對激光近炸引信的無源干擾技術(shù)研究

蘇如意，周遵寧

(1. 中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120；2. 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

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對激光近炸引信的無源干擾技術(shù)研究

蘇如意1，周遵寧2

(1. 中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120；2. 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

隨著激光近炸引信技術(shù)的發(fā)展，其在抗外界干擾方面的性能得到了顯著提高。在了解激光近炸引信抗干擾性能的基礎(chǔ)上，研究了對其進(jìn)行無源干擾的原理及方式。研究表明：雖然激光近炸引信的抗干擾性能得到了提高，但煙幕、氣溶膠和水幕等對其干擾依然有效。

激光近炸引信；無源干擾；煙幕；氣溶膠；水幕

0 引言

激光亮度高、方向性好、單色性好、相干性好，使得應(yīng)用激光作為探測手段的激光近炸引信在探測精度、探測距離、角分辨力、抗干擾能力等許多方面有其特有的優(yōu)點。它的這些特點彌補了無線電近炸引信和紅外近炸引信的不足。20世紀(jì)90年代以來，激光近炸引信已被廣泛應(yīng)用，而有效對抗激光近炸引信的威脅也成為未來戰(zhàn)場上的重要課題。

1 激光近炸引信

1.1 工作原理

激光近炸引信是一種主動型的引信，它本身發(fā)射激光。激光束通常以重復(fù)脈沖形式發(fā)送，光束到達(dá)目標(biāo)后發(fā)生反射，有一部分反射激光被引信接收系統(tǒng)接收變成電信號，經(jīng)過適當(dāng)處理，使引信在距目標(biāo)一定距離上引爆戰(zhàn)斗部[1]。

由激光近炸引信的原理可以看出，其主要任務(wù)是測出光束從發(fā)射瞬間到遇目標(biāo)后反射回來的光波返回到引信處的時間τ0。這樣就可得到彈頭與目標(biāo)之間的距離R，即：

(1)

由式(1)可見，目標(biāo)距離的獲取實際上是對測距回波信號到達(dá)時間的測量。

激光近炸引信按其工作原理可分為主動式和半主動式兩類，目前應(yīng)用多是主動式的。主動式激光近炸引信原理圖如圖1所示。

圖1 主動式激光近炸引信原理圖

對于整個近炸引信系統(tǒng)而言，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生所要求的頻率、能量的激光，并以光束的形式向空間輻射光能量，以空間形成所需的探測場，同時給出同步信號，此時的時刻記為t0；當(dāng)反射光波反回到引信時，接收光學(xué)系統(tǒng)完成由目標(biāo)返回激光的探測、目標(biāo)信號的識別，此時的時刻記為t1。則：

(2)

由(1)、(2)式即可求得彈目之間的距離R。若此距離為近炸引信的啟動距離，導(dǎo)彈就會被執(zhí)行機(jī)構(gòu)引爆，否則導(dǎo)彈將繼續(xù)飛行，直至距離達(dá)到啟動距離。

1.2 抗干擾性能

作用于激光近炸引信的干擾主要有兩類。一類是引信內(nèi)部產(chǎn)生的干擾，包括接收機(jī)的固有噪聲、發(fā)射接收之間的光信號泄漏(發(fā)射系統(tǒng)中強(qiáng)電信號的輻射及通過電源地線耦合到接收系統(tǒng)中形成的干擾)。另一類是外部干擾，包括背景、海浪、雨、霧、雪及云層等自然干擾，還有人工干擾。由于本文主要研究無源干擾，所以只針對外部干擾方面進(jìn)行分析。

傳統(tǒng)脈沖體制的激光近炸引信雖然有優(yōu)良的抗干擾性能和其它優(yōu)越性，但它的優(yōu)越性一般是在減小作用距離、提高工作信噪比、犧牲瞬時性的復(fù)雜信號處理能力等條件下取得的，所以對于外部干擾，脈沖體制沒能從根本上解決抗干擾問題。于是有人提出采用可編程邏輯門陣列器件實現(xiàn)大視場激光近炸引信目標(biāo)識別信息處理系統(tǒng)可有效提高抗云霧干擾性能[2]。也有人提出一種“云霧壓制與邊緣增強(qiáng)復(fù)合探測技術(shù)”。它是用相鄰距離信號相減來抑制云霧雜波干擾和識別真實目標(biāo)存在，消除了因懸浮微粒所引起的虛警探測[3]。還有人提出了一種通過探測回波的偏振信息來解決激光近炸引信抗懸浮粒子干擾問題的新方法[4-5]。北京理工大學(xué)在偽隨機(jī)碼激光引信探測系統(tǒng)方面對背景干擾和有源干擾的抗干擾性做了研究。研究表明其抗干擾性能比較好，尤其在有源干擾方面[6-7]。在激光近炸引信的發(fā)射脈沖寬度方面對抗干擾性能的研究表明,發(fā)射脈沖越窄，激光引信的測距精度越高，目標(biāo)回波特征信息就越豐富，抗干擾能力也更強(qiáng)[8-10]。由于發(fā)射窄脈沖需要的高功率的電源，有人在引信發(fā)射單元的設(shè)計上做了研究[11]。另外有人對雙色激光近炸引信的抗干擾性能進(jìn)行了研究，研究表明該方法可應(yīng)用于引信的抗干擾，在煙霧濃度大時尤為有效[12]。

2 無源干擾的可行性研究

激光近炸引信測距的實質(zhì)是測定激光從發(fā)射到目標(biāo)反射回來的總時間。如果改變這一時間就能起到干擾作用。顯然，如果在彈目之間合適的位置進(jìn)行干擾，就能改變這一時間。對激光近炸引信的對抗通常有兩類：有源干擾和無源干擾。

2.1 有源干擾的局限性

有源干擾技術(shù)由一系列通過輻射、轉(zhuǎn)發(fā)、發(fā)射和吸收光波能量，達(dá)到削弱和破壞對方光電設(shè)備使用性能的技術(shù)措施構(gòu)成。主要有干擾機(jī)、欺騙式誘餌、致盲武器和反輻射激光武器等。有源干擾的對抗要求較多。對于欺騙系統(tǒng)來說，其發(fā)出的信號必須與被干擾的激光信號具有相同波長、脈寬和更高重復(fù)頻率的激光信號；還須調(diào)整其輸出功率，使到達(dá)敵方導(dǎo)引頭的激光欺騙干擾信號高于導(dǎo)引頭的閾值功率；為了配合欺騙式干擾，要對所保護(hù)的目標(biāo)采取激光隱身等技術(shù)來降低目標(biāo)表面的半球反射率，從而使到達(dá)敵方激光導(dǎo)引頭的真實信號功率低于導(dǎo)引頭的閾值功率；對于假目標(biāo)而言，其距所保護(hù)目標(biāo)必須足夠遠(yuǎn)，使被保護(hù)目標(biāo)處于敵方激光武器的殺傷半徑之外等[13]。由于有諸多條件限制，研制周期長，對抗波段窄，對抗效率與可靠性不高，對預(yù)警系統(tǒng)的要求高等問題，所以相對于無源干擾，實現(xiàn)有源干擾難度較大。

2.2 無源干擾的可行性

由于目前激光近炸引信的工作波段是1.06 μm，處于近紅外波段。而大氣中的云霧、煙氣、雨雪等很容易對光束造成影響。煙幕、氣溶膠、水幕等干擾劑粒子(固體微小顆?；蛩?對激光有顯著的消光作用和后向散射作用。消光后，激光近炸引信的接收光學(xué)系統(tǒng)無法接收到接收閾值以上的有效回波，實現(xiàn)遮蔽效果，使被保護(hù)目標(biāo)隱身。引信就無法測定距離完成引爆任務(wù)；后向散射后，激光近炸引信接收到的回波信號，會誤認(rèn)為是目標(biāo)的回波，進(jìn)而對測量距離產(chǎn)生誤判，導(dǎo)致早炸。

由以上分析可知：無源干擾主要是將煙幕、氣溶膠或水幕等人工制造的物質(zhì)施放在被保衛(wèi)目標(biāo)與干擾目標(biāo)之間的傳輸通道上，將被保衛(wèi)目標(biāo)在煙幕等無源干擾物所形成的屏障中隱蔽起來，降低其被探測與識別的機(jī)率，或干擾回波以達(dá)到干擾測距的目的。

3 無源干擾

無源干擾技術(shù)的主要因素有遮蔽波段、衰減率、有效干擾面積、持續(xù)時間、形成時間和使用環(huán)境要求等。其中遮蔽波段與衰減率是決定光電無源材料技術(shù)性能的兩項最重要指標(biāo)，有效干擾面積和持續(xù)時間是衡量無源干擾戰(zhàn)術(shù)使用性能的兩項重要判據(jù)[14]。對于激光還需要增加對其特定波長的后向散射率等指標(biāo)。本文將對煙幕、氣溶膠和水幕的遮蔽波段、衰減率和后向散射率等方面進(jìn)行研究，來表征它們的干擾效果。

3.1 煙幕

煙幕是最主要的無源干擾技術(shù)，是用人工方法造成的在一定時間和范圍內(nèi)起迷?；蛘诒巫饔玫臒熢?。它是靠懸浮于空氣中的固體微粒反射和折射光線而起到干擾作用的。通常的激光干擾材料是碳基(石墨等)干擾粉劑、銅基干擾粉劑和組合型干擾粉劑。組合型干擾粉劑具有干擾波段寬、體積消光系數(shù)大、不導(dǎo)電、相容性好、滯留時間長等特點，對激光的遮蔽率達(dá)到90%以上[15]。由于銅基干擾粉密度大，沉降速率大，一般不單獨使用。

單位體積內(nèi)煙幕微粒多，對入射激光的反射、散射和吸收就越多，激光的透射能力就越弱，不僅會造成目標(biāo)的遮擋和模糊，也會造成激光近炸引信誤輸出目標(biāo)信號的發(fā)生[12]。當(dāng)微粒直徑顯著大于入射光波波長時，微粒使光只產(chǎn)生反射和折射，光入射到煙幕上，一部分由其表面反射，另一部分被折射。當(dāng)微粒直徑顯著小于入射光波波長時，發(fā)生分子散射(瑞利散射)。當(dāng)微粒直徑增大時，微粒對入射光的散射強(qiáng)度迅速增大，便形成粒子散射(米氏散射)。實驗證明：當(dāng)粒子直徑大約與光波波長相當(dāng)時，產(chǎn)生的散射最大。當(dāng)煙幕微粒直徑接近于可見光波長時，煙幕微粒不僅能散射，而且能吸收一部分光。煙幕微粒將光能轉(zhuǎn)化成其他形式的能。所以煙幕微粒對激光傳輸?shù)挠绊懯牵弘S著波長的縮短，造成的散射和衰減吸收會加大。分子散射和粒子散射會具有顯著的區(qū)別，波長較長的光波在煙中的散射和衰減吸收會小很多[16]，遠(yuǎn)紅外波段的激光的散射遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于近紅外波段的激光。所以煙幕粒子的粒度應(yīng)該根據(jù)所對抗的激光波段來選擇，以達(dá)到最佳的散射和衰減吸收效果。

由于1.06 μm波段的激光對煙幕的抗干擾性先天不足，近來各國都在加緊研制遠(yuǎn)紅外波段的激光近炸引信。10.6 μm的激光對煙幕的穿透能力明顯高于1.06 μm的激光。但濃厚煙霧對各波段激光的遮蔽作用都很大，使其透射性大大降低，所以研究高密度的煙幕是的研究方向之一。另外的對抗10.6 μm激光的途徑是尋找其它干擾材料。如含P-O-C鍵的磷酸鋯在9.5 μm～20.5 μm，含Si-O-Si鍵的硅氧烷、硅酸鹽在8.7 μm～10.0 μm都有較強(qiáng)的吸收[17]。AI粉、Cu粉和石墨粉等，由于受紅外輻射的激發(fā)而引起自由電子的運動，從而在8 μm～14 μm大氣窗口區(qū)的紅外活性比較顯著[18]。10.6 μm的激光在紅磷煙幕中透過率較低。石墨煙幕對10.6 μm波長的激光也具有非常優(yōu)異的衰減效果。另外在霧油煙幕中添加石墨發(fā)煙劑以后對10.6 μm激光的消光系數(shù)增加更加顯著[19]。

目前，煙幕裝備系統(tǒng)在主要有發(fā)煙火箭車、煙幕彈和直升機(jī)煙幕系統(tǒng)。發(fā)煙火箭能在10s內(nèi)50～200m的空間內(nèi)形成一道能夠持續(xù)不短于1min的煙幕，能夠完全遮避目標(biāo)。

3.2 氣溶膠

氣溶膠是以人工方法造成的霧云。它是靠懸浮于空氣中的小液滴反射、折射、吸收和散射光線而產(chǎn)生干擾效果的。它屬于液體煙幕的一種，是一種非煙火型的寬波段干擾材料。其干擾波段從可見光到毫米波和雷達(dá)波段，以及1.06 μm和10.6 μm的激光波段。由于水等小液滴的后向散射對激光的影響難以消除，所以是目前對抗激光近炸引信武器的有效手段。氣溶膠不產(chǎn)生任何煙火，且無毒無腐蝕，所以特別適合于在已方陣地上運用。

如圖2所示：設(shè)功率為P0的激光輻射在大氣氣溶膠中傳輸距離L后功率衰減為P并且未出現(xiàn)非線性效應(yīng)，則其透過率服從描述單色光輻射在大氣中衰減的Lambert-Beer定律，即：

(3)

式中，T為傳輸距離L后激光的透過率，P0為激光輻射通過氣溶膠前的功率，P為激光輻射通過氣溶膠后的功率，β為氣溶膠衰減系數(shù)(包括散射和吸收)。

圖2 氣溶膠對電磁輻射的衰減機(jī)理[19]

式(3)表明激光功率隨傳輸光程的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減，因此，如何增加氣溶膠的濃度與厚度是研究的主要內(nèi)容；另外衰減系數(shù)與氣溶膠液滴的粒度和激光的波長有關(guān)，選擇合適粒度的氣溶膠是有效對抗激光的另一項內(nèi)容。美國研制的無色無毒的406B氣溶膠據(jù)稱能有效衰減1.06 μm和10.6 μm波段的激光，對CO2激光的衰減高達(dá)77%。

3.3 水幕

水幕是指水在高壓噴射狀態(tài)下形成的水霧。水分子對激光的吸收作用十分顯著，可造成激光的嚴(yán)重衰減。當(dāng)水霧粒徑在5 μm～15 μm之間時，不僅水霧可保持較長時間，而且對可見光、近紅外以及中紅外波段的隱身效果也好[14]。它對激光的干擾原理與氣溶膠基本相同，但由于水霧一般在目標(biāo)附近施放，所以可以吸收目標(biāo)散發(fā)的部分熱量，減少目標(biāo)紅外輻射強(qiáng)度。這是氣溶膠所不具備的?，F(xiàn)在的水幕可達(dá)幾米或幾十米，但由于激光應(yīng)用波段將向遠(yuǎn)紅外波段發(fā)展，由Lambert-Beer定律可知：更厚的水幕才能起到更好的干擾和隱身的作用。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，水幕主要用于海面艦艇和大型地面目標(biāo)的保護(hù)。王吉心等通過實驗定量模擬了甲板和空氣中施放泡沫-水兩用幕厚度對光衰減效果的影響，研究表明，衰減幅度最高可達(dá)95.8%(空中)與98.4%(甲板表面)[20]，因此，水幕可以對激光近炸引信產(chǎn)生有效的干擾效果。

4 結(jié)束語

雖然激光近炸引信的作戰(zhàn)效率、作戰(zhàn)距離和抗干擾能力都得到了提高。但煙幕、氣溶膠和水幕等光電無源對抗以其成本低、寬波段的遮蔽效果、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中應(yīng)用日益廣泛。發(fā)展高性能的光電無源對抗技術(shù)有很高軍事意義。未來的激光近炸引信將向著準(zhǔn)納秒的超窄激光脈沖、多維成像、遠(yuǎn)紅外波段(如10.6 μm)抗干擾、360°全視角和數(shù)字化(DSP)方向發(fā)展，而光電無源對抗技術(shù)將向著面源化、更寬波段干擾、新型干擾材料(以獲得長時間大面積干擾)等方面發(fā)展?！?/p>

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Research on passive jamming technology of laser proximity fuze

Su Ruyi1, Zhou Zunning2

(1. China Aviation Planning and Design Institute (Group) Co. Ltd., Beijing 100120,China;2. School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China)

With the development of laser proximity fuze technology, anti-jamming performance of laser proximity fuze has been greatly improved. Based on the research of anti-jamming performance of laser proximity fuze, the principle and method of passive jamming are studied. The results show that it is still effective to use smoke, aerosols and water curtain as jamming, although the laser proximity fuze anti-jamming performance has been improved.

laser proximity fuze;passive jamming;smoke;aerosols;water curtain

2016-07-04；2016-09-01修回。

蘇如意(1986-)，男，碩士，從事無源干擾技術(shù)研究。

TN972

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