蘇如意，周遵寧

(1. 中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120；2. 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

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對(duì)激光近炸引信的無(wú)源干擾技術(shù)研究

蘇如意1，周遵寧2

(1. 中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120；2. 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

隨著激光近炸引信技術(shù)的發(fā)展，其在抗外界干擾方面的性能得到了顯著提高。在了解激光近炸引信抗干擾性能的基礎(chǔ)上，研究了對(duì)其進(jìn)行無(wú)源干擾的原理及方式。研究表明：雖然激光近炸引信的抗干擾性能得到了提高，但煙幕、氣溶膠和水幕等對(duì)其干擾依然有效。

激光近炸引信；無(wú)源干擾；煙幕；氣溶膠；水幕

0 引言

激光亮度高、方向性好、單色性好、相干性好，使得應(yīng)用激光作為探測(cè)手段的激光近炸引信在探測(cè)精度、探測(cè)距離、角分辨力、抗干擾能力等許多方面有其特有的優(yōu)點(diǎn)。它的這些特點(diǎn)彌補(bǔ)了無(wú)線電近炸引信和紅外近炸引信的不足。20世紀(jì)90年代以來(lái)，激光近炸引信已被廣泛應(yīng)用，而有效對(duì)抗激光近炸引信的威脅也成為未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的重要課題。

1 激光近炸引信

1.1 工作原理

激光近炸引信是一種主動(dòng)型的引信，它本身發(fā)射激光。激光束通常以重復(fù)脈沖形式發(fā)送，光束到達(dá)目標(biāo)后發(fā)生反射，有一部分反射激光被引信接收系統(tǒng)接收變成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理，使引信在距目標(biāo)一定距離上引爆戰(zhàn)斗部[1]。

由激光近炸引信的原理可以看出，其主要任務(wù)是測(cè)出光束從發(fā)射瞬間到遇目標(biāo)后反射回來(lái)的光波返回到引信處的時(shí)間τ0。這樣就可得到彈頭與目標(biāo)之間的距離R，即：

(1)

由式(1)可見(jiàn)，目標(biāo)距離的獲取實(shí)際上是對(duì)測(cè)距回波信號(hào)到達(dá)時(shí)間的測(cè)量。

激光近炸引信按其工作原理可分為主動(dòng)式和半主動(dòng)式兩類，目前應(yīng)用多是主動(dòng)式的。主動(dòng)式激光近炸引信原理圖如圖1所示。

圖1 主動(dòng)式激光近炸引信原理圖

對(duì)于整個(gè)近炸引信系統(tǒng)而言，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生所要求的頻率、能量的激光，并以光束的形式向空間輻射光能量，以空間形成所需的探測(cè)場(chǎng)，同時(shí)給出同步信號(hào)，此時(shí)的時(shí)刻記為t0；當(dāng)反射光波反回到引信時(shí)，接收光學(xué)系統(tǒng)完成由目標(biāo)返回激光的探測(cè)、目標(biāo)信號(hào)的識(shí)別，此時(shí)的時(shí)刻記為t1。則：

(2)

由(1)、(2)式即可求得彈目之間的距離R。若此距離為近炸引信的啟動(dòng)距離，導(dǎo)彈就會(huì)被執(zhí)行機(jī)構(gòu)引爆，否則導(dǎo)彈將繼續(xù)飛行，直至距離達(dá)到啟動(dòng)距離。

1.2 抗干擾性能

作用于激光近炸引信的干擾主要有兩類。一類是引信內(nèi)部產(chǎn)生的干擾，包括接收機(jī)的固有噪聲、發(fā)射接收之間的光信號(hào)泄漏(發(fā)射系統(tǒng)中強(qiáng)電信號(hào)的輻射及通過(guò)電源地線耦合到接收系統(tǒng)中形成的干擾)。另一類是外部干擾，包括背景、海浪、雨、霧、雪及云層等自然干擾，還有人工干擾。由于本文主要研究無(wú)源干擾，所以只針對(duì)外部干擾方面進(jìn)行分析。

傳統(tǒng)脈沖體制的激光近炸引信雖然有優(yōu)良的抗干擾性能和其它優(yōu)越性，但它的優(yōu)越性一般是在減小作用距離、提高工作信噪比、犧牲瞬時(shí)性的復(fù)雜信號(hào)處理能力等條件下取得的，所以對(duì)于外部干擾，脈沖體制沒(méi)能從根本上解決抗干擾問(wèn)題。于是有人提出采用可編程邏輯門陣列器件實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)激光近炸引信目標(biāo)識(shí)別信息處理系統(tǒng)可有效提高抗云霧干擾性能[2]。也有人提出一種“云霧壓制與邊緣增強(qiáng)復(fù)合探測(cè)技術(shù)”。它是用相鄰距離信號(hào)相減來(lái)抑制云霧雜波干擾和識(shí)別真實(shí)目標(biāo)存在，消除了因懸浮微粒所引起的虛警探測(cè)[3]。還有人提出了一種通過(guò)探測(cè)回波的偏振信息來(lái)解決激光近炸引信抗懸浮粒子干擾問(wèn)題的新方法[4-5]。北京理工大學(xué)在偽隨機(jī)碼激光引信探測(cè)系統(tǒng)方面對(duì)背景干擾和有源干擾的抗干擾性做了研究。研究表明其抗干擾性能比較好，尤其在有源干擾方面[6-7]。在激光近炸引信的發(fā)射脈沖寬度方面對(duì)抗干擾性能的研究表明,發(fā)射脈沖越窄，激光引信的測(cè)距精度越高，目標(biāo)回波特征信息就越豐富，抗干擾能力也更強(qiáng)[8-10]。由于發(fā)射窄脈沖需要的高功率的電源，有人在引信發(fā)射單元的設(shè)計(jì)上做了研究[11]。另外有人對(duì)雙色激光近炸引信的抗干擾性能進(jìn)行了研究，研究表明該方法可應(yīng)用于引信的抗干擾，在煙霧濃度大時(shí)尤為有效[12]。

2 無(wú)源干擾的可行性研究

激光近炸引信測(cè)距的實(shí)質(zhì)是測(cè)定激光從發(fā)射到目標(biāo)反射回來(lái)的總時(shí)間。如果改變這一時(shí)間就能起到干擾作用。顯然，如果在彈目之間合適的位置進(jìn)行干擾，就能改變這一時(shí)間。對(duì)激光近炸引信的對(duì)抗通常有兩類：有源干擾和無(wú)源干擾。

2.1 有源干擾的局限性

有源干擾技術(shù)由一系列通過(guò)輻射、轉(zhuǎn)發(fā)、發(fā)射和吸收光波能量，達(dá)到削弱和破壞對(duì)方光電設(shè)備使用性能的技術(shù)措施構(gòu)成。主要有干擾機(jī)、欺騙式誘餌、致盲武器和反輻射激光武器等。有源干擾的對(duì)抗要求較多。對(duì)于欺騙系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其發(fā)出的信號(hào)必須與被干擾的激光信號(hào)具有相同波長(zhǎng)、脈寬和更高重復(fù)頻率的激光信號(hào)；還須調(diào)整其輸出功率，使到達(dá)敵方導(dǎo)引頭的激光欺騙干擾信號(hào)高于導(dǎo)引頭的閾值功率；為了配合欺騙式干擾，要對(duì)所保護(hù)的目標(biāo)采取激光隱身等技術(shù)來(lái)降低目標(biāo)表面的半球反射率，從而使到達(dá)敵方激光導(dǎo)引頭的真實(shí)信號(hào)功率低于導(dǎo)引頭的閾值功率；對(duì)于假目標(biāo)而言，其距所保護(hù)目標(biāo)必須足夠遠(yuǎn)，使被保護(hù)目標(biāo)處于敵方激光武器的殺傷半徑之外等[13]。由于有諸多條件限制，研制周期長(zhǎng)，對(duì)抗波段窄，對(duì)抗效率與可靠性不高，對(duì)預(yù)警系統(tǒng)的要求高等問(wèn)題，所以相對(duì)于無(wú)源干擾，實(shí)現(xiàn)有源干擾難度較大。

2.2 無(wú)源干擾的可行性

由于目前激光近炸引信的工作波段是1.06 μm，處于近紅外波段。而大氣中的云霧、煙氣、雨雪等很容易對(duì)光束造成影響。煙幕、氣溶膠、水幕等干擾劑粒子(固體微小顆?；蛩?對(duì)激光有顯著的消光作用和后向散射作用。消光后，激光近炸引信的接收光學(xué)系統(tǒng)無(wú)法接收到接收閾值以上的有效回波，實(shí)現(xiàn)遮蔽效果，使被保護(hù)目標(biāo)隱身。引信就無(wú)法測(cè)定距離完成引爆任務(wù)；后向散射后，激光近炸引信接收到的回波信號(hào)，會(huì)誤認(rèn)為是目標(biāo)的回波，進(jìn)而對(duì)測(cè)量距離產(chǎn)生誤判，導(dǎo)致早炸。

由以上分析可知：無(wú)源干擾主要是將煙幕、氣溶膠或水幕等人工制造的物質(zhì)施放在被保衛(wèi)目標(biāo)與干擾目標(biāo)之間的傳輸通道上，將被保衛(wèi)目標(biāo)在煙幕等無(wú)源干擾物所形成的屏障中隱蔽起來(lái)，降低其被探測(cè)與識(shí)別的機(jī)率，或干擾回波以達(dá)到干擾測(cè)距的目的。

3 無(wú)源干擾

無(wú)源干擾技術(shù)的主要因素有遮蔽波段、衰減率、有效干擾面積、持續(xù)時(shí)間、形成時(shí)間和使用環(huán)境要求等。其中遮蔽波段與衰減率是決定光電無(wú)源材料技術(shù)性能的兩項(xiàng)最重要指標(biāo)，有效干擾面積和持續(xù)時(shí)間是衡量無(wú)源干擾戰(zhàn)術(shù)使用性能的兩項(xiàng)重要判據(jù)[14]。對(duì)于激光還需要增加對(duì)其特定波長(zhǎng)的后向散射率等指標(biāo)。本文將對(duì)煙幕、氣溶膠和水幕的遮蔽波段、衰減率和后向散射率等方面進(jìn)行研究，來(lái)表征它們的干擾效果。

3.1 煙幕

煙幕是最主要的無(wú)源干擾技術(shù)，是用人工方法造成的在一定時(shí)間和范圍內(nèi)起迷?；蛘诒巫饔玫臒熢啤Ｋ强繎腋∮诳諝庵械墓腆w微粒反射和折射光線而起到干擾作用的。通常的激光干擾材料是碳基(石墨等)干擾粉劑、銅基干擾粉劑和組合型干擾粉劑。組合型干擾粉劑具有干擾波段寬、體積消光系數(shù)大、不導(dǎo)電、相容性好、滯留時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，對(duì)激光的遮蔽率達(dá)到90%以上[15]。由于銅基干擾粉密度大，沉降速率大，一般不單獨(dú)使用。

單位體積內(nèi)煙幕微粒多，對(duì)入射激光的反射、散射和吸收就越多，激光的透射能力就越弱，不僅會(huì)造成目標(biāo)的遮擋和模糊，也會(huì)造成激光近炸引信誤輸出目標(biāo)信號(hào)的發(fā)生[12]。當(dāng)微粒直徑顯著大于入射光波波長(zhǎng)時(shí)，微粒使光只產(chǎn)生反射和折射，光入射到煙幕上，一部分由其表面反射，另一部分被折射。當(dāng)微粒直徑顯著小于入射光波波長(zhǎng)時(shí)，發(fā)生分子散射(瑞利散射)。當(dāng)微粒直徑增大時(shí)，微粒對(duì)入射光的散射強(qiáng)度迅速增大，便形成粒子散射(米氏散射)。實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)粒子直徑大約與光波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，產(chǎn)生的散射最大。當(dāng)煙幕微粒直徑接近于可見(jiàn)光波長(zhǎng)時(shí)，煙幕微粒不僅能散射，而且能吸收一部分光。煙幕微粒將光能轉(zhuǎn)化成其他形式的能。所以煙幕微粒對(duì)激光傳輸?shù)挠绊懯牵弘S著波長(zhǎng)的縮短，造成的散射和衰減吸收會(huì)加大。分子散射和粒子散射會(huì)具有顯著的區(qū)別，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光波在煙中的散射和衰減吸收會(huì)小很多[16]，遠(yuǎn)紅外波段的激光的散射遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于近紅外波段的激光。所以煙幕粒子的粒度應(yīng)該根據(jù)所對(duì)抗的激光波段來(lái)選擇，以達(dá)到最佳的散射和衰減吸收效果。

由于1.06 μm波段的激光對(duì)煙幕的抗干擾性先天不足，近來(lái)各國(guó)都在加緊研制遠(yuǎn)紅外波段的激光近炸引信。10.6 μm的激光對(duì)煙幕的穿透能力明顯高于1.06 μm的激光。但濃厚煙霧對(duì)各波段激光的遮蔽作用都很大，使其透射性大大降低，所以研究高密度的煙幕是的研究方向之一。另外的對(duì)抗10.6 μm激光的途徑是尋找其它干擾材料。如含P-O-C鍵的磷酸鋯在9.5 μm～20.5 μm，含Si-O-Si鍵的硅氧烷、硅酸鹽在8.7 μm～10.0 μm都有較強(qiáng)的吸收[17]。AI粉、Cu粉和石墨粉等，由于受紅外輻射的激發(fā)而引起自由電子的運(yùn)動(dòng)，從而在8 μm～14 μm大氣窗口區(qū)的紅外活性比較顯著[18]。10.6 μm的激光在紅磷煙幕中透過(guò)率較低。石墨煙幕對(duì)10.6 μm波長(zhǎng)的激光也具有非常優(yōu)異的衰減效果。另外在霧油煙幕中添加石墨發(fā)煙劑以后對(duì)10.6 μm激光的消光系數(shù)增加更加顯著[19]。

目前，煙幕裝備系統(tǒng)在主要有發(fā)煙火箭車、煙幕彈和直升機(jī)煙幕系統(tǒng)。發(fā)煙火箭能在10s內(nèi)50～200m的空間內(nèi)形成一道能夠持續(xù)不短于1min的煙幕，能夠完全遮避目標(biāo)。

3.2 氣溶膠

氣溶膠是以人工方法造成的霧云。它是靠懸浮于空氣中的小液滴反射、折射、吸收和散射光線而產(chǎn)生干擾效果的。它屬于液體煙幕的一種，是一種非煙火型的寬波段干擾材料。其干擾波段從可見(jiàn)光到毫米波和雷達(dá)波段，以及1.06 μm和10.6 μm的激光波段。由于水等小液滴的后向散射對(duì)激光的影響難以消除，所以是目前對(duì)抗激光近炸引信武器的有效手段。氣溶膠不產(chǎn)生任何煙火，且無(wú)毒無(wú)腐蝕，所以特別適合于在已方陣地上運(yùn)用。

如圖2所示：設(shè)功率為P0的激光輻射在大氣氣溶膠中傳輸距離L后功率衰減為P并且未出現(xiàn)非線性效應(yīng)，則其透過(guò)率服從描述單色光輻射在大氣中衰減的Lambert-Beer定律，即：

(3)

式中，T為傳輸距離L后激光的透過(guò)率，P0為激光輻射通過(guò)氣溶膠前的功率，P為激光輻射通過(guò)氣溶膠后的功率，β為氣溶膠衰減系數(shù)(包括散射和吸收)。

圖2 氣溶膠對(duì)電磁輻射的衰減機(jī)理[19]

式(3)表明激光功率隨傳輸光程的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減，因此，如何增加氣溶膠的濃度與厚度是研究的主要內(nèi)容；另外衰減系數(shù)與氣溶膠液滴的粒度和激光的波長(zhǎng)有關(guān)，選擇合適粒度的氣溶膠是有效對(duì)抗激光的另一項(xiàng)內(nèi)容。美國(guó)研制的無(wú)色無(wú)毒的406B氣溶膠據(jù)稱能有效衰減1.06 μm和10.6 μm波段的激光，對(duì)CO2激光的衰減高達(dá)77%。

3.3 水幕

水幕是指水在高壓噴射狀態(tài)下形成的水霧。水分子對(duì)激光的吸收作用十分顯著，可造成激光的嚴(yán)重衰減。當(dāng)水霧粒徑在5 μm～15 μm之間時(shí)，不僅水霧可保持較長(zhǎng)時(shí)間，而且對(duì)可見(jiàn)光、近紅外以及中紅外波段的隱身效果也好[14]。它對(duì)激光的干擾原理與氣溶膠基本相同，但由于水霧一般在目標(biāo)附近施放，所以可以吸收目標(biāo)散發(fā)的部分熱量，減少目標(biāo)紅外輻射強(qiáng)度。這是氣溶膠所不具備的。現(xiàn)在的水幕可達(dá)幾米或幾十米，但由于激光應(yīng)用波段將向遠(yuǎn)紅外波段發(fā)展，由Lambert-Beer定律可知：更厚的水幕才能起到更好的干擾和隱身的作用。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，水幕主要用于海面艦艇和大型地面目標(biāo)的保護(hù)。王吉心等通過(guò)實(shí)驗(yàn)定量模擬了甲板和空氣中施放泡沫-水兩用幕厚度對(duì)光衰減效果的影響，研究表明，衰減幅度最高可達(dá)95.8%(空中)與98.4%(甲板表面)[20]，因此，水幕可以對(duì)激光近炸引信產(chǎn)生有效的干擾效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然激光近炸引信的作戰(zhàn)效率、作戰(zhàn)距離和抗干擾能力都得到了提高。但煙幕、氣溶膠和水幕等光電無(wú)源對(duì)抗以其成本低、寬波段的遮蔽效果、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中應(yīng)用日益廣泛。發(fā)展高性能的光電無(wú)源對(duì)抗技術(shù)有很高軍事意義。未來(lái)的激光近炸引信將向著準(zhǔn)納秒的超窄激光脈沖、多維成像、遠(yuǎn)紅外波段(如10.6 μm)抗干擾、360°全視角和數(shù)字化(DSP)方向發(fā)展，而光電無(wú)源對(duì)抗技術(shù)將向著面源化、更寬波段干擾、新型干擾材料(以獲得長(zhǎng)時(shí)間大面積干擾)等方面發(fā)展?！?/p>

[1] 崔占忠, 宋世和, 徐立新. 近炸引信原理 [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2005.

[2] 呂華, 姚宏寶, 陳平. 大視場(chǎng)激光引信目標(biāo)識(shí)別方法研究 [J]. 紅外與激光工程, 2005 (4): 427-429.

[3] 梁冬冬. 數(shù)字化激光引信回波波形處理算法仿真研究 [D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2006.

[4] 孟祥盛. 基于偏振探測(cè)的激光引信 [J]. 航空兵器, 2008 (1): 42-45.

[5] 劉健, 柯熙政, 胡淑巧, 等. 激光偏振特性在近炸引信中的應(yīng)用 [J]. 西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010 (5): 162-165.

[6] 閆曉鵬, 栗蘋(píng), 陳慧敏, 等. 偽隨機(jī)碼激光引信探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J]. 光學(xué)技術(shù), 2008(S1): 292-294,296.

[7] 王偉, 鄧甲昊, 黃艷, 等. 基于偽隨機(jī)碼的激光引信探測(cè)技術(shù) [J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2003 (6): 754-758.

[8] 李合新, 張京國(guó), 高寵. 激光引信脈沖寬度對(duì)目標(biāo)回波的影響研究 [J]. 航空兵器, 2011(3): 52-55.

[9] 胡俊雄, 張艷. 激光引信抗干擾技術(shù)綜述 [J]. 制導(dǎo)與引信, 2009 (4): 6-13,18.

[10]王廣生. 激光引信云霧后向散射的特征與識(shí)別 [J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào), 2006(6): 20-24.

[11]唐敏, 李加庚, 韓海, 等. 激光引信中發(fā)射單元的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試, 2008 (4): 65-69.

[12]張好軍,趙建林. 采用雙色技術(shù)的激光引信抗干擾技術(shù)[J]. 紅外與激光工程, 2011 (6): 1070-1074.

[13]侯振寧. 激光有源干擾原理及技術(shù) [J].光機(jī)電信息, 2002(3): 22-26.

[14]劉京郊. 光電對(duì)抗技術(shù)與系統(tǒng) [M]. 北京: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社, 2004.

[15]常懷東. 寬波段煙幕干擾戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)研究 [D].南京理工大學(xué), 2009.

[16]彭雙春, 劉光斌, 張健. 煙霧干擾下的實(shí)時(shí)圖濾波方法研究 [J]. 紅外與激光工程, 2005(4): 478-480.

[17]翁詩(shī)甫. 傅立葉變換紅外光譜儀 [M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

[18]陳兵, 李澄俊, 徐慶紅. 紅外煙幕消光性能及選材途徑分析 [J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004(6): 58-61.

[19]王玄玉. 煙幕對(duì)10.6μm激光的衰減規(guī)律及應(yīng)用計(jì)算研究 [D]. 南京理工大學(xué), 2007.

[20]王吉心，金良安，遲衛(wèi)，等.泡沫-水兩用幕厚度與光衰減效果的關(guān)系[J].應(yīng)用光學(xué)，2013(5)：758-763.

Research on passive jamming technology of laser proximity fuze

Su Ruyi1, Zhou Zunning2

(1. China Aviation Planning and Design Institute (Group) Co. Ltd., Beijing 100120,China;2. School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China)

With the development of laser proximity fuze technology, anti-jamming performance of laser proximity fuze has been greatly improved. Based on the research of anti-jamming performance of laser proximity fuze, the principle and method of passive jamming are studied. The results show that it is still effective to use smoke, aerosols and water curtain as jamming, although the laser proximity fuze anti-jamming performance has been improved.

laser proximity fuze;passive jamming;smoke;aerosols;water curtain

2016-07-04；2016-09-01修回。

蘇如意(1986-)，男，碩士，從事無(wú)源干擾技術(shù)研究。

TN972

A