特種泡沫云對紅外成像反艦導(dǎo)彈的干擾效果分析*

張　磊　黃雁群　焦　力

(1.安徽省蚌埠市燕山路1454號五系　蚌埠　233012)(2.91462部隊(duì)　青島　266104)

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特種泡沫云對紅外成像反艦導(dǎo)彈的干擾效果分析*

張磊1黃雁群1焦力2

(1.安徽省蚌埠市燕山路1454號五系蚌埠233012)(2.91462部隊(duì)青島266104)

特種泡沫云(SFS)是一種新型多波段無源干擾技術(shù)。通過分析其干擾特性和紅外成像反艦導(dǎo)彈的工作原理，建立了特種泡沫云對紅外成像反艦導(dǎo)彈的干擾效果評估模型，給出了干擾試驗(yàn)的驗(yàn)證原理。通過實(shí)例試驗(yàn)，驗(yàn)證了干擾的有效性，表明了評估模型的確切性和實(shí)用性。

特種泡沫云;紅外成像;干擾效果評估;模型

Class NumberTN97

1　引言

隨著精確制導(dǎo)武器的不斷更新變化，其制導(dǎo)方式逐漸由單一模式的制導(dǎo)體制向雙模復(fù)合制導(dǎo)、多模復(fù)合制導(dǎo)發(fā)展，其工作波段逐漸由厘米波向毫米波、可見光、紅外點(diǎn)源、紅外成像等多波段發(fā)展[1]，特別是裝備紅外成像制導(dǎo)設(shè)備、電視制導(dǎo)設(shè)備等的反艦導(dǎo)彈，對水面艦艇構(gòu)成日益嚴(yán)峻的威脅。然而現(xiàn)有的干擾技術(shù)和設(shè)備，普遍存在干擾時(shí)間短、干擾頻段窄、實(shí)施困難等缺點(diǎn)和不足[2～3]，難以實(shí)現(xiàn)對以上目標(biāo)的可靠干擾。為此文獻(xiàn)[4]研究提出了一種基于特種干擾泡沫的新型多波段無源干擾技術(shù)，簡稱為特種泡沫云技術(shù)。特種泡沫云對常用頻段紅外有很強(qiáng)的衰減作用,一般只需幾到幾十厘米厚的泡沫云即可使得常用頻段的紅外制導(dǎo)系統(tǒng)完全失效,可以滿足不同溫度下不同目標(biāo)戰(zhàn)時(shí)實(shí)施干擾的要求[5～6]。特種泡沫云對軍事上常用的3mm、8mm和3cm頻段微波也具有良好干擾效果[7,10]。

鑒于特種泡沫云這種優(yōu)良的干擾特性，文章結(jié)合紅外成像反艦導(dǎo)彈的工作原理，對特種泡沫云對紅外成像反艦導(dǎo)彈的干擾效果進(jìn)行了研究，建立了干擾效果的評估模型，并通過相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證了其干擾效果。

2　干擾有效性分析

工作在紅外成像波段的光電設(shè)備或光電武器統(tǒng)稱為紅外成像設(shè)備。當(dāng)前，紅外成像制導(dǎo)的反艦導(dǎo)彈大部分是被動(dòng)式的成像，通過探測目標(biāo)的熱輻射來發(fā)現(xiàn)、識別跟蹤目標(biāo)，其制導(dǎo)工作原理如圖1所示。

圖1　紅外成像制導(dǎo)組成原理框圖

分析可知，對于這種制導(dǎo)方式的反艦導(dǎo)彈，如果在導(dǎo)引頭和目標(biāo)之間施放一定厚度的特種泡沫云，如圖2所示，使紅外導(dǎo)引頭接收的目標(biāo)輻射發(fā)生變化，那么導(dǎo)引頭對目標(biāo)的識別、跟蹤能力就會(huì)大打折扣，甚至喪失跟蹤的能力，那么反艦導(dǎo)彈也就無法攻擊目標(biāo)。

圖2　特種泡沫云對紅外輻射的遮蔽原理示意圖

實(shí)驗(yàn)證明，紅外輻射是很容易被H2O、CO2吸收的，如雨天、霧天等氣象條件下，紅外系統(tǒng)一般都無法正常工作[8]。在特種泡沫云中，由于特殊的化學(xué)配方，使得泡沫腔內(nèi)充滿了CO2氣體，同時(shí)由于特種泡沫云中顯然還有大量的水分子存在，加上特種泡沫云所含的大量不同粒徑超細(xì)顆粒對紅外光線的吸收、散射(大粒子的米氏散射和小粒子的瑞利散射)，使得它對紅外輻射具有很好的干擾作用。

而紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)正常工作必須具備以下兩個(gè)條件：

1)成像系統(tǒng)能夠接受到足夠強(qiáng)的紅外輻射；

2)目標(biāo)與背景之間應(yīng)有一定的輻射對比度。若用輻射強(qiáng)度表示，其表達(dá)式為

(1)

式中：C為目標(biāo)與背景之間的輻射對比度；It、Ib分別表示目標(biāo)和背景的輻射強(qiáng)度。

由此可見，如果能夠改變目標(biāo)和背景的輻射特性，減少兩者之間的對比度，或者大幅度地衰減進(jìn)入導(dǎo)引頭紅外成像系統(tǒng)的輻射強(qiáng)度，就可以使紅外成像導(dǎo)彈頭系統(tǒng)受到干擾。如果特種泡沫云干擾的強(qiáng)度足夠的大，紅外成像導(dǎo)引頭分辨不出目標(biāo)與背景，導(dǎo)引頭就無法正常工作，干擾即成功。

3　干擾效果評估模型的建立

特種泡沫云對紅外輻射的衰減作用，理論上可稱此作用為消光。消光的實(shí)質(zhì)是特種泡沫云中的氣泡和微粒對紅外光的散射和吸收，從而使入射的紅外光能量損失，使反艦導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭不能拾取足夠能量的輻射信號以區(qū)分目標(biāo)和背景，從而無法對目標(biāo)進(jìn)行有效攻擊。

根據(jù)Mie散射理論的消光模型[9]，一般用透過率τ來描述介質(zhì)的消光能力。按照郎伯—比爾定律，特種泡沫云的透過率τSFS可以表示為

(2)

式中：I0、I分別表示入射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)；αe(λ)為特種泡沫云的質(zhì)量消光系數(shù)；λ為輻射波長；D為特種泡沫云的厚度。

而特種泡沫云的質(zhì)量消光系數(shù)αe(λ)可認(rèn)為是由其質(zhì)量吸收系數(shù)αa(λ)和質(zhì)量散射系數(shù)αS(λ)組成的，即：

αe(λ)=αa(λ)+αS(λ)

(3)

質(zhì)量消光系數(shù)與特種泡沫云的物理特性也是密切相關(guān)的，同特種泡沫云氣泡的大小分布、粒子形狀及取向、粗糙度以及光的波長等多因素相關(guān)。由氣泡的衰減效率因子Qe的定義，可得出衰減效率因子與質(zhì)量消光系數(shù)的關(guān)系為

(4)

式中：E為由于散射和吸收從入射光中損失的能量；A為氣泡的迎光截面積；I0A為透射到該氣泡上的光能量。

衰減效率因子Qe與吸收效率因子Qa和散射效率因子QS存在以下關(guān)系：

Qe=QS+Qa

(5)

在已知輻射波長λ、散射氣泡的半徑r和復(fù)折射率的情況下，根據(jù)米氏理論，可得衰減效率因子Qe、散射效率因子QS和吸收效率因子Qa的表達(dá)為

(6)

(7)

(8)

為了計(jì)算處理的方便，假設(shè)特種泡沫云氣泡均為大小一致的理想球體，則單位體積的特種泡沫云的總消光系數(shù)、散射系數(shù)和吸收系數(shù)為

ki=Pσi=Pπr2Qi(i=e,a,s)

(9)

若特種泡沫云的濃度分布C(l)已知，由朗伯—比爾定律可以求得特種泡沫云的透過率為

(10)

式中：ρ為特種泡沫云氣泡的密度；L為傳輸?shù)木嚯x。

以上推導(dǎo)得出了特種泡沫云透過率的計(jì)算模型，利用Mie散射理論的消光模型，按照特種泡沫云對紅外工作波段的透過率值得大小即可對特種泡沫云的遮蔽效果進(jìn)行具體的評估。

根據(jù)特種泡沫云的透過率τSFS取值將遮蔽效果劃分為如表1所示的四個(gè)等級。

表1　干擾效果評估等級劃分表

4　試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為獲取特種泡沫云對紅外成像系統(tǒng)的干擾圖像，以檢驗(yàn)以上的干擾效果評估模型和驗(yàn)證特種泡沫云的干擾效果，設(shè)計(jì)了原理如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置。

圖3　對紅外成像設(shè)備的干擾試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)用紅外熱像儀采用的是美國FLIR公司生產(chǎn)的ThermaCAM E320型紅外熱像儀，其溫度探測范圍在-20C～+500C，具有4倍變焦，其探測波長范圍為7.5μm～13μm，其實(shí)物如圖4所示。

圖4　Therma CAM E320型紅外熱像儀實(shí)物圖

以下圖5和圖6～圖9分別為無干擾時(shí)的靶標(biāo)紅外熱像圖和特種泡沫云不同透過率時(shí)的靶標(biāo)紅外熱圖。

圖5　無干擾時(shí)的靶標(biāo)紅外熱圖

圖6　τSFS<τ1時(shí)的靶標(biāo)紅外熱圖

圖7　τ1≤τSFS<τ2時(shí)的靶標(biāo)紅外熱圖

圖8　τ2≤τSFS<τ3時(shí)的靶標(biāo)紅外熱圖

圖9　τSFS≥τ3靶標(biāo)紅外熱圖

通過以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，可以明顯看出特種泡沫云的干擾效果，同時(shí)驗(yàn)證了以上基于特種泡沫云透過率對特種泡沫云干擾效果進(jìn)行評估的可行性和確切性。

5　結(jié)語

文章通過對特種泡沫云干擾紅外成像反艦導(dǎo)彈的基礎(chǔ)性研究，建立了基于透過率的干擾效果評估模型，并通過實(shí)例試驗(yàn)，對特種泡沫云的干擾效果和評估模型進(jìn)行了驗(yàn)證。文章的研究成果對于完善特種泡沫云干擾技術(shù)的應(yīng)用研究，加速其向?qū)嵮b實(shí)戰(zhàn)的發(fā)展，都具有重要的價(jià)值。

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Analysis of the Jamming Effects of the SFS on the Infrared Thermograph Anti-Ship Missile

ZHANG Lei1HUANG Yanqun1JIAO Li2

(1.Fifth Department of No.1454 Yanshan Road in Bengbu,Anhui Province,Bengbu233012)(2.No.91462 Troops of PLA,Qingdao266104)

Special foam screen (SFS)is a new multi-band passive interfering technique.Based on the analysis of the jamming characteristic of the SFS and the working theory the infrared thermograph anti-ship missile,the jamming effect evaluation models are formed.Then the testing theory is designed,and according to the example examination,the validity and practicability of modeling methods are indicated.

special foam screen (SFS),infrared thermograph,jamming effect evaluation,model

2016年3月8日,

2016年4月24日

張磊,男,碩士研究生,講師,研究方向：武器裝備作戰(zhàn)使用。

TN97DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.032