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        激光高重頻干擾半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈的作戰(zhàn)運用影響研究

        2022-04-07 12:51:04宋振之韓道文趙祿達吳中偉
        電光與控制 2022年4期
        關(guān)鍵詞:波門半主動導(dǎo)引頭

        宋振之, 韓道文, 王 宇, 趙祿達, 吳中偉

        (1.國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院,合肥 230000; 2.中國人民解放軍31649部隊,廣東 汕尾 516000)

        0 引言

        現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈以其打擊精度高、抗干擾能力強、成本低廉等優(yōu)點,成為戰(zhàn)場上攻擊對方重要目標(biāo)的一把“利刃”,同時也成為我方在戰(zhàn)場上應(yīng)重點防范的目標(biāo)??梢灶A(yù)見,在未來戰(zhàn)場上,激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈將發(fā)揮更為重要的作用。隨著激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈的大量應(yīng)用,針對它的光電對抗措施也得到了長足發(fā)展,其中,高重頻激光干擾以其無需識別和復(fù)制激光指示信號的編碼即能進入敵信號處理系統(tǒng),對敵進行有效干擾,近年來逐漸得到了各國的重視。

        目前,激光高重頻干擾的研究主要集中于干擾機理分析以及對半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭信號處理過程的分析[1-5],而對該技術(shù)的作戰(zhàn)運用影響研究相對較少。本文將重點研究大氣傳輸、干擾激光重復(fù)頻率、配置距離等因素對激光高重頻作戰(zhàn)運用的影響。

        1 半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈的制導(dǎo)原理和高重頻干擾原理

        1.1 激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈制導(dǎo)原理

        激光半主動制導(dǎo)是以激光為信息載體,將導(dǎo)彈、炮彈或炸彈引向目標(biāo)而實施精確打擊的技術(shù)。激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈主要由位于彈上的激光導(dǎo)引頭和控制系統(tǒng)以及彈外的激光指示器組成。作戰(zhàn)時,通過激光指示器發(fā)射激光脈沖照射打擊目標(biāo)形成漫反射信號,引導(dǎo)激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈鎖定目標(biāo)并調(diào)整飛行路線飛向目標(biāo)。

        目前,激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈采取的主要抗干擾措施有兩種:一種是對指示激光信號進行編碼,在激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭上設(shè)置相應(yīng)的解碼電路,當(dāng)導(dǎo)引頭視場內(nèi)同時出現(xiàn)多個指示信號或干擾信號時,能夠通過解碼識別自己的指示信號;另一種是在導(dǎo)引頭上設(shè)置脈沖錄取時間波門,波門的作用是控制導(dǎo)引頭對指示激光的接收,在判斷自己的指示信號到達導(dǎo)引頭時開啟,接收到指示信號后關(guān)閉,而在波門關(guān)閉期間不接收任何信號。這兩種抗干擾措施很好地提高激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈的作戰(zhàn)性能,但也給我方干擾帶來極大挑戰(zhàn)。

        1.2 激光高重頻對半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈的干擾原理

        激光高重頻是通過向半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈發(fā)射高重復(fù)頻率的脈沖激光,使得其導(dǎo)引頭波門無論何時開啟均能受到高重頻信號的干擾,從而影響導(dǎo)引頭對指示信號的接收,降低導(dǎo)引頭對目標(biāo)信息的截獲概率,致使激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈因提取不出信息而迷盲,或因提取到干擾信息而被引偏,達到保護被攻擊目標(biāo)的目的。

        2 大氣傳輸對激光高重頻作戰(zhàn)運用的影響

        對于激光高重頻作戰(zhàn)運用,大氣對激光傳輸?shù)挠绊懯且粋€必須要考慮的重要因素。大氣中的許多物質(zhì)都會對激光的傳輸產(chǎn)生影響,如各種氣體分子、懸浮于空中的氣溶膠粒子等都會造成激光傳輸?shù)乃p。

        大氣對激光的衰減作用主要包括大氣吸收效應(yīng)和散射效應(yīng)。大氣吸收效應(yīng)是指大氣分子或氣溶膠吸收激光的部分能量,并轉(zhuǎn)換為熱能的效應(yīng)。對于不同波長的光,大氣的吸收率不同,但是由于有大氣窗口的存在,對于特定波長的激光吸收較少,目前的激光武器使用的激光波長均處于大氣窗口之內(nèi),對激光的吸收較少。

        大氣散射效應(yīng)是激光同大氣分子或氣溶膠等的相互作用,使得入射激光的能量以一定規(guī)律在各個方向上重新分布的現(xiàn)象。在低空作戰(zhàn)范圍內(nèi)大氣散射主要為氣溶膠的散射,其值與能見度密切相關(guān)。其常用的描述公式為[6]

        (1)

        式中:VM為大氣能見度;λ為入射激光的波長;q為修正因子,其數(shù)值與能見度有關(guān),如表1所示。

        表1 大氣能見度與修正因子對應(yīng)表Table 1 Atmospheric visibility and the corresponding correction factors

        假設(shè)目標(biāo)指示器的發(fā)射功率為Pt1,指示激光發(fā)散角為θt,目標(biāo)指示器發(fā)射光學(xué)透過率為τ1,目標(biāo)指示器與目標(biāo)之間的距離為R1,目標(biāo)與激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈之間的距離為R2,激光大氣衰減系數(shù)為μ(設(shè)作戰(zhàn)范圍內(nèi)的大氣衰減系數(shù)相同),導(dǎo)引頭的接收面積Ar,導(dǎo)引頭光電探測器探測閾值為Prmin,接收光學(xué)透過率為τ2,目標(biāo)表面反射率為ρ1,通常情況下,目標(biāo)的尺寸大于指示激光在目標(biāo)上的光斑尺寸,即為大目標(biāo)。則指示激光到達導(dǎo)引頭光電探測器前的峰值功率Pt2為

        (2)

        指示器能指示的最遠距離Rmax為指示激光到達導(dǎo)引頭光電探測器前的峰值功率等于導(dǎo)引頭光電探測器探測閾值時的距離,令Pt 2=Prmin,并將式(1)代入式(2)得

        (3)

        以某激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈為例,其目標(biāo)指示器激光波長λ=1.06 μm,R1取5 km,τ1,τ2,ρ1的值分別取0.9,0.9,0.5。Ar=1.2×10-3m2(相當(dāng)于接收口徑為φ40)[7],導(dǎo)引頭光電探測器探測閾值為Prmin=10-6W。分別令指示器的峰值功率為5 MW,10 MW,15 MW,則大氣能見度與指示器最遠可指示距離的關(guān)系由Python仿真得到,如圖1所示。

        圖1 大氣能見度與導(dǎo)彈可被指示最遠距離的關(guān)系Fig.1 Relationship between atmospheric visibility and the maximum distance a missile can be indicated

        由圖1可知,激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈最遠可被指示距離隨能見度的提升而增大。指示激光發(fā)射功率越大,導(dǎo)彈可被指示的距離越遠。由此,對于給定型號的導(dǎo)彈,可以根據(jù)大氣能見度情況判斷其可能發(fā)射的距離,為我方把握干擾時機提供參考。

        激光高重頻通常采用直瞄的干擾方式[8]。設(shè)高重頻干擾機的發(fā)射功率為PJ1,高重頻干擾機發(fā)射光學(xué)透過率為τ3,干擾激光發(fā)散角為θJ,干擾機與激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈之間的距離為R3,當(dāng)采取直瞄的方式進行干擾,到達導(dǎo)引頭光電探測器前的干擾峰值功率PJ2為

        (4)

        要實現(xiàn)成功干擾,干擾信號到達導(dǎo)引頭光電探測器前的峰值功率要求不小于指示信號到達導(dǎo)引頭光電探測器前的峰值功率[9]。令PJ2≥Pt2,化簡得

        (5)

        因R3≈R2,聯(lián)立式(1)和式(5)可得

        (6)

        數(shù)據(jù)不變,則大氣能見度與高重頻干擾激光最小功率的關(guān)系由仿真可得,如圖2所示。

        圖2 大氣能見度與高重頻干擾機發(fā)射最小功率的關(guān)系Fig.2 Relationship between atmospheric visibility and minimum transmitting power of high-frequency jammer

        由圖2仿真結(jié)果可以看出,大氣能見度越好,激光高重頻干擾機所需的最小發(fā)射峰值功率越高,說明能見度越高的天氣更有利于半主動精確制導(dǎo)導(dǎo)彈的打擊,而不利于激光高重頻的干擾。這是因為指示信號通常要經(jīng)過大氣的雙程衰減,激光高重頻只需經(jīng)過大氣單程衰減,因此隨著大氣能見度的提高,對指示信號的衰減減弱,就需要相應(yīng)提高干擾信號的峰值功率。

        3 干擾激光重復(fù)頻率對激光高重頻作戰(zhàn)運用的影響

        波門技術(shù)的使用大大提高了半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈的抗干擾性能,因此,必須使用高重復(fù)頻率的干擾激光,使得在導(dǎo)引頭波門打開的時間范圍內(nèi)有干擾信號“擠入”。又因?qū)б^波門通常采用首脈沖錄取制,即在波門內(nèi)同時出現(xiàn)兩個脈沖時,只處理第一個激光脈沖信號,因此,只有干擾信號超前于目標(biāo)指示信號進入導(dǎo)引頭的波門,才能實現(xiàn)成功干擾。在實施干擾時,干擾信號能否進入導(dǎo)引頭的波門以及超前進入的概率與干擾信號的重復(fù)頻率有關(guān),下面建立干擾信號超前于目標(biāo)指示信號進入波門的概率(簡稱超前概率,即每次干擾成功的概率)的數(shù)學(xué)模型。

        (7)

        (8)

        于是,干擾信號超前進入導(dǎo)引頭時間波門的概率Pgrcq為

        (9)

        取波門寬度分別為30 μs,50 μs,100 μs,可仿真出激光高重頻重復(fù)頻率與超前概率的關(guān)系,如圖3所示。

        圖3 激光高重頻重復(fù)頻率與超前概率關(guān)系Fig.3 Relationship between high-repetition-frequency and lead probability of laser

        由仿真結(jié)果可知,在重復(fù)頻率一定的情況下,波門寬度越大,干擾信號超前的概率越大;波門寬度一定時,干擾重復(fù)頻率越高,干擾信號超前的概率越大。對于必須要達到一定干擾成功概率的情形下,導(dǎo)引頭的波門寬度越小,需要的干擾信號的重復(fù)頻率越高。

        4 配置距離對激光高重頻作戰(zhàn)運用的影響

        激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈通常具有一定接收視場角,干擾信號只有進入導(dǎo)引頭的接收視場才可能被導(dǎo)引頭的光電探測器接收而實現(xiàn)干擾目的。高重頻干擾信號是否能夠進入導(dǎo)引頭接收視場與干擾機配置的位置及導(dǎo)引頭的接收視場角的大小密切相關(guān)。理論上來說,高重頻干擾設(shè)備離被保護目標(biāo)越近,越容易進入導(dǎo)引頭的視場,但由于激光高重頻干擾可能將導(dǎo)彈引向自己,配置距離被保護目標(biāo)太近,容易殺傷被保護目標(biāo)。若配置距離過遠,又不能進入導(dǎo)引頭的接收視場,導(dǎo)致干擾無效。因此合理選擇配置距離非常重要,應(yīng)當(dāng)高度重視。

        設(shè)導(dǎo)彈最遠被指示距離為Rmax,導(dǎo)引頭接收視場角為θd,則配置最遠距離不得超過(如圖4所示)

        圖4 敵激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈視場范圍Fig.4 Field of view of an enemy laser semi-active guided missile

        (10)

        導(dǎo)彈在發(fā)射后,向攻擊目標(biāo)不斷運動,導(dǎo)致在地面進入視場的范圍越來越小。因此,即使在導(dǎo)彈發(fā)射時高重頻干擾信號能夠進入導(dǎo)引頭視場,但隨著導(dǎo)彈的不斷飛行,高重頻干擾信號也會逐漸偏出導(dǎo)引頭的視場范圍。激光高重頻干擾裝備配置的最遠距離應(yīng)當(dāng)根據(jù)干擾超前的概率留有一定余地,能夠確保在偏出導(dǎo)引頭視場前干擾成功,將導(dǎo)彈引向自己。根據(jù)實踐經(jīng)驗,應(yīng)當(dāng)將配置最遠距離乘以一個安全系數(shù)Pgrcq,即配置最遠距離為

        (11)

        高重頻干擾裝備配置的最近距離應(yīng)當(dāng)充分考慮導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度、殺傷半徑和波門形式。由于導(dǎo)彈在實際飛行的過程中,會受到大量來自導(dǎo)彈自身和外界的干擾,各干擾因素的大小及變化是隨機的,并且相互獨立、沒有一個主要因素,因此,導(dǎo)彈制導(dǎo)精度通常服從以目標(biāo)中心為均值的正態(tài)分布[10],設(shè)導(dǎo)彈的精度為S0,根據(jù)誤差理論和概率學(xué),通常導(dǎo)彈落在以目標(biāo)為中心、制導(dǎo)精度S0為半徑的范圍內(nèi)的概率為68.27%,落在以2S0,3S0為半徑的范圍內(nèi)的概率分別為95.45%,99.73%。若導(dǎo)彈的殺傷半徑為r0,則為了使被保護目標(biāo)不被導(dǎo)彈殺傷,激光高重頻設(shè)備配置離被保護目標(biāo)最小距離R應(yīng)當(dāng)滿足

        R≥3S0+r0。

        (12)

        導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的波門通常分為固定型波門和實時型波門。固定型波門是以首次確認的同步點依次預(yù)設(shè)后面的波門,在設(shè)置完畢后就不再改變,由于受激光器頻率抖動、光程差、導(dǎo)引頭和指示器時基一致性、時基頻率穩(wěn)定度等諸多因素影響,通常設(shè)置較寬(一般為100 μs左右)[11];實時型波門是在確認己方信號后,以當(dāng)前錄入脈沖的到達時刻為同步點,設(shè)置下一個脈沖的波門,因為實時波門可以消除累計誤差的影響,通常波門寬度可以設(shè)置較窄(一般為10~50 μs)。因此,對于實時型的波門來說,在每次干擾成功后,導(dǎo)引頭會根據(jù)干擾信號重新設(shè)置波門時間,致使目標(biāo)指示信號逐漸偏出導(dǎo)引頭的時間波門,最終飛向高重頻干擾機,配置的最近距離滿足式(12)即可。

        對于固定型波門,即使干擾成功,波門也不會隨之改變,下次目標(biāo)指示信號仍可能進入波門將導(dǎo)彈引向目標(biāo),導(dǎo)致導(dǎo)彈在目標(biāo)和激光高重頻設(shè)備之間來回偏轉(zhuǎn),最終落入目標(biāo)與激光高重頻設(shè)備之間。導(dǎo)彈落地地點由干擾超前概率確定,干擾超前概率越高,落地地點距離激光高重頻設(shè)備越近。最終落地的地點應(yīng)當(dāng)滿足

        RPgrcq≥3S0+r0

        (13)

        (14)

        因此,對于實時型波門導(dǎo)彈,激光高重頻配置的距離范圍應(yīng)當(dāng)為

        (15)

        對于固定型波門導(dǎo)彈,激光高重頻配置的距離范圍應(yīng)當(dāng)為

        (16)

        以某激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈為例,殺傷半徑為30 m,制導(dǎo)精度為5 m,導(dǎo)引頭的接收視場角為3°,在能見度為15 km時,最遠被指示距離為8 km。激光高重頻干擾裝備超前概率為80%,則對于實時型波門的激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈,激光高重頻配置的距離范圍應(yīng)為[45 m,168 m],對于固定型波門的激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈,激光高重頻設(shè)備配置的距離范圍應(yīng)為[56.25 m,168 m]。

        5 結(jié)束語

        激光高重頻干擾受大氣傳輸?shù)挠绊戄^大,大氣能見度越高,激光高重頻干擾機所需的發(fā)射功率反而越高。為獲得較高的干擾超前概率,激光高重頻干擾的重復(fù)頻率不能過低。為使干擾激光能夠進入測距的接

        收視場,干擾機配置的距離不宜過遠;受導(dǎo)彈射擊精度和殺傷半徑的影響,干擾機配置距離也不宜過近。對于不同形式波門的導(dǎo)引頭,應(yīng)當(dāng)采取不同的配置距離。

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