基于陣列式探測器的艦載高能激光武器動態(tài)精度試驗方法研究

夏全國

(解放軍92941部隊94分隊，遼寧葫蘆島　125001)

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基于陣列式探測器的艦載高能激光武器動態(tài)精度試驗方法研究

夏全國

(解放軍92941部隊94分隊，遼寧葫蘆島125001)

對高機(jī)動目標(biāo)的跟蹤、瞄準(zhǔn)精度是艦載高能激光武器系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)之一，也是未來裝備狀態(tài)鑒定和列裝定型工作的主要考核項目。以艦載高能激光武器為研究對象，系統(tǒng)分析了其動態(tài)精度試驗的技術(shù)特點，在此基礎(chǔ)上，針對其跟蹤瞄準(zhǔn)精度要求高的實際問題，提出了基于陣列式探測器的試驗和數(shù)據(jù)處理方法，能夠有效完成對艦載高能激光武器動態(tài)精度的試驗與評估。

艦載高能激光武器系統(tǒng);動態(tài)精度;陣列式探測器;試驗方法

艦載高能激光武器作為未來承擔(dān)水面艦艇末端防空反導(dǎo)任務(wù)的新概念武器裝備之一，具有持續(xù)作戰(zhàn)能力強(qiáng)、效費比高、反應(yīng)速度快等突出優(yōu)點，受到國內(nèi)外海軍的普遍重視[1-3]。為了擊毀目標(biāo)，艦載高能激光武器必須使激光以最小的光斑、最大的功率密度、最大的能量集中度會聚在瞄準(zhǔn)點上。而在此之前，首先要高精度地捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)目標(biāo)。傳統(tǒng)的末端反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)是依靠跟蹤雷達(dá)或光電跟蹤儀完成對目標(biāo)的跟蹤，其系統(tǒng)誤差可達(dá)到亞毫弧級，這樣的精度是不能滿足高能激光武器的作戰(zhàn)需求的。根據(jù)文獻(xiàn)[4]的理論分析可知，戰(zhàn)術(shù)高能激光武器系統(tǒng)對目標(biāo)的跟瞄精度要求一般需達(dá)到微弧度量級，這比現(xiàn)役艦載跟瞄系統(tǒng)所能達(dá)到的最高精度還要高出近2個量級。

因此，對高機(jī)動目標(biāo)的跟蹤、瞄準(zhǔn)精度是艦載高能激光武器系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)之一，也是未來裝備狀態(tài)鑒定和列裝定型工作的主要考核項目。本文將對艦載高能激光武器動態(tài)精度試驗與評估方法展開研究，為未來開展海上動態(tài)精度外場試驗奠定理論基礎(chǔ)，為試驗保障條件建設(shè)提供技術(shù)參考。

1　動態(tài)精度試驗技術(shù)特點分析

動態(tài)精度試驗是高能激光武器系統(tǒng)海上試驗階段的重要試驗項目，動態(tài)精度的優(yōu)劣直接關(guān)系到武器系統(tǒng)在射擊條件下，高能激光束能否持續(xù)穩(wěn)定地照射目標(biāo)的某一固定位置，從而直接影響系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。動態(tài)精度試驗的目的是考核武器系統(tǒng)在接近實際使用條件下，對典型目標(biāo)的跟蹤、瞄準(zhǔn)的平穩(wěn)性和精度是否滿足研制總要求。

1.1動態(tài)精度指標(biāo)定義新、要求更高

一是定義不同。傳統(tǒng)的末端反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)動態(tài)精度是指在不考慮彈丸外彈道誤差條件下，火炮架位指向的實際值與理論值的誤差，是跟蹤器的跟蹤誤差、火控解算誤差、艦炮隨動誤差、艦艇姿態(tài)誤差等的綜合反映；而高能激光武器動態(tài)精度是指高能激光束終點光斑中心與瞄準(zhǔn)點之間的誤差，同時，由于是光速傳播，火控系統(tǒng)不存在彈道解算和飛行時間預(yù)測誤差。從這一點可以看出，高能激光武器的動態(tài)精度更能直接反映武器系統(tǒng)的終端精度，而艦炮武器系統(tǒng)的動態(tài)精度由于沒有考慮彈丸外彈道誤差，因此只反映了火炮架位的指向精度，并不能直接反映出艦炮武器系統(tǒng)的終端精度(即彈丸對目標(biāo)的精度)。

二是精度指標(biāo)要求高。艦炮武器是利用彈幕對目標(biāo)實施攔截，一般來說其動態(tài)精度的指標(biāo)要求約為幾個毫弧度；而激光武器的高能量光斑集聚區(qū)尺寸很小，要求跟蹤瞄準(zhǔn)精度要能達(dá)到微弧度級的水平，才能使光斑穩(wěn)定落在目標(biāo)某指定點上。而且為了毀傷目標(biāo)，必須在目標(biāo)運(yùn)動和艦艇搖擺的情況下，使激光束精確照射在目標(biāo)的某一點上持續(xù)一定的時間。

1.2基于陣列式探測器的精度測量方法

傳統(tǒng)的艦炮武器系統(tǒng)動態(tài)精度試驗方法，是利用靶場真值測量系統(tǒng)實時測量、錄取目標(biāo)的瞬時位置信息并作為真值參數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后與武器系統(tǒng)測量的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而得到武器系統(tǒng)的動態(tài)精度，并完成精度評估工作的。按照文獻(xiàn)[5]的要求，真值測量系統(tǒng)自身的精度應(yīng)滿足1/3與1/10法則，即真值參數(shù)系統(tǒng)誤差小于1/10被試參數(shù)的系統(tǒng)誤差，真值參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1/3被試參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。由于高能激光武器系統(tǒng)的精度達(dá)到微弧度級，靶場真值測量系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到其精度試驗的需求。因此，艦載高能激光武器系統(tǒng)的動態(tài)精度試驗應(yīng)采用全新的測量手段和方法。

由于武器系統(tǒng)發(fā)射的是在時域和空間域內(nèi)具有持續(xù)特點的激光束，這就使得利用陣列式探測器連續(xù)測量激光束在終點處的光斑強(qiáng)度和位置信息成為可能。在靶機(jī)(或靶彈)上加裝陣列式探測器，通過測量終點處的光斑強(qiáng)度和位置信息，就可以準(zhǔn)確得到武器系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度。因此，在艦載高能激光武器系統(tǒng)的動態(tài)精度試驗中，不需要靶場真值測量系統(tǒng)對靶標(biāo)的位置進(jìn)行精確測量，而只需要測得高能激光束在目標(biāo)終點處的光斑位置即可。

2　動態(tài)精度試驗方法

2.1試驗原理

開展海上動態(tài)精度外場試驗，以加裝陣列式探測器的無人機(jī)為目標(biāo)，目標(biāo)按照預(yù)定航路飛行。高能激光武器系統(tǒng)的搜索雷達(dá)對目標(biāo)進(jìn)行搜索，隨后系統(tǒng)順序完成粗跟蹤、精跟蹤，最后完成激光束的發(fā)射，試驗原理圖如圖1所示。由于是考核精度，不要求武器系統(tǒng)以最高的輸出功率發(fā)射激光束，因此可以適當(dāng)調(diào)節(jié)激光器輸出功率，只要滿足陣列式探測器的測量需求即可。

圖1　高能激光武器系統(tǒng)試驗原理圖

高能激光系統(tǒng)發(fā)射激光束到陣列探測器上，測距系統(tǒng)測量激光傳輸距離，陣列探測器通過采集激光輻照強(qiáng)度時空分布數(shù)據(jù)得到積分光斑的分布，根據(jù)積分光斑分布計算得到積分光斑的質(zhì)心，該質(zhì)心與瞄準(zhǔn)點相對于發(fā)射點的張角即瞄準(zhǔn)精度，測量原理框圖如圖2所示。

圖2　高能激光武器系統(tǒng)靶上瞄準(zhǔn)精度測量原理圖

2.2外場試驗對陣列式探測器的要求

陣列探測器組成包括光電探測器陣列、信號采集處理電路、數(shù)據(jù)采集處理軟件等組成。其測量原理為：激光束直接作用于陣列探測器上的激光束取樣探測單元，探測單元將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)信號采集處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并發(fā)送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，經(jīng)計算和分析，得到光斑強(qiáng)度時空分布及積分光斑強(qiáng)度分布，并實時顯示光斑。

作為高能激光武器系統(tǒng)動態(tài)精度試驗的主要測量設(shè)備，為滿足外場試驗需求，陣列式探測器應(yīng)滿足如下的技術(shù)要求：

1)有效接收口徑應(yīng)根據(jù)激光光斑直徑和瞄準(zhǔn)誤差確定，一般不應(yīng)小于待測激光積分光斑直徑的2倍；

2)空間分辨力應(yīng)小于被測激光積分光斑直徑，建議探測單元尺寸不大于0.5mm；

3)采集幀頻滿足測量要求；

4)可測量接收角大于激光入射角；

5)滿足測量環(huán)境條件要求。

2.3試驗實施步驟

1)將陣列探測器安裝無人機(jī)上；

2)布置好測距系統(tǒng)；

3)按設(shè)備操作規(guī)程要求，確認(rèn)陣列探測器和測距系統(tǒng)的工作狀態(tài)，做好測量前準(zhǔn)備；

4)確定瞄準(zhǔn)點的坐標(biāo)，設(shè)為(x0，y0)；

5)無人機(jī)按照預(yù)定航路飛行，高能激光武器系統(tǒng)對目標(biāo)完成跟蹤，對瞄準(zhǔn)點發(fā)射激光發(fā)射激光束；

6)采集發(fā)射到陣列探測器上的激光強(qiáng)度時空分布數(shù)據(jù)；

7)發(fā)射激光的同時，測距系統(tǒng)測量激光傳輸距離；

8)經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到武器系統(tǒng)動態(tài)精度。

3　動態(tài)精度數(shù)據(jù)處理方法

3.1數(shù)據(jù)處理基本思路

測量中當(dāng)激光傳輸距離變化時，測量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行分段處理，根據(jù)激光傳輸距離將出光過程分為若干時間段，每一時間段內(nèi)距離變化在5%內(nèi)，求出該時間段的瞄準(zhǔn)精度，然后取所有時間段瞄準(zhǔn)精度的平均值作為該次測量的瞄準(zhǔn)精度。

3.2任一積分時間段內(nèi)的瞄準(zhǔn)精度數(shù)據(jù)處理

3.2.1積分光斑質(zhì)心的計算方法

積分光斑質(zhì)心坐標(biāo)按照式(1)-式(3)計算得到：

(1)

(2)

(3)

3.2.2積分光斑質(zhì)心與瞄準(zhǔn)點的偏差的計算方法

積分光斑質(zhì)心與瞄準(zhǔn)點的偏差由式(4)和式(5)計算得到：

(4)

(5)

式中Δxi為第i積分時間段內(nèi)積分光斑質(zhì)心與瞄準(zhǔn)點的x向偏差，mm；x0為瞄準(zhǔn)點x向位置，mm；Δyi為第i積分時間段內(nèi)積分光斑質(zhì)心與瞄準(zhǔn)點的y向偏差，mm；y0為瞄準(zhǔn)點y向位置，mm。

3.2.3激光傳輸距離的計算方法

設(shè)第i積分時間段內(nèi)得到K次激光傳輸距離，分別記為L1,L2,...,LK；則該時間段內(nèi)的平均傳輸距離為

(6)

3.2.4計算瞄準(zhǔn)精度

第i積分時間段內(nèi)的瞄準(zhǔn)精度由式(7)-式(9)計算得出：

(7)

(8)

(9)

3.3出光全過程瞄準(zhǔn)精度計算方法

1)當(dāng)傳輸距離變化較小時

出光過程中傳輸距離變化在±5%內(nèi)時，瞄準(zhǔn)精度由式(7)-式(9)計算得出，式中i=1。

2)當(dāng)傳輸距離變化較大時

將出光全過程分為I段，則瞄準(zhǔn)精度由式(10)-式(12)計算得出：

(10)

(11)

(12)

4　結(jié)束語

本文以艦載高能激光武器為研究對象，系統(tǒng)分析了其動態(tài)精度試驗的技術(shù)特點，在此基礎(chǔ)上，針對其跟蹤瞄準(zhǔn)精度要求高(達(dá)到微弧度級)的實際問題，提出了基于陣列式探測器的試驗和數(shù)據(jù)處理方法，能夠有效完成對高能激光武器動態(tài)精度的試驗與評估，研究成果豐富了試驗理論。

[1]隋江波, 孫東延, 馬樂梅. 艦載激光武器反導(dǎo)作戰(zhàn)使用研究[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 2006, 34(4): 6-9.

[2]蘇毅, 萬敏. 高能激光系統(tǒng)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2004.

[3]孫華燕, 張廷華, 韓意. 軍事激光技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2012.

[4]黃勇, 鄧建輝. 高能激光武器的跟瞄精度要求分析[J]. 電光與控制, 2006, 13(6): 86-88.

[5]黃守訓(xùn), 楊榜林, 等. 艦炮武器系統(tǒng)試驗與鑒定[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2005.

Research on the Dynamic Accuracy Test Method of ShipborneHigh Energy Laser Weapon Based on Array Detector

XIA Quan-guo

(94thdetachment of 92941st troops of PLA, Huludao 125001, China)

The tracking and aiming accuracy of high maneuvering target is not only one of the key performance specifications of shipborne high energy laser weapon system, but also a main check item of future equipment status qualification and type approval. This paper takes shipborne high energy laser weapon as a research object, analyzing the technical characteristics of dynamic accuracy test systematically, considering its high requirement of tracking and aiming accuracy, proposing a test and data processing method based upon array detector, which can perform the dynamic accuracy test and evaluation of high energy laser weapon effectively.

shipborne high energy laser weapon system; dynamic accuracy; array detector; test method

1673-3819(2016)04-0138-03

2016-04-25

2016-05-21

夏全國(1971-) ，男,江蘇南京人，高級工程師，研究方向為裝備試驗學(xué)。

E933.43;TN248

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2016.04.028