机载蓝绿激光水下目标探测技术的现状及前景

机载蓝绿激光水下目标

探测技术的现状及前景

杨华勇,梁永辉

(国防科技大学理学院光电工程系,湖南　长沙,410073)

摘要:海洋中存在一个类似于大气中存在的透光窗口,即海水对波长在0.47～0.58

μm 波段内的蓝绿光比对其他光波段的衰减要小很多,可以用于水下目标的测量和通信。介绍了机载蓝绿激光水下目标探测技术的原理,探讨了蓝绿激光水下探测技术在军事和民用两方面的重要应用,全面描述了目前世界上已经出现的机载蓝绿激光水下目标测量系统的技术指标,并预测其未来的发展趋势。

Abstract :The paper describes the principle of searching underwater objects by airborne blue 2green laser system ,and its applications in military and civil use.It also details the technical s pecifications of the present airborne blue 2green laser systems for searching underwater objects ,and its future developing trend.

1　引言

1963年,Duntley S Q 及G ilbert G D 等人在研究光波在海洋中的传播特性时,发现海水对0147～0.58

μm 波段内的蓝绿光的衰减比对其他光波段的衰减要小很多,证实在海洋中亦存在一

个类似于大气中存在的透光窗口(如图1、2所示)。依据上述物理现象,利用工作在蓝绿光波段的激光器,可研制出基于新的物理机理的水下目标探测、控制、通信等新型装备,为解决长期困扰各国海军对水下目标探测、通信等难题带来了新希望。因此,许多国家非常重视蓝绿激光在海军装备中的应用。美国、前苏联、澳大利亚等国均投入了大量的人力和物力,在蓝绿激光对潜通信、探测/探雷、测深、水下传感装置等方面进行了试验研究与概念样机的研制,并在一些重点应用方向上取得了突破性进展。

图1　无线电波、红外、可见光、紫外和X 射线在海水中的

衰减曲线

机载激光水下目标探测的基本原理与回声探测的原理相似。它基于海水中存在的蓝绿光窗口,利用机载蓝绿激光发射和接收设备,通过从飞机上由激光雷达向下发射高功率、窄脉冲的激光(如图3所示),同时测量水面反射光(红外激光)

与海底反射光的走时差Δt ,并结合蓝绿光的入射

角度θ、海水的折射率n w 等因素进行综合计算,获得被测点的水深值D ,再与定位信号、飞行姿态信息、潮汐数据等融合,确定出特定坐标点的水深,并进行目标识别的一种先进水下探测技术。

D =Δt C 0?cos [arc sin (sin (θ/n w ))]/2n w

Δt =t GREEN -t IR 为绿光及红外光返回飞机的时间差;C 0为光在真空中的速度;n w 为海水绿光折射率;θ为绿光在海面上的入射角

。

图2　

水中光波传输衰减曲线

图3　机载激光水下探测

机载激光水下探测的主要优点:(1)激光探测系统装在飞机上,因而具有很好的战术机动性,可以满足战略防御和现代战争的要求;(2)能够对大面积的海域进行实时探测,每小时可以探测几百平方公里;(3)对军事目标的水下探测定位精度高、准确性好;(4)现行的潜艇水下降噪措施对机载激光探测无效;(5)特别适用于浅海水域及港

口、河道,具有较强的抗干扰性

。

图4　典型激光水下目标探测信号波形

由于具有这些优点,机载蓝绿激光水下目标探测技术可以广泛用于海水水文勘测(包括浅海水深、海底地貌测绘、海水光学参数的遥测等)、水下潜艇探测、水雷探测、鱼群探测、海洋环境污染监测等诸多军事以及民用领域,机载蓝绿激光雷达现已显示出了非常强的探测能力。

2　典型应用

2.1　民用

在水深探测领域,复杂的声波回声测深技术法不仅不能探测凸起于海床上的礁石或岩石,而且测量精度、测量点密度难以达到目前国际水文测绘的精度要求标准。因此,对测量速度更快、精度更高的水文测绘技术的需求,直接推动了激光测深技术的发展。

自从发现海水中存在一个类似于大气的透光窗口以后,人们便开始利用蓝绿光进行测深的探

索。蓝绿激光测深系统不仅用于水深测量,还可以用于海底地貌绘制、水文测量、大陆架探测、内陆河港口探测、水下打捞,也可应用于海洋生物变化、海洋环境监视等。

美国是开展海洋激光水深测量技术研究最早的国家。美国Syracuse 大学于1968年建造了世界上第1个激光海水深度测量系统,首次阐述了

激光水深测量技术的可行性;此后,美国海军研制成功机载脉冲激光测深系统PLADS(Pulsed Light Airborne Depth Sounder)、NASA研制成功机载激光水深测量器ALB(Airborne Laser Bathymeter)和机载水文激光雷达AOL(Airborne Oceangraphic Lidar)。

继美国之后,加拿大、澳大利亚、瑞典等国也先后开展了机载激光水深测量的研究。1984年加拿大推出LARSEN500机载激光测深仪;澳大利亚于1976年建成了WRELADS2I试验系统,随后又推出具有全面的扫描、数据存贮和水平位置定位能力的改进型2WRELADS2II;90年代又推出了实用型机载激光水深测量系统LADS,并且已经服役于澳大利亚皇家海军进行水文测量,1998年又完成了第2代LADS M K2II型样机的改进开发;70年代末,瑞典国防研究院研制成功直升机FLASH系统和相关的水质参数测量仪HOSS, 1980年前后进行了首次激光测深试验;前苏联在1983年也进行了机载自动化测量仪器综合体试验。据当时报道,该仪器能够探测来自海水100m深的激光回波信号。

2.2　军事应用

随着潜艇的航速增加、

“寂静”潜艇的出现、消磁技术及无磁性艇壳材料的采用、各种声对抗武器的装备,潜艇的隐蔽性与机动能力进一步增强。为对付敌方潜艇日益严重的威胁以及解决威胁己方潜艇安全的水雷探测难题,各国海军更加重视研究新的水下目标探测手段,如利用机载蓝绿激光扫描进行水下目标探测。

机载激光探潜探雷是一种非声探测技术。与声纳技术相比,尽管机载激光扫描的探测距离小(目前最大探测深度在70～80m),但其搜索效率和探测点密度远远高于声纳。此外,它还具有很强的机动性、运行成本低和易于操作等许多优点。机载激光探潜探雷是在机载激光海深测量技术的基础上发展起来的。

在机载激光水深测量技术研究的基础上,美国80年代开始研制机载激光探潜探雷系统。1987年,美国国防研究远景规划局将蓝绿激光探潜列为正在进行的几项非声波探潜技术计划之一。美国卡曼公司(Kaman Corporation)、洛拉尔防务系统公司(Loral Defense Systems)、洛克希德公司(Lockheed Sanders)、诺斯罗普公司(Northrop)等几个公司相继开展了机载激光探潜探雷技术的研究。比较有代表性的是卡曼公司于80年代中期研制成功的“魔灯Magic Lantern”机载激光探潜探雷系统。

1991年海湾战争期间,由于伊拉克布放的水雷使美国的一艘巡洋舰和一艘水陆两用舰遭重创,美军决心加强其反水雷力量,将改进的“魔灯ML230”型激光探测系统装在“SH22海妖”直升机上,在海湾执行探雷任务。仅投入4天,就发现了数量相当于其他水声探雷系统前7个月所探到的总数的12%。之后,美国海军将“魔灯”系统作为发展探测水雷设备计划中的首项发展设备。1991年年末,美国海军投资1060万美元研制比ML230更先进的ML290型“魔灯”蓝绿激光系统。与此同时,美国海军陆战队为实现对海滩和两栖登陆区域的雷场警戒,投资1260万美元研制可装在战斗机、直升机以及无人驾驶飞机上的“魔灯”改进型。美国海军目前尚未决定将“魔灯系统”列入其直升机的正式装备,仅想通过招标的方式从卡曼、洛拉尔、洛克希德、诺斯罗普公司选择最佳者。但不管怎样,机载激光探潜探雷系统不久将成为美军反潜扫雷直升机的正式装备。

前苏联也是较早开展蓝绿激光探潜技术研究的国家之一。早在80年代就有报道称前苏联已能从时速为每小时160km的低空飞行的飞机上利用激光扫描技术探测水下目标。1993年美国《世界武器评论》报道:俄罗斯已在图95“熊Ⅳ”型轰炸机的头部安装了“紫石英”机载蓝绿激光潜艇探测系统,以搜索沿海潜艇和水雷。

瑞典的萨伯公司(Saab)和加拿大光学技术公司于80年代后期联合研制了“鹰眼”机载激光探潜系统。它具有探潜和海深测量双重功能,已于1994年交付给瑞典海军,并已在波罗的海进行了实验。

综上所述,美国、前苏联等国已逐渐完成了蓝绿激光探潜/探雷系统的原理研究,并有小批量该类设备形成装备投入部队使用。

3　技术水平

自1968年第1个激光海水测深系统研制成功以来,国外近10个国家先后研制或生产了多种机载激光水深或水下目标探测系统。特别是半导体泵浦大功率、高脉冲重复频率Nd∶YA G激光器技术实用化的进展,机载激光水下目标探测技术研究进入了一个新的高潮,应用范围也进一步扩大。

从对目前已经掌握的文献进行分析看,国外开展机载激光水下探测技术研究的国家主要有美国、加拿大、瑞典、澳大利亚、俄国、法国、荷兰等。就总体而言,、加拿大、瑞典、澳大利亚4个国家开展研究的时间较长,技术水平一直处于领先地位,基本上代表了机载激光水下探测技术的发展水平和发展方向。

国外几种机载激光水下探测系统的技术指标:

(1)俄罗斯“紫石英”系统(1990)

飞机飞行高度:200m;

飞行速度:200节;

横向扫描角度:45°;

激光在海面的搜索宽度:914m;

有效探测深度:30m;

最大探测深度:45m。

(2)瑞典FLASH系统(1980)

Nd∶YA G激光器:1.06μm倍频到0.53μm;

脉冲重复频率:200Hz;

可编程半圆扫描,绿、红外光共线扫描,

正常飞行扫描和悬停扫描;

白天最大探测深度:27m;

晚上最大探测深度:34m。

(3)瑞典“Hawk Eye鹰眼”系统(1994)

飞机飞行高度:300m;

飞行速度:15～60m/s;

Nd∶YA G激光器:1.06μm倍频到0153μm;

激光脉冲重复频率:200Hz;

采样:10bit,1GHz;

扫描速率:0.1～10r/s;

扫描角度:0°～25°;

海面上的搜索宽度:250m;

公海探测深度:35m;

沿海探测深度:20m;

最大探测深度:70m;

测深精度:0.3m。

(4)加拿大LARSEN500水文勘测系统(1984)

椭圆扫描模式、绿光与红外光共线扫描;

水深探测能力:1.5～40m;

测深精度:0.3m;

扫描宽度:268m(飞机高度为500m时)

飞机高度:500m;

飞行速度:70m/s。

(5)澳大利亚水深测量系统LADS(90年代)

Nd∶YA G调Q倍频激光器:1.06～0153μm;

重复频率:168Hz;

脉宽:5ns;

能量:8mJ;

绿光矩形扫描,红外光不扫描;

绿光接收天线:卡塞格林光学系统,孔径

180mm;

通常测深范围:2～50m;

最大测量深度:70m;

扫描宽度:250m(飞机高度为500m时)

测量效率:50km2/h;

采样频率:5500MHz;

GPS水平定位精度:15m;

飞机高度:500m;

飞行速度:70m/s。

(6)澳大利亚LADS Mk II(1998)

改进的二极管泵浦固体激光器;

重复频率:900Hz;

脉宽:5ns;

峰值功率:1MW;

探测密度:5m×5m;

测量效率:65km2/h;

扫描宽度:240m;

探测深度:70m;

探测精度:0.3m;

飞机高度:500m;

飞行速度:90m/s。

(7)美国SHOAL S系统(1987)

最大水深测量范围:50m;

测量精度:0.3m。

(8)美国“魔灯”30激光探雷系统(1988)

工作波长:532nm(绿光);

重复率:≥5.0kHz;

脉宽:<30ns(选通脉宽小于10ns);

脉冲能量:>2mJ;

帧速:>5kHz;

输入数据速率:>80兆像素/s;

数据处理能力:160亿次/s;

体积:0.028～0.056m3;

搜索速率:10～40nmile2/h;

分辨率:0.0076～0.0203m;

工作水深:24.38m;

探测概率:0.9～0.95;

误警:<1次/h;

工作环境:适应海况2～4级。

4　发展趋势

机载激光海洋测深是一种全新的海洋探测技术,具有大面积、高精度、实时性和良好的机动性等优点。它是集光、机、电为一体的系统,涉及大气光学、海洋光学、激光技术、微弱信号检测技术、计算机技术等诸多领域。我国的地理环境正是海岸线长、海域辽阔、大陆架矿藏资源丰富,近海水域和港口附近水域是潜在的争夺战场。机载激光海洋测深技术由于其无可比拟的优越性,在近海水域和港口附近水域的水下探测具有广阔的应用前景。

只有进一步提高激光器的脉冲重复频率、水下目标的定位精度和测深精度、系统在晴朗白天的系统测深能力、水下目标识别能力以及减小系统的体积、重量和功耗,蓝绿激光水下目标测量技术才会真正走向实用化。(参考文献略)(No.3)

用于海陆空目标分析的SATIR多光谱红外系统

CEDIP红外系统公司向法国Cazeaux空军基地提供了一种新型SA TIR多光谱红外分析系统。

SA TIR系统可用于搜集3个主要红外波段(1～2.5μm,3～5μm和8～12μm)的飞机、直升飞机和导弹的红外特征波形。其先进的摄像机设计使操作员能够收集并存储每一个红外波段的实时序列图像以便于后处理。

每部摄像机均配置一个600mm透镜,因此能提供<1°的非常窄的视野。SA TIR系统采用流行的JADE摄像机作为主要传感器,并为之配置了实时图像处理和存储工作台。

CEDIP红外系统公司是一家专门设计并制造红外分析和温度测量的红外系统的公司。(www. https://www.360docs.net/doc/cf8091940.html,)