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基于CCD成像技术的绿激光反狙击系统

2012/8/19 15:33:46  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  摘要:为解决反狙击中主动探测、准确干扰等问题,根据“猫眼效应”和新的干扰机理设计了基于CCD成像技术的绿激光反狙击系统.该系统由红外LED探测光源、CCD接收端、监控系统及绿激光器4部分组成.系统用红外LED光源代替红外激光光源模拟远距离试验效果,利用平凸透镜对红外光成像进行矫正;使用了滤光片和监控软件降低外界环境光线的影响,提高了信噪比,实现实时显示;运用绿激光致盲效应,实现了快速、准确、高效干扰;利用软件在实时显示屏上标出10, 20和29 m距离时干扰区域,转台带动组合的CCD和绿激光器至干扰区域实现干扰.最后通过实验验证该系统的可行性,并从理论上得出致盲激光脉冲能量与干扰距离的对应关系.

  狙击手一直是战争中令敌人闻风丧胆的王牌力量.在反恐和维和等行动中,狙击手成为了最主要的威胁之一.目前国外反狙击应用得较广泛的声探测系统和红外探测系统往往采用后发制人的方式,必须在狙击手实施攻击后才能够探测出来,使守方陷于被动.传统的攻击手段以狙击手防范狙击手,由于风速、重力、空气湿度等因素干扰会使子弹轨道出现偏差,加上狙击手隐蔽得很好,导致探测效果的不理想.激光反狙击系统则很好地解决了这个问题,能够主动地探测和干扰狙击手.国外装备的激光反狙击系统主要有美军的stingray“鱿鱼”激光武器系统[1]和俄罗斯研制的“便携式自动反狙击手系统”[2],而国内在这方面的研究还比较少.本文中以激光反狙击技术在反狙击系统中的应用为目的,对该系统的组成及应用进行研究.

  1 系统设计

  系统用红外LED光源代替红外激光光源模拟远距离试验效果.转台带动系统转动. LED灯发射出850 nm的红外光实施探测.当红外光照射到狙击镜时,根据“猫眼效应”原理,将回射比普通漫反射强很多倍的光.红外光进入改装的CCD成像仪(在其前面加装850 nm窄带滤光片和平凸透镜),并由监控软件处理后在监控系统上就可以清楚看到瞄准具的位置有一明显亮斑,调整至有效攻击区域,发出指令, 532 nm的绿激光即可通过汇聚透镜进行干扰.系统流程见图1,实物见图2.

  2 基本原理

  2. 1 探测原理

  该系统探测部分是基于“猫眼效应”.狙击镜的结构可近似等效为一个理想成像透镜和一个放置在焦平面处(或附近)的反射元件.平行光入射时会汇聚到光焦面上,由于光路可逆,经光焦面散射的光将会沿原路返回,从而产生方向性好、能量集中的反射光.猫眼目标的返回率为[3]

  猫眼目标的返回率远大于漫反射目标的返回率,因此可以将返回率低的漫反射光滤去而凸显猫眼目标,从而发现狙击手的位置.利用850 nm的红外光探测可避免被狙击手肉眼察觉,使守方人员的反狙击具有突然性,提高效率.

  2. 2 干扰原理

  该系统干扰部分是基于绿激光致盲效应.根据参考文献[4],人眼可以看成是由角膜等介质组成的透镜组,对可见光波长强烈的聚焦作用使得到达视网膜的激光能量密度比角膜处高出10万倍,因此视网膜是最容易受激光损伤的地方.对波长为532 nm的倍频Nd:YAG激光,视网膜的有效吸收率是65. 1%,并且532 nm的波长十分接近血红蛋白吸收峰值,对视网膜的致伤作用最强,最容易造成视网膜出血.对波长为532 nm、脉宽为20 ns的倍频Nd:YAG激光,致盲阈值为0. 04~0. 1 mJ.眼睛受到激光辐射即使低于损伤阈值,可产生不足造成永久性损伤但能留下阻塞正常视觉达2~3 min的闪光盲效应[5].利用对人眼损害最大的绿激光对狙击手实施致盲干扰,可使其短时间内失去作战能力,给己方人员创造出反应时间,以对狙击手采取有效措施.

  3 实验

  3. 1 实验装置改进

  CCD感光光谱不但包括可见光区域,还延长到红外区域.外界环境中存在着各种频率的光,虽然“猫眼”回射光比漫反射光强很多,但由于光的发散及大气损耗等因素,回射光很弱而且淹没在背景噪声之中,所以要采取相应措施使噪声变小,提高信噪比.为了解决这一问题,在CCD前加装850 nm的滤光片.该滤光片直径25. 4 mm,通光口径大于21 mm.入射角为0°时,滤光片[6]透过率如图3所示.

  850 nm的滤光片半高宽20 nm,峰值的透过率大于85%,除中心波长两侧各1/2带宽范围波段外,截止范围为400~1000 nm内光波的透过率为0. 001,可有效地将杂光滤去.

  由于普通CCD最初是设定在可见光范围内的焦平面上的,这就导致入射的850 nm红外光线会成像在CCD平面后方,造成CCD显示画面模糊不清,为此使用了合适的平凸透镜对入射光进行矫正,从而使入射红外光正好清晰成像在CCD平面上.

  3. 2 试验条件及结果

  3. 2. 1 探测试验.在实验室光线条件充足的条件下, LED灯组功率为2. 8W,实验人员站在20 m外,手拿狙击枪,设定监控软件的亮度、对比度、灰度值,实行优化修改.图4和图5为在相同的亮度和灰度值时,设定对比度分别为60%和85%时的显示画面.

  对比图4和5可以看出,增加对比度后,目标狙击镜(图中亮点)更加突出,有效提高了信噪比.

  3. 2. 2 干扰试验.实验中,将LED灯与绿激光器平行固定在一起(如图2实物图所示).LED灯与绿激光器一同随转台转动.当距离较远时,由于激光的传播过程中的发散作用,可将绿激光器和LED灯看做同一处发射.实验室内,500 mW绿激光器发射的激光λ为532 nm,激光束发散角Ω小于2 mrad,激光器发射口径D为6 mm.测得绿激光光斑直径10 m处为24 mm, 20 m处为54 mm, 29 m处为90mm.分别在10, 20, 29 m处置一大面积透镜,用850 nm红外激器取代绿激光器,光线通过一可调透镜组,做出等直径的光斑.在亮斑位于显示屏中心时,利用软件在显示屏上标出干扰区域(如图4中黑圈所示,由里到外依次为10, 20, 29 m的干扰区域).控制转台,使目标(图中亮点)进入干扰区域,即可发出干扰指令实施致盲干扰.

  3. 3 实验结果分析

  系统用红外LED光源代替红外激光光源模拟远距离试验效果.实验中,其他镜片或较光滑的物体的猫眼效应较明显(图中亮斑),但根据图形形状(小亮点)仍然可以分辨目标.操作人员利用监控软件可灵活处理现场情况,探测时设定较高对比度,发现可疑亮点,调低对比度进行分析判断,再作进一步处理.

  要实现远距离绿激光干扰,将连续绿激光器改为波长为532 nm、脉宽为20 ns的倍频Nd:YAG脉冲绿激光器.激光脉冲能量[7]

  取Eo为视网膜绿激光致盲能量0. 1 mJ,激光发射系统的光束发射角的压缩比β为2°,大气传输系数τf为0. 8,光学传输系数τo为0. 9,激光束的发散角Ω为2 mrad,绿激光波长λ为532 nm,人眼瞳孔直径D为6 mm.从式3可以计算出激光脉冲能量E与干扰距离R的关系,如图6所示.

  由图6可知,在1. 5 km内对狙击手实现致盲攻击,激光脉冲能量应为0. 35 J.

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