面源紅外誘餌對多元紅外導(dǎo)引頭的干擾效能分析

馬 榜，萬 純，周建波，黃 烽，王 剛，陳 寧

(中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

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面源紅外誘餌對多元紅外導(dǎo)引頭的干擾效能分析

馬 榜，萬 純，周建波，黃 烽，王 剛，陳 寧

(中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

分析多元紅外導(dǎo)引頭的目標(biāo)跟蹤、識別原理及典型的抗干擾措施，提出相應(yīng)的干擾策略和方法。研究面源紅外誘餌對多元紅外導(dǎo)引頭的干擾機理，建立了面源紅外誘餌對多元紅外導(dǎo)引頭的干擾模型，進(jìn)行了干擾效能仿真分析，結(jié)果表明，面源紅外誘餌對多元紅外導(dǎo)引頭具有良好的干擾作用。

多元紅外導(dǎo)引頭；面源紅外誘餌；紅外輻射；干擾效能

0 引言

多元紅外導(dǎo)引頭與傳統(tǒng)的點源型導(dǎo)引頭相比具有較強抗干擾能力，能有效地識別導(dǎo)引頭視場內(nèi)真假目標(biāo)，對空中目標(biāo)構(gòu)成威脅。而面源紅外誘餌彈是一種能模擬目標(biāo)紅外輻射特性、光譜特性、空間散布特征的干擾彈[1]，研究其對多元紅外導(dǎo)引頭的干擾效能十分必要。本文通過分析多元紅外導(dǎo)引頭的抗干擾能力，以及面源紅外誘餌的輻射特征，仿真分析面源紅外誘餌對多元紅外導(dǎo)引頭的干擾效能。

1 多元紅外導(dǎo)引頭抗干擾分析

正交四元紅外導(dǎo)引頭采用的是“圓錐掃描光學(xué)系統(tǒng)+正交四元探測器”的模式，它使導(dǎo)彈具有區(qū)分瞬時視場中多個輻射源的能力。即同軸式反射光學(xué)系統(tǒng)的次反射鏡相對主鏡光軸傾斜一個小角度，陀螺旋轉(zhuǎn)時，像點在光學(xué)系統(tǒng)焦平面上作圓錐掃描，依此掃過四個探測臂，輸出目標(biāo)的脈沖信號，如圖1所示。

圖1 正交四元紅外導(dǎo)引頭工作原理示意圖

1.1 目標(biāo)識別

如圖2所示，當(dāng)像點掃過導(dǎo)引頭的探測臂時，由于探測臂所接受的目標(biāo)能量發(fā)生變化，可得到隨時間變化的幅值幅度電信號，即為目標(biāo)的波形大小。由于存在衍射和像差的原因，其像點是具有一定大小和形狀的彌散圓，且輻射功率分布不均勻，H可認(rèn)為是輻射源在彌散圓上的功率分布H(x)。由于位標(biāo)器的圓錐掃描引起目標(biāo)像點與各探測臂之間的相對運動，只有彌散圓在探測臂上有投影時，才會產(chǎn)生電壓信號。則探測臂上的輻射功率為：

(1)

式中，S為彌散圓在探測臂上的投影面積。

圖2 彌散圓通過探測臂示意圖

令S1(φ1)為圓O1通過探測臂最右端的弓形面積ACB，S2(φ2)為圓O2通過探測臂最左端的超弓形面積A′C′B′，則目標(biāo)彌散圓在探測臂上的實際投影面積為：

(2)

又由式(2)，得到彌散圓投射到探測臂的輻射功率[2]：

I(ωt)=∫H(x)dS1-∫H(x)dS2=I(φ1)-I(φ2) =H(x)r(x)2((φ1-cosφ1sinφ1)-(φ2-cosφ2sinφ2))

(3)

式中，φ1、φ2分別為：

(4)

(5)

通過波形寬度W從背景中識別出目標(biāo)，一般情況下背景信號的寬度W大于1ms，而在距離較遠(yuǎn)時，目標(biāo)的寬度W在0.2～0.8ms之間。導(dǎo)引頭進(jìn)行目標(biāo)識別時，應(yīng)在以上寬度范圍內(nèi)，通過門限和幅值的大小進(jìn)行選擇。

1.2 目標(biāo)跟蹤

1)目標(biāo)的脈沖相位解算

目標(biāo)紅外輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)會聚，成像于探測器的敏感面上。如圖3所示，當(dāng)目標(biāo)正好位于光學(xué)系統(tǒng)的光軸上時(ε=0)，像點軌跡的圓心O′與正交四元探測器中心O重合。像點以等間隔時間掃過R、D、L、U四個探測器，探測器輸出等間隔的脈沖信號，與基準(zhǔn)脈沖信號無相位差，因此脈沖信號無調(diào)制信息，沒有發(fā)出跟蹤指令。當(dāng)目標(biāo)偏離光學(xué)系統(tǒng)光軸某一角度ε時，則像點圓心O′與探測器中心O不重合，O′與O之間的偏離量ρ與誤差角ε的關(guān)系式為[3]：

(6)

式中，f為光學(xué)系統(tǒng)焦距。

圖3 目標(biāo)脈沖的方位示意圖

此時，像點掃過四個探測器的時間間隔不相等。探測器輸出的脈沖信號與各自的基準(zhǔn)脈沖信號存在相位差，即脈沖信號包涵了脈沖調(diào)制信息，脈位信息為：

(7)

式中，ε和θ分別為目標(biāo)相對于探測器的誤差角和方位角。

根據(jù)脈沖的相位關(guān)系，檢測出誤差信號，實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。根據(jù)當(dāng)前周期目標(biāo)相位，設(shè)置下一周期的探測信號波門。該波門信號根據(jù)目標(biāo)信號的寬度調(diào)整，一般情況下遠(yuǎn)小于整周期信號的寬度，在下一周期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，只對波門信號內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。波門寬度的選擇與目標(biāo)波形的寬度、每一周期目標(biāo)運動的最大視線角度等有關(guān)。

2)放大和AGC(自動增益控制)

在飛行過程中，導(dǎo)彈接收到的目標(biāo)紅外輻射能量由于目標(biāo)輻射特性和彈目距離的變化會有幾個量級的差別，因此需要具有變增益能力以補償這種變化，使信息處理系統(tǒng)能夠在相對穩(wěn)定和準(zhǔn)確的輸入下工作。由于彈目距離變化而導(dǎo)致的調(diào)制信號幅度的變化可達(dá)數(shù)百倍；目標(biāo)加力或?qū)棿蠼嵌雀櫟葼顟B(tài)的變化會造成視場內(nèi)目標(biāo)紅外輻射能量的變化。但當(dāng)導(dǎo)彈判斷進(jìn)入抗干擾狀態(tài)時，需要凍結(jié)放大AGC的放大倍數(shù)，避免目標(biāo)和誘餌分離時，由于目標(biāo)紅外紅外輻射強度低于門限而無法檢測到目標(biāo)。

1.3 抗干擾能力分析

紅外干擾彈開始投放時與目標(biāo)重合，然后逐漸與目標(biāo)分離。在跟蹤過程中，如果目標(biāo)波形的幅值突然增大，導(dǎo)引頭處于可能被干擾狀態(tài)，此時導(dǎo)引頭仍然跟蹤幅值增大后的波形，同時記憶幅值增大前的波形。當(dāng)目標(biāo)和干擾分離時，導(dǎo)引頭檢測到2個波形，通過與幅值增大前的波形相比較，波形相近的為真實目標(biāo)并進(jìn)行跟蹤，導(dǎo)引頭恢復(fù)到正常跟蹤狀態(tài)并等待下一個干擾的出現(xiàn)[4]，如圖4所示。

圖4 抗干擾識別圖

結(jié)合多元紅外導(dǎo)引頭的抗干擾能力，主要分析基于輻射、脈沖寬度、運動差異的抗干擾技術(shù)，以及視場收縮的抗干擾技術(shù)[5]，并提出相應(yīng)的干擾策略。

1)輻射特性差異

紅外干擾彈在起燃0.5s左右達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，此時的輻射強度最大。當(dāng)目標(biāo)和紅外干擾彈的脈沖分開時，導(dǎo)引頭視場內(nèi)紅外干擾彈脈沖信號幅值明顯大于目標(biāo)脈沖信號幅值，目標(biāo)識別算法剔除幅值較大的脈沖信號。抗干擾分析：要求紅外干擾彈在有效作用時間內(nèi)輻射強度維持在一定范圍內(nèi)，盡可能地與目標(biāo)的輻射強度變化一致。如果能夠在導(dǎo)引頭瞬時視場內(nèi)形成持續(xù)干擾源，就能使多元紅外導(dǎo)引頭一直處于抗干擾模式，或者目標(biāo)和干擾分離時，使導(dǎo)引頭無法通過輻射強度差異識別出目標(biāo)。

2)脈沖寬度差異

當(dāng)彈目距離較近時，導(dǎo)引頭視場內(nèi)目標(biāo)和紅外干擾彈的像點特征明顯，信號脈沖寬度差異大。導(dǎo)引頭可以通過脈沖寬度差異，選擇最接近目標(biāo)脈沖寬度的信號進(jìn)行跟蹤?？垢蓴_分析：要求紅外干擾彈具有一定的擴散面積，能夠形成與目標(biāo)輻射特征相似的像點，或者某時刻導(dǎo)引頭視場內(nèi)目標(biāo)與紅外誘餌彈的像點重合，導(dǎo)引頭無法通過脈沖寬度進(jìn)行識別。

3)運動特性差異和視場收縮

當(dāng)輸出脈沖幅值和寬度都較接近時，為鑒別紅外干擾彈的存在，導(dǎo)引頭能記憶目標(biāo)上一周期的位置或識別目標(biāo)和紅外干擾彈位置和速度差異，然后通過脈沖相位的差別來區(qū)分目標(biāo)和紅外干擾彈。同時導(dǎo)引頭采用了軟件波門技術(shù)將跟蹤視場縮小為1°左右，紅外干擾彈只有處于縮小后的跟蹤視場中才能對導(dǎo)彈起干擾作用?？垢蓴_分析：由于紅外干擾彈在導(dǎo)引頭跟蹤視場內(nèi)相對速度大于目標(biāo)，其信號脈沖比目標(biāo)信號脈沖更偏離基準(zhǔn)信號。紅外干擾彈只有選擇適當(dāng)?shù)耐斗艜r間和方向，保證進(jìn)入導(dǎo)引頭收縮視場內(nèi)，脈沖相位距基準(zhǔn)脈沖距離比目標(biāo)要近，才能成功干擾導(dǎo)引頭。

2 面源紅外誘餌干擾模型

面源紅外誘餌是目前最有效的紅外干擾手段之一。面源紅外誘餌釋放后其內(nèi)部的大量燃燒單元迅速擴散、燃燒，形成具有一定形狀和灰度分布的輻射區(qū)域，可以模擬飛機輻射分布[6-7]。首先對面源紅外誘餌進(jìn)行建模仿真，主要分為誘餌運動模型和誘餌輻射特性研究兩個方面。

2.1 運動特性建模

本文研究的面源紅外誘餌是一種有若干燃燒單元組成的擴散體。因此首先要對面源紅外誘餌的運動擴散特性進(jìn)行研究。

1)單個燃燒單元的質(zhì)心運動學(xué)方程

設(shè)m表示單個燃燒單元的質(zhì)量，a表示單個燃燒單元質(zhì)心的加速度矢量，∑F為作用在單個燃燒單元上的外力矢量和。則在地面坐標(biāo)系中單個燃燒單元的質(zhì)心方程為：

(8)

在單個燃燒單元坐標(biāo)系下，加速度a表示為：

a=dv/dt=d(vxi+vyi+vzk)/dt

(9)

vxi+vyi+vzk=(dvx/dt)i+(dvy/dt)j+(dvz/dt)k+vx(di/dt)+vy(dj/dt)+vz(dk/dt)=(?v/?t)+ωv

(10)

式中，ω為單個燃燒單元坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度。

將式(10)代入式(9)中，投影到三個坐標(biāo)軸上分量為：

(11)

單個燃燒單元的運動要考慮轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動方程為[8]：

dL/dt=Mxy

(12)

式中，Mxy為單個燃燒單元所受合力對質(zhì)心產(chǎn)生的力矩和；L為單個燃燒單元轉(zhuǎn)動時對單元質(zhì)心產(chǎn)生的動量矩，其積分表達(dá)式為：

(13)

式中，r為單個燃燒單元上微元的受力半徑。

[9]介紹的方法，得到單個燃燒單元在不同情況下所受氣動力和力矩，代入以上方程式，可以求得單個燃燒單元飛行速度v隨時間的變化規(guī)律。

2)單個燃燒單元的運動學(xué)方程

建立單個燃燒單元的運動學(xué)方程，表達(dá)式為：

(14)

通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，求得單個燃燒單元的運動方程為：

(15)

由單個燃燒單元的運動學(xué)方程，求出方程右邊的參數(shù)，給定單個燃燒單元的初始空間位置，就能得到單個燃燒單元的空間位置(xg,yg,zg)隨時間變化的規(guī)律。

對于面紅外誘餌整體的擴散運動仿真，首先設(shè)定若干燃燒單元的初始速度飛行姿態(tài)服從一定的概率分布，然后解算其運動方程，得到面源紅外誘餌擴散分布。假定載機飛行高度為8km，飛行速度為200m/s。初始速度和飛行姿態(tài)服從U(25,35)的均勻分布，得到3s時刻面源紅外誘餌三維分布散點圖如圖5所示。

圖5 3s時刻面源紅外誘餌三維分布散點圖

2.2 輻射特性計算

面源紅外誘餌的輻射模型由材料的物理性能和化學(xué)反應(yīng)、空氣氣流的熱交換以及誘餌擴散規(guī)律等決定。由于燃燒反應(yīng)物質(zhì)有限，面源紅外誘餌的輻射隨時間必然是一個先增大后減小的過程，描述這個過程的重要參數(shù)是起燃時間和燃燒持續(xù)時間。分別計算單個燃燒單元3～5μm和8～14μm兩個波段下的正側(cè)方紅外輻射強度隨時間的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 不同波段下的單個燃燒單元輻射強度仿真結(jié)果

結(jié)合整體的擴散運動模型，可以得到面源紅外誘餌的輻射特征，為干擾多元紅外導(dǎo)引頭提供技術(shù)支持。

2.3 干擾機理分析

面源紅外誘餌被目標(biāo)機投射后，能在其附近形成與被保護(hù)目標(biāo)相似的紅外輻射圖像，誘騙多元紅外導(dǎo)引頭丟失跟蹤目標(biāo)。為了使面源紅外誘餌能夠有效對抗多元紅外導(dǎo)引頭，必須保證：控制起燃時間在0.5s以內(nèi)；形成的紅外輻射強度盡量與目標(biāo)一致，紅外輻射光譜分布相似；擴散圖像保證在有效的持續(xù)時間內(nèi)，形成對目標(biāo)的遮擋或融合。

面源紅外誘餌對抗多元紅外導(dǎo)引頭，需根據(jù)多元紅外導(dǎo)引頭的抗干擾能力和彈目距離，選擇適當(dāng)?shù)臅r機。當(dāng)導(dǎo)彈距離目標(biāo)較遠(yuǎn)時，目標(biāo)和面源紅外誘餌在多元紅外導(dǎo)引頭視場內(nèi)呈現(xiàn)點目標(biāo)特征，導(dǎo)彈主要通過脈沖幅值和運動特性差異進(jìn)行識別和跟蹤。面源紅外誘餌在導(dǎo)彈發(fā)射后，應(yīng)盡可能地投放誘餌落到導(dǎo)引頭視場內(nèi)，控制投放間隔，保證誘餌的脈沖輻射和運動軌跡相似于被保護(hù)目標(biāo)。當(dāng)彈目距離較近時，多元紅外導(dǎo)引頭能通過辨識目標(biāo)和誘餌彈的脈沖寬度，識別出干擾源。此時應(yīng)通過控制面源紅外誘餌的投放數(shù)量和間隔，保證誘餌的像點遮擋或融合目標(biāo)像點，欺騙導(dǎo)引頭偏離目標(biāo)。

3 仿真分析

3.1 導(dǎo)彈導(dǎo)引和運動模型

導(dǎo)引律是指導(dǎo)彈按照一定規(guī)律飛行，控制導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的運動軌跡。常用的是比例導(dǎo)引法，即導(dǎo)彈速度矢量的轉(zhuǎn)動角速度和視線的轉(zhuǎn)動角速度正比關(guān)系，其比例系數(shù)為N。

(16)

導(dǎo)彈運動模型和目標(biāo)的運動模型不是本文研究的重點，可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

3.2 干擾評價模型

為評價面源紅外誘餌的干擾效率，用干擾情況下導(dǎo)彈的命中率作為干擾指標(biāo)。定義導(dǎo)彈脫靶量R為命中率統(tǒng)計的性能指標(biāo)[10]：

R=((xp-xm)2+(yp-ym)2+(zp-zm)2)1/2

(17)

式中，(xp,yp,zp)為目標(biāo)的質(zhì)心坐標(biāo)，(xm,ym,zm)為導(dǎo)彈的質(zhì)心坐標(biāo)。

(18)

(19)

式中，L為飛機長度，H為飛機高度，W為飛機翼展。

3.3 仿真結(jié)果分析

仿真初始條件設(shè)為飛機飛行高度為9000m，飛行速度為200m/s，飛行方向沿x軸方向。導(dǎo)彈為多元紅外導(dǎo)彈，導(dǎo)引頭視場角為3°×3°，偏航角0°，俯仰角0°。面源紅外誘餌投放速度為30m/s。設(shè)彈目距離為5000m時導(dǎo)彈來襲，目標(biāo)機分別在不同時機投放單枚面源紅外誘餌，以及投放不同數(shù)量的面源紅外誘餌，仿真結(jié)果如圖7～12所示。

分別對面源紅外誘餌釋放的每個時刻進(jìn)行1000次仿真，統(tǒng)計結(jié)果計算導(dǎo)彈命中率，如表1、圖13、圖14所示。

圖7 未投放面源紅外誘餌仿真軌跡圖

圖8 導(dǎo)彈發(fā)射時投放1枚面源紅外誘餌仿真軌跡圖

圖9 發(fā)射0.5s后投放1枚面源紅外誘餌仿真軌跡圖

圖10 發(fā)射1s后投放1枚面源紅外誘餌仿真軌跡圖

圖11 目標(biāo)機投放2枚面源紅外誘餌仿真軌跡圖

圖12 目標(biāo)機投放4枚面源紅外誘餌仿真軌跡圖

枚數(shù)投放時機導(dǎo)彈發(fā)射后0s(5000m)導(dǎo)彈發(fā)射后0．5s(4500m)導(dǎo)彈發(fā)射后1s(4150m)導(dǎo)彈發(fā)射后1．5s(3450m)導(dǎo)彈發(fā)射后2s(2750m)09595．89696．696．9140．946．359．762．367．6218．521．1///413．215．6///612．714．1///

圖13 投放時間對單枚面源紅外誘餌干擾效能影響

圖14 投放數(shù)量對面源紅外誘餌干擾效能影響

分析仿真結(jié)果可知，從投放時機和數(shù)量上看，當(dāng)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈跟蹤時立即投放面源紅外誘餌干擾效果最好，隨著彈目距離的逼近，面源紅外誘餌的干擾成功率降低。同時隨著投放數(shù)量的增加，導(dǎo)彈命中率越來越低，但從4枚到6枚導(dǎo)彈命中率降低不顯著，考慮到經(jīng)濟(jì)性，投放4枚面源紅外誘餌干擾效能最優(yōu)。

在導(dǎo)彈發(fā)射初期，由于彈目距離較遠(yuǎn)，目標(biāo)的紅外輻射受大氣衰減嚴(yán)重，多元紅外導(dǎo)引頭只能接收到微弱的目標(biāo)信號，沒法完全記憶目標(biāo)的輻射特征。面源紅外誘餌能模擬目標(biāo)的輻射特征，剛開始面源紅外誘餌與目標(biāo)的像點重合或者部分遮擋，當(dāng)目標(biāo)和誘餌分離時，導(dǎo)引頭很難分辨目標(biāo)和誘餌的信號脈沖幅值，往往選擇幅值強度略大的面源紅外誘餌為跟蹤點，造成導(dǎo)彈脫靶。隨著彈目距離的逼近，多元紅外導(dǎo)引頭能清晰識別目標(biāo)的信號脈沖，面源紅外誘餌與目標(biāo)分離時，也能形成誘騙干擾，但相對于導(dǎo)彈發(fā)射初期，面源紅外誘餌干擾效率降低。

投放多枚面源紅外誘餌能增大面源紅外誘餌的輻射面積，保證面源紅外誘餌能長時間和目標(biāo)輻射特征重合，使多元紅外導(dǎo)引頭一直處于抗干擾狀態(tài)，導(dǎo)彈無法正常跟蹤目標(biāo)。目標(biāo)和導(dǎo)彈分離時，多元紅外導(dǎo)引頭視場內(nèi)存在多組與目標(biāo)脈沖寬度相似的干擾源信號，增大導(dǎo)引頭處理信號的難度，使面源紅外誘餌的干擾成功概率增大。

4 結(jié)束語

本文從多元紅外導(dǎo)引頭的識別和跟蹤原理出發(fā)，分析對其有效的干擾策略，通過建立面源紅外誘餌的干擾模型，仿真導(dǎo)彈、飛機和面源紅外誘餌的對抗過程，驗證面源紅外誘餌對抗多元紅外導(dǎo)引頭的干擾策略。統(tǒng)計分析多次仿真結(jié)果，得出結(jié)論：面源紅外誘餌對多元紅外導(dǎo)引頭具有很好的干擾效果，并且在導(dǎo)彈發(fā)射初期投放4枚面源紅外誘餌干擾效果最佳。■

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Interference effectiveness of surface-type IR decoy to multi-element IR missile seeker

Ma Bang, Wan Chun, Zhou Jianbo, Huang Feng, Wang Gang, Chen Ning

(No.8511 Research Institute of CASIC，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

The target tracking, recognition principle and typical anti-interference measures of multi-element IR missile seeker are analyzed, and corresponding strategies and methods are put forward. Jamming mechanism of surface-type IR decoy to multi-element IR missile seeker is studied, interference models of surface-type IR decoy to multi-element IR missile seeker are established, and interference effectiveness is analyzed. Analysis results show that it has good interference effect.

multi-element IR missile seeker; surface-type IR decoy; IR radiation; interference effectiveness

2016-04-18；2016-09-12修回。

馬榜(1987-)，男，助工，碩士，主要研究方向為紅外對抗仿真。

TN972；TN976

A