光电传感器技术解析

坦克装甲车辆上的光电传感器是指对敌方光电设备发出的各种光电辐射进行有效探测和截获的设备，根据工作波段属性的不同分为激光告警、雷达告警（毫米波告警）、红外告警、紫外告警、可见光和红外图像传感器等。

激光告警是针对具有激光特征的光信号，对大气中的激光辐射和散射进行探测接收，确定激光光源特性（激光波长、脉冲重频、编码、脉宽、峰值功率等）。它主要针对敌方激光目标指示器、激光驾束制导导弹、激光测距、激光雷达、激光引信等设备和武器发射的激光信号进行探测告警。

激光束是一种高亮度、高相干性和高方向性的特殊辐射。激光在传输过程中，包含主光束、出口散射和气溶胶散射等激光能量，主光束辐射的激光能量呈高斯分布，出口散射是由于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而带来的散射能量，气溶胶散射是激光通道上的分子和大气微粒将部分激光能量通过局部散射造成的。对激光的接收一般有4种截获途径：主光束直接截获、散射截获、漫反射截获及复合截获。根据激光辐射的特性，激光告警设备应具有精度高、准确性好、抗干扰能力强等特点，在保证有相当宽的动态范围前提下，具有高的截获率和低的虚警率，而且还要获得足够多的侦察信息，以便识别和启动有效的干扰措施。因此，在告警设备的设计中采用了多种技术和方案，其工作原理也截然不同。激光告警按其接收探测原理可分为光谱探测、成像探测、相干探测和全息探测等几种不同的技术体制；按所用探测器类型可分为单元、列阵和面阵3种，以光纤作为探头的光纤激光告警器也属于光谱探测型。

光谱探测型激光告警主要通过直接探测主光束、散射光，甚至漫发射光的激光能量实现相应光谱波段的告警。其探测装置采用与被接收激光波长匹配的光电探测器，如光电二极管或碲锌镉等，配以滤光片构成接收组件，当敌激光进入接收组件时，经滤光片，将非探测波段的光信号滤掉，留下有用的激光信号，经光电探测器（一般为PIN光电二极管）进行光/电转换，放大后输出电脉冲信号，经过预处理和信号处理，从包含各种虚假信息的信号中实时鉴别出有用信号，即可确定激光源参数，从而实现激光告警，如图5-2所示。

图5-2　光谱探测型激光告警原理

成像型激光告警利用与被接收激光波长匹配的多元面阵光电探测器，如可见光CCD或中长波红外探测器，配以窄带滤光片构成接收单元；以凝视型广角透镜或“鱼眼”光学成像接收系统覆盖告警视场；可接收来自任何方向的激光辐射，激光辐射通过光学系统成像在CCD面阵上，光学系统设计如图5-3所示。面阵产生的整帧视频信号通过模/数转换存储下来，当包含背景信号和激光信号的一帧记录下来时与仅包含背景信号的前一帧数据相减，相减后可得出一个激光信号位置。

相干识别型激光告警原理：激光辐射有高度的时间相干性，相干长度一般在零点几毫米到几十厘米之间，而非激光辐射的相干长度只有几微米，因此用干涉仪做传感器就可识别激光。激光入射其上便受到调制而产生相长干涉和相消干涉，非激光入射其上则不产生干涉造成的强度调制而表现为直流背景，即可区分出激光和非相干光，同时利用干涉元件调制入射激光可确定其波长、方向等参数。

全息探测激光告警采用全息象限透镜代替相干探测中所用的干涉仪，干涉仪利用的是光的衍射原理。全息象限透镜是一种分成n个象限的全息光学器件。全息透镜将不同激光波长的焦点沿光轴分布，焦点的位置成为激光波长的函数，它可以把入射到不同象限上的激光辐射分别成像在特定位置上，成像的位置仅由被照明的象限所决定。利用全息象限透镜确定入射激光的波长和入射方向，物镜将入射的激光会聚到位于其后焦平面处的全息象限透镜的某个象限上，全息象限透镜将激光辐射会聚到与这个象限相应的点探测器上，从而确定激光源所在的象限。(www.xing528.com)

雷达接收告警采用电子侦察手段，接收空间存在的各种雷达信号（微波信号），通过告警设备内部的信息处理机，识别是否存在与威胁相关联的雷达信号，并对其进行跟踪和定位。该设备可告警主动、半主动雷达制导导弹及主动雷达探测。雷达告警对辐射源定向的基本原理是利用告警测向天线系统的方向性，利用测向天线对不同方向到达电磁波所具有的振幅、相位或时间响应进行比较，从而确定信号方位。测向最常见的有两种体制：比幅测向和比相测向。比幅测向用多个独立天线产生多个独立的毗邻波束，通过相邻波束接收同一个辐射信号的相对幅度大小来确定辐射源所在方向，也称为全向单脉冲测向技术。它属于瞬时测向技术。天线数目越多，测角能力和分辨力也相应越高。比相测向是根据测向天线对不同到达方向电磁波的相位响应来测量角度的，利用的是一维基线相位干涉仪测向的原理，所以干涉仪测向（相位单脉冲）在原理上与传统比相式雷达其实并无二致。

图5-3　成像型激光告警光学系统

1—广角物镜；2—阻挡滤光片；3—场镜；4，13—分束镜；5，7—折叠镜；6—电介质膜分束器组件；8，15—滤光片（激光）；9—自动电平控制滤光片；10—CCD；11—成像透镜；12，14，21—准直透镜；16，19—二极管中继透镜；17—PIN二极管（激光）；18—二极管（背景）；20—滤光片（背景）

紫外导弹逼近告警是近年来发展较为迅速的一种导弹逼近告警方式，主要用于探测来袭导弹羽烟的紫外辐射，以判断威胁方向及程度，并实时发出报警信息，提示操作手或驾驶员选择合适时机，实施有效干扰、采取规避等措施来对抗敌方导弹的攻击。紫外导弹逼近告警通常探测的是有动力目标，即主要接收导弹等飞行器在飞行过程中，发动机尾焰中的紫外辐射信号。当今导弹的推进剂绝大部分为固体推进剂。当固体燃料燃烧时，随着火焰温度升高，产生的紫外光谱辐射能量增加，峰值波长向短波方向移动，图5-4所示是美国AFGL实验室测得的导弹羽烟紫外光谱。除导弹尾焰产生的紫外辐射外，高速飞行的导弹头部的冲击波也产生一定的紫外辐射。这些威胁目标的紫外辐射虽然本身的辐射强度并不高，但在“日盲区”，还是大大强于太阳光的紫外辐射，使得目标与背景之间的反差并不小。因此在探测接收端，近地面的导弹在均匀的紫外光背景上形成一个亮点，告警系统就可以采用光子检测方法，对微弱的导弹逼近告警信号进行告警。

图5-4　导弹羽烟紫外光谱

红外导弹逼近告警是通过探测威胁目标连续运动的红外辐射信号，探测并识别出威胁目标，确定威胁目标的详细特征，并向所保护的平台发出警报。利用红外传感器探测目标本身的红外辐射，进行分析处理，依据辐射特征和预设数据库判别目标类型，确定其方位（甚至计算到达时间）并报警（甚至自主启动对抗设施），这就是红外导弹逼近告警的基本原理。其主要工作对象是敌来袭导弹、火箭弹、武装直升机或其他重要威胁源。

红外与可见光图像一般通过红外传感器和可见光传感器获得。红外传感器与可见光的成像机理差别较大，它是根据红外目标散发或反射的热辐射信息成像，即将红外探测器接收到的红外辐射目标映射成灰度值，进而转化为红外图像。图像中某一部分的灰度值越高或者说图像越亮，就表示场景中这一部分的辐射强度越大。由于红外图像描述的是目标的热辐射分布，而物体的温度一般决定热辐射的程度，温度越高，热辐射信息越多，能量就越强，即所生成的红外图像的灰度值也就越高，因而它反映的是场景的目标特征。由此可见，红外成像仪的优点是基本不受照明条件的影响，缺点是所成图像的细节背景信息不够丰富。而可见光成像传感器则是根据目标场景光谱反射特性成像，因为它有较高的时空分辨率，因此它的优点是所成图像包含了场景的边缘、纹理等丰富的细节信息，有利于增强观察者对场景的整体认知，同时可见光图像也是人们日常生活中接触最多、最熟悉、最易于解释的一类图像，其缺点是受场景照明的影响较大。