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激光雷达用于制导

2008-04-18来源: 飞达光学网关键字:激光雷达  寻的器  子弹药  制导  自动目标识别  多管火箭炮  反器材  侵彻  最佳瞄准

  以非制冷二极管泵浦固体激光器为基础的工作波长1(m左右的激光雷达系统,可以提供以距离和强度为基础的高分辨率影像。激光雷达得到的影像不同于红外影像,允许使用比处理红外场景简单的算法实现自主目标捕获。因此,激光雷达寻的器可以为空-地武器提供自主精确制导手段。随着成本的降低,激光雷达寻的器还将用于短程消耗性弹药。

  美国陆军和空军开展了多项激光雷达制导技术的研究工作。按照国防部的“武器自动目标识别”科技目标,美国陆军正在试验将成像红外传感器自动目标识别用的图形识别算法用于激光雷达。目标是演示将快速响应和低虚警相结合的自动目标识别技术。该技术将允许发展以有限搜索、发射前锁定和发射后锁定模式工作的武器。有效的自动目标识别能力可以给士兵提供直接攻击、发射后不管的武器。这种武器能在发射后捕获目标,锁定丢失后能自动再捕获目标,识别友军,并为弹头选择最佳瞄准点。

  按照低成本自主攻击系统计划,美国空军赖特实验室研制了激光雷达寻的器。该寻的器能以100Hz的速率精确、自主地扫描,扫描宽度750m。一旦捕获到目标,扫描宽度就减小到100m,并开始攻击。该激光雷达寻的器的目标识别算法具有先进的特征提取功能,可以区分炮管、雷达盘型天线、战区弹道导弹等,在1997年的系留飞行试验中成功地识别出“飞毛腿”导弹型的目标。按照计划,改进的能力更强的激光雷达寻的器,将于1998年在有诱饵和遮蔽的条件下识别目标。为了解决激光雷达寻的器作用距离有限和缺少全天候能力的问题,赖特实验室又按照二极管激光器和探测器阵列发展计划,研制采用高功率二极管泵浦固体激光器和末脉冲探测技术的成像激光雷达。该激光雷达在静止试验中作用距离为10km,在系留飞行试验中作用距离为5km。

  美国空军研究实验室弹药处参与了适用于空-空和空-面弹药的激光雷达寻的器技术的研究和发展工作。目前正研究能得到距离和强度影像的高速二维探测器阵列。要求这些阵列的帧速大于30Hz,增益调制速率在兆赫量级。研究工作集中在电子轰击CCD(EBCCD)技术上。目标是制造以EBCCD为基础的像素数至少为256(256的阵列,以及获得使EBCCD能工作在1.0~2.5(m近红外波段的光电阴极材料。

  三维成像激光雷达最初采用光栅扫描和扫帚式扫描接收机,需要多个激光脉冲,才能组合成一帧完整的三维影像。平台/目标的运动和大气效应会引起三维影像抖动和撕裂,使影像处理复杂化。为此空军赖特实验室按照 *** IR计划开发无扫描器激光雷达接收机技术,研制了625通道组件式并行接收机。该接收机能以1kHz的帧速产生高分辨率三维距离影像,有可能作为高性能低成本激光雷达寻的器的通用组件。桑迪亚国家实验室以主动泛光场照明器和像增强CCD摄像机为基础的无扫描器距离成像器,可用于先进常规弹药制导。

  使用激光雷达制导的唯一在役导弹,是通用动力公司的AGM-129A先进巡航导弹。这种隐形巡航导弹在大部分飞行期间依靠惯性中段制导,但末段使用激光雷达。

  子弹药制导用的低成本小型激光雷达寻的器,一直受到美国军方的关注。美国陆军和空军通过高质量反器材子弹药技术演示计划、子弹药制导计划、低成本反装甲子弹药计划等一系列计划,发展子弹药制导用激光雷达。

  美国陆军的高质量反器材子弹药技术演示计划,正研制对轻型装甲进行经济有效的攻击所需的制导系统。主要目标是,演示能用于子弹药的小型激光雷达寻的器技术。为了有效地对付轻型装甲目标,要求多管火箭炮系统和陆军战术导弹系统这样的武器每发弹能击毁的目标比现有型号多5~10倍,因此需要携带更多的子弹药。为此,要求新型子弹药比目前的小,而且能准确地识别目标和杂乱回波。目前的激光雷达寻的器已经有了所需的基础自动目标识别技术,但直径约为200mm,而新型子弹药的直径将约为75mm。为了减小激光雷达寻的器的尺寸,将需要使用低成本无常平架扫描器的设计(如声光扫描器、相控阵扫描器或转楔扫描器)、在适当的地方使用衍射和全息光学系统、发展新的将探测器与脉冲捕获电子系统集成的方法。

  美国陆军研究实验室集中于低空、近距离应用的低成本、高距离分辨率激光雷达。最初,军用激光雷达的研究曾集中于CO2激光器。CO2激光雷达虽能探测远距离目标,但对陆军应用来说,太大、太贵、太不可靠。因而目前的研究工作大多集中于采用二极管泵浦激光器的激光雷达。这种激光雷达作用距离可在1km以上,但成本高,也不能满足要求。陆军子弹药目标捕获、引信、遥控传感器等,需要用低成本、高距离分辨率激光雷达获得理想的三维影像。为此,陆军研究实验室将低成本连续波半导体激光器与现代调频雷达信号处理技术相结合,来获得便宜、结实、可靠的激光雷达系统。这种激光雷达用射频子载波调制发射的激光。目标反射光被光电二极管非相干探测,转变成电压波形。然后,这个波形与原调制波形无延迟采样混合。再对混频器的输出进行处理,去除自杂波。最后,利用离散傅立叶变换将无杂波波形进行相干处理,获得目标的振幅和距离。研制的实验室型激光雷达,采用工作波长830nm的30W GaAlAs 半导体激光器,获得的影像和距离响应表明,理论距离分辨率为0.25m。

  根据子弹药制导计划,美国空军赖特实验室研制了两类可供子弹药使用的激光雷达寻的器,即采用24元GaAs半导体激光器阵列的、有效作用距离200m激光雷达,和采用二极管泵浦Nd(YLF激光器的、有效作用距离2km的激光雷达。根据空军-陆军联合的低成本反装甲子弹药计划,赖特实验室还研制了采用二极管泵浦Nd(YVO4激光器的激光雷达寻的器,并实验证明了激光雷达的自主制导能力。据称,这种寻的器是经济可承受的,预计产量为1万个时生产成本为12000美元。

  空军提出的“灵巧小炸弹”将采用激光雷达制导。灵巧小炸弹是一种以外科手术式精度投放22.7kg(50磅)高爆炸药的113.4kg(250磅)炸弹,其毁伤效能类似于现有的精度较低的900kg(2000磅)侵彻武器,而且附带破坏的危险较小。按照空军-海军的联合DASSL计划,赖特实验室已经根据灵巧小炸弹的任务要求导出对激光雷达的要求和激光雷达寻的器的基本设计参数。

  洛克希德.马丁.沃尔特公司的低成本自主攻击系统,是攻击地面目标的小型有翼制导子导弹。这种陆军-空军联合发展的子导弹,采用以惯性/GPS装置和激光雷达寻的器为基础的制导系统,可以由AGM-130导弹、AGM-154导弹、多管火箭炮系统火箭弹、陆军战术导弹系统和SUU-64战术弹药撒布器投放。激光雷达寻的器能搜索370×900m的范围,形成目标的三维影像,分辨率为15cm,确保准确地识别目标。可能的目标包括坦克和其他装甲车辆、面-空导弹阵地和弹道导弹运输车/竖立/发射架。

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