜的焦距；q为失调角；为方位角。可用和或用q和来表示目标偏移光轴量的大小和方位。,调制盘的工作原理,可以通过多种调制技术来获得上述偏移量，图中是最简单的所谓“初升太阳式”的调制盘，它是由相同间隔的透与不透光辐射的扇形条构成上半园的调制区和由半透明的下半园区构成。工作时调制盘置于物镜焦平面上，
8、且其中心与光轴重合，调制盘后常用光锥等器件将目标辐射收集到光电探测器上。,当有一定大小的目标像点落在调制盘上不同的径向位置上时，它们透过旋转调制盘的辐射信号随其离开光轴的距离增加而增大，即 f（）g（q）可见调制信号的幅度反应了失调角的大小；,方位角的获得,调制盘的另一个重要特点是图案有明显的分界线ox，它是产生方位角的关键。图中所示为像点在A、B两不同位置时产生的调制信号，如果系统能提供ox轴水平位置的基准信号，那么它与调制波包络初相位间的相位差角就是方位角。于是用和这两个参量就可以确定目标偏离光轴量的大小和方向。,实际使用的调制盘,2、光电跟踪系统的组成,下图所示为其原理框图，系统是由方位
9、探测器(位标器)与跟踪机构组成。当有目标偏离光轴时，位标器产生误差信号，经处理后形成控制信号驱动执行机构，将使位标器向减小偏差量的方向运动，直到无误差信号时为止，反复上述过程始终使目标调整在光轴上。,3、成像跟踪系统,利用成像跟踪摄像头摄取的目标视频信号经过图像信号处理器，取得目标偏离光轴的误差信号，再经侍服机构驱动并使摄像头光轴指向目标。,在图中显示器所示视场中，通过测量目标的位置实现跟踪的方法通常有：测定目标边缘的边缘跟踪法；测定目标距心的距心跟踪法；以及测定目标相关度的相关跟踪法等。,（三）光电制导系统,概述1:光电制导系统是将上述跟踪系统的“寻的“功能应用到箭弹武器中，使其在攻击目标时
10、不断修正自己的方向，并准确击中目标。主要的制导箭弹武器有：导弹、炮弹和炸弹等。,光电制导的最大优点是精度高，由于光波比雷达波的波长要短得多，在相同的接收口径下其衍射极限造成的艾利斑要小得多，因此系统的分辨力也要高得多。通常光电制导的炸弹误差约为13m、炮弹约1m左右；另一个优点是利用红外波段的所谓热制导不仅对热目标也能对冷目标进行准确的攻击；此外该系统也极有利于与计算机结合，从而顺利地向自动化、智能化方向发展。光电制导系统按波段可分为可见光波段和红外波段；按工作方式可分为主动式和被动式；按信息形成可分为成像式和非成像式；按使用方法可分为发射前锁定和发射后指令锁定相关锁定等。,概述2,1、光电制
11、导的主要类型,A 直接寻的：在导弹中装有光电跟踪器（导引头），当瞄准目标进入导引头的视场时就可发射导弹，发射后导弹能主动寻的。常用于空空弹、地空弹等。B 用测角仪控制导弹寻的：在瞄准目标后，就可发射导弹，导弹飞行中射手采用测角仪测定目标与导弹间的偏离角，通过导弹飞行过程中不断释放的导线控制导弹飞行的方向，使其击中目标。,C 控制成像制导：将成像装置置于导弹头部，导弹发射后随时将摄取的图像发回，经过处理、判断后由操作者选定并锁定目标，使导弹飞向目标。图像传输要求很宽的频带，常采用光纤充当即是所谓光纤制导。优点是信息容量大、抗电磁干扰、重量轻且造价低。图像制导的精度高、画面直观，便于人工参与或实现
12、指令制导。D 相关成像制导：将电视和红外热成像系统，以及微机处理系统同时置于导弹中。发出后的导弹自行进行形心跟踪或自相关跟踪等处理，与预先摄取的图像相匹配，找到规定的目标进行攻击。常用于远距离导弹系统中的末制导中。,光电制导的主要方式,2、激光制导,它可用于制导导弹、炮弹和炸弹等。主要方式有：A 半自动寻的制导：用激光照射器照射目标，在目标上产生指示攻击点的激光光斑，弹中位标器跟踪光斑使弹飞向目标。B 波束制导：由制导站经过调制编码的激光束，使光束中心瞄准目标，导弹在有空间位置编码的激光束中飞行，光电探测器置于弹尾处以接收编码信号，调整弹体在波束中的位置并准确的飞向目标。其优点是抗干扰能力强
13、。,（四）光电火控系统,常用于陆基、车载、机载、和舰载等装备中，用于控制射击武器的射击和射击效果评估等多种功能。光电火控系统是火力控制的重要分支，它是由光电装备和火控计算机等联合组成。完善的火控系统应该能完成如下任务：A 完成被动高分辨力的对目标探测、识别、跟踪、瞄准（由电视和热成像系统完成）和精密测距（由激光完成）；B 具有目标外形、姿态的直接观察和显示功能；C 具有弹体轨迹和弹体脱靶量测量及修正功能（B、C由火控计算机完成）；D 具有高的抗电磁干扰的能力，准全天候工作，以及光电对抗和反对抗的能力。,（五）激光测距、通讯与探潜,1、激光测距：采用较多的固体激光测距机的材料为Nd：YAG，其波
14、长为1.06m；另外波长为1.54m的激光测距机，由于对人眼安全和对烟雾有一定穿透能力而广为使用；波长为10.6m的二氧化碳激光测距机由于其穿透烟雾的能力更强，且能与热成像波段兼容而倍受注意。军用激光测距的距离可由几十米到几十（如40）公里。按照测距原理不同精度也相差很远，采用脉冲激光测距的误差约为1m；而用激光相位多尺测距误差约只有1cm左右。,2、激光通讯：由于激光束的平行性好，如发散角在mrad数量级时，光束传播50km对应的发散光斑约为50m左右，可见其隐蔽性好。由于光通讯中发射与接收之间的对准问题不容易解决，因此在地面通讯中应用不多。目前研究和应用最多的是兰绿激光的对海下潜艇的通讯。
15、海水窗口在远洋处为0.47m左右，而在近海大陆架处为0.54m左右。海水的衰减约为1.0dBm。希望激光通讯在海面形成的光斑尽可能大（如几公里到上百公里）；潜艇的接收角度大于30；通讯深度300m左右。有待解决的主要问题有：双向通讯、小型大功率的激光器、高灵敏度探测器和防阳光干扰等问题。,3、机载激光探潜：采用激光探潜是较为可行的方法，利用两束激光来探测潜艇的位置和水下深度，一束准直兰绿激光探测潜艇的深度、另一束红外激光测定飞机距海面的高度，如图所示。激光探潜的优点是：搜索快、搜索区域大、探潜定位精度高。九十年代探潜深度可达400m左右。,激光探潜原理,海湾战争中的三个可怕的事实： 91/01
16、/17多国部队发射100多枚BGM-109A巡航 导弹，几乎全部命中伊军、政指挥中心，几乎使其全部瘫痪。 美F-117隐形轰炸机40分钟内投下大量激光制导炸弹，摧毁伊首都95的军事目标，以致出现炸弹恰好投进防空指挥部通风口的神话。 美采用电视制导的SLAM导弹，炸毁了伊隐藏在几米深地下的机库，使得伊飞机不得不飞往他国。,海湾战争中的三个可怕的事实：,军用光电系统的应用效果,军用光电系统的应用效果在海湾战争中得到了充分的体现，伊拉克加固的飞机库共被炸毁594座，其中由激光制导炸毁的375座；激光制导炸弹轰炸54座桥梁，炸毁40座，其余破坏；以摧毁飞机隐蔽部为例，越南战争用300枚炸弹完成的任务，用F117A投1枚激光制导炸弹就可完成。M1坦克的光电火控系统使射击间隔由20s降到几秒，对1500m的活动目标在行进中的命中率达65。,总结,综上所述光电对抗所针对的光电系统：非成像红外探测系统、电视系统、热成像系统和激光系统。针对的武器主要是：制导武器、飞机和战车等攻击性武器。所使用的光波段是：可见和近红外波段、35m和814m波段。,
