激光近炸引信發(fā)展述評

陳洪鈞，石治國

(海軍駐天津地區(qū)兵器設(shè)備軍代表室，天津 300308)

激光近炸引信是一種主動式光電引信。它通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)將特定幅值、時域和空域特性的激光光束對目標(biāo)進(jìn)行照射，光電接收系統(tǒng)接收目標(biāo)反射回波，并進(jìn)行實時的識別和處理。當(dāng)引信在預(yù)定距離內(nèi)檢測到目標(biāo)，當(dāng)導(dǎo)彈或戰(zhàn)斗部處在最佳炸點位置時，就通過電子系統(tǒng)產(chǎn)生起爆信號啟動戰(zhàn)斗部。目前主動式激光近炸引信通常使用砷化鎵半導(dǎo)體激光器，是因其體積小、重量輕、彈上配置簡便。還因其波長短、脈沖窄、調(diào)制方便，可設(shè)定空間分布方式，能提供非常精確的目標(biāo)距離和位置信息。特別是它的一些特性能適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭中引信電子對抗技術(shù)的發(fā)展變化，所以倍受重視，應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛。當(dāng)導(dǎo)彈與目標(biāo)不能直接碰撞，或命中精度不能滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求，且戰(zhàn)斗部的威力能在規(guī)定的距離內(nèi)殺傷目標(biāo)時，才設(shè)置近炸引信。因此激光引信可以作為主引信，也可以作為輔助引信，或與其它引信組合成復(fù)合引信。

1 激光近炸引信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

激光引信在整個引戰(zhàn)系統(tǒng)中的地位及工作過程如圖1。

圖1 引戰(zhàn)系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖

作為一種高可靠度和高精度的引信，小到迫擊炮彈，大到戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、戰(zhàn)略導(dǎo)彈，從掠海飛行的反艦導(dǎo)彈，到對坦克掠頂垂直攻擊的反坦克導(dǎo)彈，無論是空空導(dǎo)彈還是面空導(dǎo)彈，激光近炸引信在西方及俄羅斯的多種型號導(dǎo)彈上均有所應(yīng)用。它已成為新一代先進(jìn)導(dǎo)彈的標(biāo)志之一。

近年來，激光引信在反輻射攻擊武器中的應(yīng)用日益廣泛。如美國的哈姆(Harm)AGM -88 反輻射導(dǎo)彈，以色列的Harpy 和南非的RAKI 反輻射無人機均采用了激光近炸引信。

目前，近炸引信起爆控制技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)在以下5 個層次:

1)選擇最佳炸點。這是近炸引信通常采用的起爆控制技術(shù)。

2)選擇引信的最佳作用方式。如在與觸發(fā)引信或其它體制引信聯(lián)合工作時，保證觸發(fā)優(yōu)先或其它體制引信優(yōu)先。

3)選擇最佳起爆方向。根據(jù)目標(biāo)與戰(zhàn)斗部的相對位置，選擇戰(zhàn)斗部的最佳爆破方向。

4)從多目標(biāo)中選擇特定毀傷目標(biāo)。在與其它檢測技術(shù)配合使用時，近炸引信采用多目標(biāo)選擇識別技術(shù)，以使戰(zhàn)斗部殺傷選定的目標(biāo)。

5)選擇目標(biāo)易損部位。近炸引信采用目標(biāo)易損部位選擇判別技術(shù)。

現(xiàn)代近炸引信設(shè)計思想已經(jīng)從過去單純的目標(biāo)敏感測距裝置轉(zhuǎn)變?yōu)?近炸引信 = 目標(biāo)檢測裝置，表明了近炸引信設(shè)計重點的轉(zhuǎn)移。即從開始的近炸引爆或作為觸發(fā)引信的輔助手段，現(xiàn)已變?yōu)槎喾N武器實現(xiàn)最佳引戰(zhàn)配合的主要角色。目標(biāo)探測裝置實際上是為引信發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、測量與提取有關(guān)目標(biāo)信息，以及接受和利用武器系統(tǒng)有關(guān)信息，共同產(chǎn)生引信啟動指令的光電信息處理裝置。它由目標(biāo)光電探測裝置(收發(fā)系統(tǒng))、信號處理電路和引信啟動指令產(chǎn)生裝置組成。以激光近炸引信為例，在實際應(yīng)用中已從提供單純的精密測距功能來控制炸點，發(fā)展到利用激光引信實現(xiàn)全向探測識別目標(biāo)，進(jìn)而實現(xiàn)精確定距、定向起爆，這是一種主動光學(xué)目標(biāo)檢測器(AOTD active optical target detector)。近炸引信首先利用制導(dǎo)信息，再結(jié)合自身探測到的信號發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、識別目標(biāo)、判別目標(biāo)方位，最后精確定出最佳起爆位置。這是現(xiàn)代近炸引信的基本特征。

2 激光近炸引信的發(fā)射技術(shù)

主動光學(xué)目標(biāo)檢測器通常由一個或多個激光器和光學(xué)鏡頭組成的發(fā)射系統(tǒng)。正常情況下，激光是以光束能量的形式輸出的，但利用特定的透鏡可以把激光波束變?yōu)樗璧男螤?。要增加引信探測目標(biāo)的效率就必須提高激光引信的靈敏度以及光束對目標(biāo)的覆蓋范圍。引信的性能還可以通過增加發(fā)射器和接收器的數(shù)量來加以改善。根據(jù)武器系統(tǒng)是對空、對艦、還是對地等攻擊目標(biāo)的不同，和其與目標(biāo)接近姿態(tài)的不同，激光引信的照射波束可設(shè)計成不同的形式，以便更好地探測和識別目標(biāo)及確定目標(biāo)的方位。引信的發(fā)射波束類型可分為:

1)單波束—激光器發(fā)射的光束形狀為細(xì)圓柱型?？蓱?yīng)用于子母彈中母彈精確定距控制開艙高度，此時引信的目標(biāo)為地面，或海面。它主要是利用激光引信的精密測距功能控制彈體飛行高度或進(jìn)行目標(biāo)識別，以決定引爆高度及時機。例如德國生產(chǎn)的JUNHANS 系列PX581 光學(xué)近炸迫擊炮引信，如圖2。及英國生產(chǎn)的對頂攻擊的反坦克導(dǎo)彈激光近炸引信，如圖3。

2)扇狀單波束—激光器發(fā)射的光束形狀為扇形。扇狀的矩形截面與目標(biāo)的高度、寬度尺寸相匹配。

3)雙波束—形成一定張角的兩條光束，各自覆蓋一定的空間范圍，以增加引信目標(biāo)判別的能力和滿足一定的相關(guān)控制要求。

4)多波束全向探測型激光引信。波束形狀可分為由多個筆型光束形成的圓盤狀，或多個扇形光束形成的圓錐狀。在彈體周圍增加發(fā)射機和接收機數(shù)目可以改善引信性能，但需要精心設(shè)計發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)，以獲得最佳收發(fā)配置。利用電子掃描技術(shù)使多個圓柱狀光束輪換工作，可減少每個扇形激光束的覆蓋角度，更能節(jié)省電源，同時給出更精確的目標(biāo)位置信息。全向探測型激光引信在面空導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈中應(yīng)用的較多，以適應(yīng)對快速運動的旋轉(zhuǎn)翼、固定翼空中目標(biāo)的迎頭或追尾攻擊。例如瑞典的RBS -70 導(dǎo)彈目前已裝備多個國家。其改進(jìn)型RBS-90 裝備的引信系統(tǒng)為激光近炸引信+觸發(fā)引信。激光引信必要時可在發(fā)射前關(guān)閉，它可抗目前所有已知的人為及自然干擾，并可在夜晚及惡劣自然條件下工作。它是由8 個砷化鎵激光二極管在彈身周圍順序排列組成環(huán)狀。俄羅斯的Sosna 面空導(dǎo)彈引信則采用12個激光器。再如英國THOMSON-THORN 導(dǎo)彈電子公司(TME)生產(chǎn)的用于檢測空中目標(biāo)的激光引信，其中發(fā)射采用二極管泵浦YAG 脈沖微激光器，波長1.06 μm 脈寬1 ns，使用雪崩二極管接收。引信發(fā)射系統(tǒng)由三個激光器組成，如圖4:每個激光器與彈軸成45°，每束光在120°范圍內(nèi)掃描，最大掃描重復(fù)頻率4 kHz。其距離分辨率0.25 m，(角分辨率與脈沖重復(fù)頻率有關(guān))。圖5 所示的:THOMSON-THORN公司的另一種全向探測的激光引信發(fā)射采用4 個同樣的YAG 微激光器，每個激光器發(fā)射方向與彈軸成50°，利用透鏡將光束發(fā)散成90°，從而實現(xiàn)360°覆蓋探測。全向探測型激光引信，還應(yīng)重視多個發(fā)射接收系統(tǒng)間的邏輯關(guān)系，和接收系統(tǒng)中目標(biāo)判別算法的研究。

5)由多個激光器組成錐形波束加360°圓盤狀波束，共同組成復(fù)合型發(fā)射波束。兩套波束間距離可根據(jù)典型目標(biāo)尺寸及導(dǎo)彈與目標(biāo)接近時的相對速度而定。RBS -70 最新改進(jìn)型BOLIDE SAM(surface to air missile)火流星面空導(dǎo)彈如圖6。為了對付高速運動的小目標(biāo)，它由一組8 個向前的等角度、等間距發(fā)射器組成錐型波束，又由8 個等間距發(fā)射器組成圓盤型波束。各個發(fā)射器采用光電掃描方式順序發(fā)出高重復(fù)頻率的光脈沖，此種激光近炸引信不但可以實現(xiàn)全向探測，而且還具有識別目標(biāo)的功能，如圖7 所示。引信可根據(jù)A、B 兩波束檢測到目標(biāo)時間上的不同及它們相互之間的邏輯關(guān)系，判斷出目標(biāo)的大小，決定戰(zhàn)斗部引爆的時機。

3 激光引信接收和數(shù)字信號處理技術(shù)

在發(fā)射系統(tǒng)中，可利用數(shù)字邏輯芯片對發(fā)射脈沖進(jìn)行編碼，增加引信抗干擾性能。在接收系統(tǒng)中，為了能準(zhǔn)確判別目標(biāo)，必須對激光脈沖回波進(jìn)行分析?；夭◣в心繕?biāo)信息，但單個回波具有偶然性，接收到的單一回波不一定都是目標(biāo)回波，其中含有各種可能的干擾信號。因此，必須利用多個回波信號及其目標(biāo)效應(yīng)(空間、時間的積累效應(yīng)，回波形狀的變化等)或統(tǒng)計信號處理方法，來完成目標(biāo)的識別。現(xiàn)代引信設(shè)計中引入數(shù)字信號處理方法，分析不同目標(biāo)返回的信號特征，最大限度地利用目標(biāo)回波與干擾信號在特征信息上的差異，從干擾中鑒別和提取目標(biāo)信息。這樣，在增強引信目標(biāo)識別能力的同時又提高了引信抗主動及被動干擾的能力。以空空導(dǎo)彈為例，常常通過對激光脈沖回波的積累和回波展寬效應(yīng)，判別出目標(biāo)、云或干擾，從而提高引戰(zhàn)配合效率。為適應(yīng)數(shù)字信號處理技術(shù)中復(fù)雜算法對處理器速度及穩(wěn)定性的要求，DSP 產(chǎn)品及其技術(shù)被廣泛應(yīng)用于引信系統(tǒng)中。根據(jù)現(xiàn)有資料，目前國際上已經(jīng)將引信和制導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)展成為由多個DSP 處理器組成的并行系統(tǒng)。例如美國AIM-9X 面空導(dǎo)彈系統(tǒng)采用的DSU-15A/B 激光近炸引信，通過4 個發(fā)射扇形光束的棱鏡組成發(fā)射系統(tǒng)，利用一個接收器接收返回來的信號，其引信與制導(dǎo)的核心部分就是由3 片TMS320C40 +2片C30 芯片組成的。另外，俄羅斯研制的引信中也廣泛采用了DSP 芯片。

目前，國外激光引信信息處理的層次上，已經(jīng)達(dá)到了對激光回波頻譜分析的水平，分析目標(biāo)回波的時域、頻域特性，根據(jù)不同目標(biāo)反射特性在復(fù)雜環(huán)境中尋找典型目標(biāo)，再根據(jù)典型目標(biāo)頻譜變化的規(guī)律判斷最佳起爆位置。也就是說國外的激光引信在對目標(biāo)的判別上，不但利用了目標(biāo)回波攜帶的距離信息，而且利用了目標(biāo)回波幅度的特征信息，從而為進(jìn)一步的抗干擾處理、目標(biāo)易損部位的判別奠定了基礎(chǔ)。

4 激光近炸引信技術(shù)的發(fā)展趨勢

綜合現(xiàn)有資料表明，激光近炸引信技術(shù)的發(fā)展將表現(xiàn)在以下幾個方面:

1)激光引信大功率小型化技術(shù)。隨著激光近炸引信在各類武器上的廣泛應(yīng)用和所攻擊目標(biāo)對引信要求的不同，要求發(fā)射光束的功率更大，波束掃描范圍更寬。因此，激光器大功率小型化技術(shù)將是發(fā)展的主要趨勢之一。如高功率半導(dǎo)體激光器制作技術(shù)，大功率微型固體激光器制作技術(shù)。隨著數(shù)字電子技術(shù)及微電子技術(shù)的日臻成熟，為引信小型化提供了條件。以AIM-9X 為例，其主動光學(xué)檢測器長4 英寸，重量為4 磅。又如THOMSON-THORN 公司的激光引信，應(yīng)用利頓(LITTON)公司生產(chǎn)的二極管泵浦YAG 微激光器，發(fā)射峰值功率3 kW，脈寬1 ns，脈沖重復(fù)頻率15 kHz，脈沖能量30 μJ，TO3 管殼封裝，只有25 美分硬幣大小，如圖8。

圖8 DPL-YAG 微激光器

2)激光引信與其他體制引信的復(fù)合技術(shù)

任何一種體制的引信都有其自身固有的弱點，僅靠單一體制的引信，區(qū)分信號來自于目標(biāo)或干擾是不夠的。例如激光引信最怕煙、霧、雨、雪這樣的小散射體的散射和吸收干擾。多體制復(fù)合引信的出現(xiàn)彌補了單一體制引信的不足。例如將無線電引信與激光引信復(fù)合，電容引信與激光引信復(fù)合，紅外與激光引信復(fù)合，GPS 與激光引信復(fù)合等。發(fā)展的難點是不同體制引信作用方式的相互轉(zhuǎn)換以及探測信息的融合技術(shù)。法國Thomson-CSF 公司生產(chǎn)的紅外激光雙模式復(fù)合近炸引信，如圖9。這樣的雙模式近炸引信，已經(jīng)應(yīng)用于SEAWOLF 海狼導(dǎo)彈及ASRAAM 導(dǎo)彈上。圖10 所示的反坦克導(dǎo)彈采用了觸發(fā)引信、電磁近炸引信和光學(xué)近炸引信復(fù)合的引信。

3)制導(dǎo)與引信一體化技術(shù)

近炸引信是提高導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部殺傷威力的手段，這就需要解決引信與戰(zhàn)斗部的配合問題。制導(dǎo)與引信一體化技術(shù)便于數(shù)據(jù)實時交換，并可充分利用導(dǎo)引頭提供的彈速、目標(biāo)形狀和方位等信息，以實現(xiàn)多目標(biāo)選擇和攻擊目標(biāo)易損部位，達(dá)到最佳引戰(zhàn)配合的目的。另外，還可減少不必要的重量與體積。據(jù)有關(guān)資料表明，美國愛國者3 型導(dǎo)彈就使用了制導(dǎo)與引信一體化技術(shù)。

4)激光引信仿真技術(shù)

為使激光引信能夠識別出目標(biāo)與背景環(huán)境，對抗各種主動及被動干擾，就必須分析目標(biāo)背景特性和干擾特性，建立各種目標(biāo)回波特征的數(shù)據(jù)庫。例如建立各種復(fù)雜幾何形狀目標(biāo)反射回波數(shù)據(jù)庫，建立目標(biāo)、海面和地面綜合回波信號數(shù)據(jù)庫，目標(biāo)與各種已知干擾的綜合反射回波數(shù)據(jù)庫，以及相應(yīng)的計算處理程序等。這些現(xiàn)代數(shù)學(xué)仿真和半實物仿真是十分必要的基礎(chǔ)性工作。它可以幫助設(shè)計者進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計，預(yù)測和評估引信系統(tǒng)的性能水平，分析引信系統(tǒng)在試驗、使用中發(fā)生的各種問題。因此成為激光近炸引信研制中不可缺少的手段。

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