港口碼頭防空中激光對(duì)抗裝備的布設(shè)研究*

鄧銀港 宗思光 金嘉旺

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

港口碼頭防空中激光對(duì)抗裝備的布設(shè)研究*

鄧銀港 宗思光 金嘉旺

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

激光對(duì)抗裝備是港口、島礁防御作戰(zhàn)中對(duì)抗激光精確制導(dǎo)武器的主要手段,激光告警、激光假目標(biāo)設(shè)備的布設(shè)對(duì)防御作戰(zhàn)效能有著決定性的影響。論文針對(duì)港口碼頭的地形特點(diǎn)及其光電防護(hù)區(qū)域地表典型特性,研究了激光告警設(shè)備、激光假目標(biāo)反射板以及海面漫反射激光假目標(biāo)布設(shè)方法。對(duì)不同海況條件下海面激光假目標(biāo)形成的干擾空域進(jìn)行了仿真計(jì)算,給出了裝備布設(shè)建議,為港口碼頭防空作戰(zhàn)激光對(duì)抗裝備布設(shè)方案的選擇及優(yōu)化部署等提供支撐。

港口防空; 激光對(duì)抗; 裝備布設(shè)

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Class Number E273

1 引言

自20世紀(jì)60年代激光出現(xiàn)以來(lái),激光與光電子技術(shù)在軍事中的應(yīng)用日益廣泛,目前光電制導(dǎo)武器現(xiàn)已占精確制導(dǎo)武器的80%以上,在空對(duì)地攻擊中大多數(shù)是激光制導(dǎo)模式。在港口、島礁防御作戰(zhàn)中,空對(duì)地激光精確制導(dǎo)武器的攻擊是海軍要地防空中最嚴(yán)重的威脅[1～2]。激光對(duì)抗裝備是海軍港口、島礁要地防空重要的依靠力量,是對(duì)抗激光精確制導(dǎo)武器的主要手段[3～4]。激光對(duì)抗裝備的布設(shè)對(duì)防御作戰(zhàn)效能有著決定性的影響。激光對(duì)抗裝備布設(shè)需針對(duì)不同的防御目標(biāo)類(lèi)型(如港口、碼頭、機(jī)場(chǎng)、指揮所、導(dǎo)彈陣地等)、光電防護(hù)區(qū)域地表狀態(tài)(水泥地面、草叢、泥土、樹(shù)林等)等因素綜合考慮,主要涉及激光假目標(biāo)布站、激光告警裝置的布設(shè)。

論文針對(duì)港口碼頭防空作戰(zhàn)涉及的典型作戰(zhàn)場(chǎng)景,研究激光告警裝置的布設(shè)原則及多臺(tái)激光告警設(shè)備的協(xié)調(diào)布置方法。針對(duì)不同的碼頭類(lèi)型,研究了激光假目標(biāo)反射板以及海面漫反射激光假目標(biāo)布設(shè)方法,對(duì)不同海況條件下激光假目標(biāo)形成的干擾空域進(jìn)行了仿真計(jì)算。

2 碼頭的地形特點(diǎn)及其光電防護(hù)區(qū)域地表特性

碼頭可分為順岸式、突堤式以及墩式島式。順岸式碼頭與岸線平行,應(yīng)用較為普遍,根據(jù)碼頭與岸的連接方式又可分為滿(mǎn)堂式和引橋式兩種[5]。滿(mǎn)堂式碼頭與岸上場(chǎng)地沿碼頭全長(zhǎng)連成一片,其前沿與后方聯(lián)系方便,裝卸能力較大。引橋式碼頭用引橋?qū)⑼缚盏捻槹洞a頭與岸連接起來(lái)。突堤式碼頭與岸線正交或者斜交,主要應(yīng)用于海港,又分為窄突堤碼頭與寬突堤碼頭兩種。前者沿寬度方向是一個(gè)整體,后者沿寬度方向的兩側(cè)為碼頭結(jié)構(gòu),碼頭結(jié)構(gòu)中通過(guò)填筑構(gòu)成碼頭地面。墩式碼頭通過(guò)引橋連接岸與墩臺(tái),不設(shè)引橋的墩式碼頭一般又稱(chēng)為島式碼頭,主要用來(lái)裝卸石油散貨等。

碼頭作為防空作戰(zhàn)的重要防御目標(biāo)之一,其主體碼頭結(jié)構(gòu)是一個(gè)長(zhǎng)條行的平面水泥建筑物,滿(mǎn)堂式碼頭的碼頭結(jié)構(gòu)一側(cè)為陸地,一側(cè)為水面。其陸地一側(cè)可布設(shè)激光引偏假目標(biāo)反射板,而水面一側(cè)無(wú)法布設(shè)；引橋式碼頭與突堤式碼頭的碼頭結(jié)構(gòu)兩側(cè)都是水面,所以在進(jìn)行激光引偏干擾時(shí)無(wú)法布設(shè)假目標(biāo)反射板。但海面可以作為天然的激光反射體,經(jīng)研究海面激光的反射特性為反射光線集中在以鏡面反射方向?yàn)橹行牡囊欢▍^(qū)域內(nèi)。當(dāng)海面風(fēng)速增大時(shí),海面粗糙度變大,海面激光反射光的光強(qiáng)在鏡面反射方向逐漸減弱,而在其他方向逐漸增強(qiáng),反射光線的分布更加分散；當(dāng)入射角度增大時(shí),海面激光反射光的光強(qiáng)在鏡面反射方向逐漸減弱,而在后向反射方向的逐漸增強(qiáng)。在大入射角(掠入射)且海面波浪起伏較小(遮擋效應(yīng)較小)的情況下,反射光線的分布非常分散,各方向上反射光分布較為平均,呈現(xiàn)出漫反射態(tài)勢(shì)[6]。

3 激光對(duì)抗裝備布設(shè)

激光對(duì)抗裝備布設(shè)的效能主要受以下幾個(gè)方面的影響:激光告警器的布設(shè)、漫反射板假目標(biāo)的布設(shè)、光電干擾車(chē)的布設(shè)、光電引導(dǎo)車(chē)的布設(shè)。在布設(shè)時(shí)所有方位角的基準(zhǔn)為北向0°,范圍0°～360°；俯仰角的基準(zhǔn)為水平面,范圍0°～90°。

3.1 激光告警器的布設(shè)

激光告警器用于實(shí)時(shí)截獲、分析、識(shí)別,判明威脅程度,并按預(yù)定的判斷準(zhǔn)則及時(shí)向上發(fā)送威脅信息,使用時(shí)激光告警器布設(shè)在被保護(hù)目標(biāo)的周?chē)?用于警戒來(lái)襲的激光威脅[7]。在無(wú)遮擋條件下,單個(gè)地面激光告警器的有效警戒空間通常略大于2π立體角的半球空間,半球空間的半徑為告警器的散射截獲半徑或者離軸探測(cè)距離(通常為60m)。碼頭的防御面積較大,需要多個(gè)告警器共同完成對(duì)肯能來(lái)襲的激光威脅的警戒。激光告警器布設(shè)的總體要求為能夠探測(cè)從任何可能方位照射碼頭的激光威脅,且能給出正確的方位信息。

合理的布設(shè)要求激光告警器的有效警戒空間包含威脅激光可能來(lái)襲的全部角度空間,基準(zhǔn)方位為0°,水平基準(zhǔn)為0°?？紤]到碼頭為水平的長(zhǎng)條狀建筑,其上并無(wú)凸起物,不會(huì)對(duì)激光告警器形成遮蔽,可認(rèn)為其有效警戒空間為2π立體角的半球空間,因此,警戒空間對(duì)碼頭的覆蓋率可用警戒區(qū)域S對(duì)碼頭M的覆蓋率F來(lái)表示:

(1)

警戒區(qū)域指無(wú)遮擋條件下所有布設(shè)告警裝置合成警戒空間在水平地面上的投影區(qū)域。

警戒區(qū)域應(yīng)完全覆蓋被碼頭,故F應(yīng)等于1。實(shí)際布設(shè)時(shí),由于光電干擾車(chē)及光電引導(dǎo)車(chē)高度會(huì)高于告警器的布設(shè)高度,對(duì)部分告警器產(chǎn)生遮蔽,可在其兩側(cè)同時(shí)布置告警器,實(shí)現(xiàn)警戒空間的互補(bǔ),避免遮蔽空間的存在。

基準(zhǔn)方位的調(diào)整,布設(shè)時(shí)應(yīng)盡量做到基準(zhǔn)方位為北向0°。以便為激光干擾裝備提供正確的威脅方位信息?；鶞?zhǔn)方位偏離北向方位越遠(yuǎn),告警裝置探測(cè)到的威脅方位偏差越大?；鶞?zhǔn)方位通常在 0°～ 360°的方位內(nèi)取值,當(dāng)基準(zhǔn)方位為180°時(shí),完全反向,偏差最大,此后隨著角度的增大,在方位上離北向0°方向反而會(huì)越靠近,接近 360°時(shí),基本沒(méi)影響。假定某告警裝置的基準(zhǔn)方位為θ基,則此基準(zhǔn)方位的告警裝置探測(cè)到的威脅方位偏差可由V基描述，V基越大表示影響越小。

(2)

表1 基準(zhǔn)方位的影響

水平狀態(tài)指告警裝置布設(shè)的水平程度。合理的布設(shè)要求水平基準(zhǔn)為0°。告警裝置水平狀決定著探測(cè)到的來(lái)襲激光束俯仰角的準(zhǔn)確度。對(duì)水平地面布設(shè)的告警裝置而言,其水平姿態(tài)角的最大可能取值范圍為0°～ 45°,實(shí)際布設(shè)時(shí)的俯仰角應(yīng)在0°附近。假定某告警裝置的水平姿態(tài)角為θ水,則此水平姿態(tài)角的告警裝置探測(cè)到的來(lái)襲激光束俯仰角的準(zhǔn)確度可由V水描述:

(3)

V水越大表示準(zhǔn)確度越高。

表2 水平狀態(tài)的影響

碼頭通常為水平結(jié)構(gòu),布設(shè)時(shí)應(yīng)把告警器水平狀態(tài)調(diào)平為0°[8]。

3.2 漫反射板假目標(biāo)的布設(shè)

漫反射板在激光對(duì)抗過(guò)程中充當(dāng)激光假目標(biāo),誘騙來(lái)襲的激光制導(dǎo)武器至假目標(biāo)自身,通過(guò)犧牲自己換取被保護(hù)目標(biāo)的安全。靶板的布設(shè)及反射特性直接決定了引偏光強(qiáng)的空間分布,進(jìn)而影響著干擾的效能甚至成敗。假目標(biāo)靶面的反射特性符合朗伯余弦定律,即無(wú)論干擾激光已何種角度入射到靶面上,反射光在各個(gè)方向上的輻射亮度相同,輻射強(qiáng)度隨反射方向與靶面法線間夾角的余弦變化[9]。當(dāng)這一夾角大于某一值時(shí),反射光強(qiáng)剛好能夠?qū)?lái)襲激光導(dǎo)引頭形成有效干擾,對(duì)應(yīng)的夾角就稱(chēng)為防護(hù)角θts(通常為60°),以靶面上的照射光斑為頂點(diǎn),靶面法線為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸,防護(hù)角θts為邊界形成的圓錐空間即為單個(gè)假目標(biāo)的有效引偏空間,通常為計(jì)算方便,將圓錐引偏空間近似為方位角與俯仰角都為2θts的方錐形引偏空間。假目標(biāo)布設(shè)的總體要求是能夠引偏任何可能方向來(lái)襲的威脅彈體,且被保護(hù)目標(biāo)不被毀傷。

合理的布設(shè)要求假目標(biāo)相對(duì)于被保護(hù)目標(biāo)的方位在可能來(lái)襲的威脅方位鏡像方向附近,且靶面應(yīng)朝向被保護(hù)目標(biāo),假目標(biāo)的有效引偏空間涵蓋彈體可能來(lái)襲的空間角度,假目標(biāo)與被保護(hù)目標(biāo)及已布設(shè)的其他任一子設(shè)備的距離大于毀傷半徑,被保護(hù)目標(biāo)和假目標(biāo)必須在來(lái)襲彈體開(kāi)始激光導(dǎo)引時(shí)均位于導(dǎo)引頭視場(chǎng)內(nèi)。因此,漫反射板的布設(shè)應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下條件[10]:

(4)

(5)

θma-θts<θtw<θma+θts

(6)

max(θmp-θts,0°)<90°-θtp

(7)

3) 多個(gè)假目標(biāo)布設(shè)的基本要求是合成的有效引偏空域包含可能來(lái)襲的威脅方向。其中布設(shè)兩塊漫反射板的具體要求為

θma∈(min(θtw1,θtw2)-θts,max(θtw1,θtw2)+θts)

(8)

上述各式中Rm表示毀傷半徑，ρt表示相對(duì)于被保護(hù)目標(biāo)的距離，Lm表示開(kāi)始激光導(dǎo)引時(shí)的彈體距被保護(hù)目標(biāo)的距離，θmv表示來(lái)襲彈體的接收視場(chǎng)角，rn表示引偏干擾系統(tǒng)中其他子設(shè)備的布設(shè)位置，θta表示相對(duì)于被保護(hù)目標(biāo)的方位角，θma表示來(lái)襲激光的照射方位角，θtw表示假目標(biāo)朝向方位角，θmp表示來(lái)襲激光的照射俯仰角，θtp表示假目標(biāo)朝向俯仰角。

實(shí)際布設(shè)時(shí),只有滿(mǎn)堂式碼頭的碼頭結(jié)構(gòu)陸地一側(cè)可布設(shè)激光引偏假目標(biāo)反射板,通?？罩型{來(lái)自海洋方向,故假目標(biāo)方位在可能來(lái)襲的威脅方位鏡像方向附近,且靶面應(yīng)朝向碼頭,而水面一側(cè)無(wú)法布設(shè)。

引橋式碼頭與突堤式碼頭的碼頭結(jié)構(gòu)兩側(cè)都是水面,所以在進(jìn)行激光引偏干擾時(shí)無(wú)法布設(shè)假目標(biāo)反射板,只能以海面為反射體,誘騙激光精確制導(dǎo)武器。

在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中,激光海面漫反射的光斑覆蓋范圍與入射角度、入射高度和激光束的發(fā)散角等參數(shù)有著極為密切的關(guān)系。

圖1 激光海面漫反射示意圖

圖1中的虛線表示入射激光束的邊緣,曲線表示粗糙海面；Hi為發(fā)射器距離海平面的垂直高度,即發(fā)射高度；Hs為導(dǎo)引頭距離海平面的垂直高度,即接收高度；α為入射光束的發(fā)散角；Ri和Rs分別為激光海面漫反射的入射距離和反射距離；L為入射點(diǎn)到激光器的水平距離；g為入射激光束的寬度；W為海面光斑的直徑。

實(shí)際應(yīng)用中,光電干擾車(chē)上的引偏激光器高度并不高,假設(shè)入射高度Hi=6m,入射光束的發(fā)散角α=1m rad,則隨著入射角度的不同,其他參數(shù)的變化如表3所示。

表3 激光入射海面參數(shù)表

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出,隨著入射角度θi的不斷增大,水平距離L及海面上光斑區(qū)域的面積也不斷增大。在入射角度θi>80之后,隨著入射角度θi的不斷增大,水平距離L及海面上光斑區(qū)域面積的增長(zhǎng)幅度也變得越來(lái)越大,特別是在入射角度θi>89之后,增長(zhǎng)幅度的不斷增加表現(xiàn)的更為明顯。

小角度入射時(shí),水平距離L很小,小于來(lái)襲武器的毀傷半徑,并不能有效地保護(hù)碼頭結(jié)構(gòu),只有入射角足夠大的情況下,才能有效地引偏來(lái)襲激光制導(dǎo)武器。港口內(nèi),由于地形及防波堤的存在,一般波浪起伏較小,一般小于四級(jí)。低掠角入射的情況下(θi>80),當(dāng)海面出現(xiàn)4級(jí)海況或以下條件時(shí),海浪對(duì)激光海面漫反射的遮蔽影響較小。

表4 海況與浪高參照表

圖2 不同海況低掠角入射激光海面漫反射覆蓋范圍

從圖2可以看出,在1～4級(jí)海況下,激光海面漫反射的能量分布以前向?yàn)橹?隨著海面粗糙度的增加,激光海面漫反射的能量分布越來(lái)越均勻,一級(jí)海況下,漫反射覆蓋范圍約為30°,二級(jí)達(dá)到180°,三級(jí)為270°,四級(jí)則是360°。

綜上,在合適的入射角度下,激光在海面的漫反射能產(chǎn)生足夠大的反射光斑,可以作為激光假目標(biāo),起到有效引偏的作用。

3.3 光電干擾車(chē)的布設(shè)

光電干擾車(chē)是激光引偏干擾的信息顯示、干擾決策和干擾激光器的搭載平臺(tái),用于接收、顯示落地器材上傳的激光威脅信息,作出干擾決策(選擇合適的激光假目標(biāo))并驅(qū)動(dòng)干擾激光器發(fā)出與來(lái)襲激光相關(guān)的引偏激光,照射到合適的假目標(biāo)上。光電干擾車(chē)布設(shè)的總體要求為可以接收到告警器上傳的威脅信息,不影響告警器對(duì)激光威脅的警戒能力,同時(shí)能選擇通視條件下的假目標(biāo),且自身方位基準(zhǔn)正確。

光電干擾車(chē)一般直接布設(shè)于碼頭上,由于碼頭的幾何形狀為長(zhǎng)寬比較大的長(zhǎng)方形,一般需要布設(shè)2輛光電干擾車(chē),假目標(biāo)與其同側(cè)光電干擾車(chē)的通視不會(huì)受到影響。布設(shè)時(shí)應(yīng)保證光電干擾車(chē)在假目標(biāo)靶板朝向一側(cè)。光電干擾車(chē)的基準(zhǔn)方位與告警器的基準(zhǔn)方位類(lèi)似,故同樣可用V基描述:

(9)

光電干擾車(chē)方位基準(zhǔn)應(yīng)為北向0°,以便與激光告警器的方位基準(zhǔn)一致。

3.4 光電引導(dǎo)車(chē)的布設(shè)

光電引導(dǎo)車(chē)是激光干擾對(duì)抗系統(tǒng)的情報(bào)支援平臺(tái),用于接收光電干擾車(chē)上上傳的干擾信息并下發(fā)遠(yuǎn)程空情信息,也可根據(jù)上傳,下達(dá)的信息作出綜合干擾決策,充當(dāng)整個(gè)光電干擾系統(tǒng)的決策,顯控中心。光電引導(dǎo)車(chē)使用時(shí)布設(shè)在被保護(hù)目標(biāo)的附近,布設(shè)的總體要求為不影響告警器對(duì)激光威脅的警戒能力,不影響光電干擾車(chē)與靶板之間的通視,且自身水平基準(zhǔn)。

光電引導(dǎo)車(chē)一般直接布設(shè)于碼頭上,位于兩部光電干擾車(chē)之間,不會(huì)影響光電干擾車(chē)對(duì)同側(cè)假目標(biāo)的通視；水平狀態(tài)指光電引導(dǎo)車(chē)布設(shè)時(shí)的調(diào)平程度,合理的布設(shè)要求為水平狀態(tài)為0°,光電引導(dǎo)車(chē)的水平狀態(tài)影響著紅外告警探測(cè)器探測(cè)到來(lái)襲目標(biāo)俯仰角的準(zhǔn)確度,也可由V水來(lái)描述:

(10)

由于碼頭一般呈水平狀態(tài),地形對(duì)光電引導(dǎo)車(chē)的調(diào)平不會(huì)造成大的影響,布設(shè)時(shí)應(yīng)盡可能調(diào)平成0°。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了港口碼頭的地形特點(diǎn)及其光電防護(hù)區(qū)域地表特性,并據(jù)其探討了港口碼頭防空中激光對(duì)抗裝備的布設(shè)問(wèn)題,研究了激光假目標(biāo)反射板以及海面漫反射激光假目標(biāo)布設(shè)方法,對(duì)不同海況條件下激光假目標(biāo)形成的干擾空域進(jìn)行了仿真計(jì)算。給出了裝備布設(shè)時(shí)的建議,對(duì)于港口碼頭防空中激光對(duì)抗裝備布設(shè)方案的選擇及優(yōu)化部署等具有一定的參考價(jià)值。

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Layout Laser Countermeasure Equipment of Port and Terminal of Air Defense

DENG Yingang ZONG Siguang JIN Jiawang

Laser countermeasure equipment is the main method of the laser precision guided weapon in the harbor and reef defense operation, the arrangement of the laser warning and the false target equipment has a decisive influence on the operational effectiveness of the defense. Aiming at the terrain features of the port and the typical characteristics of the surface of the photoelectric protection area, the paper studies the method of the laser warning and the laser false target reflector and the method of the sea surface diffuse reflection target setting. The formation of spatial interference under different sea conditions of sea surface laser false target is calculated and given equipment layout suggestions, support for defense laser equipment layout scheme selection and optimization etc is provided.

port of air defense, laser countermeasure, equipment layout

2016年6月7日,

2016年7月19日

鄧銀港,男,碩士研究生,研究方向:海軍信息對(duì)抗作戰(zhàn)模擬與仿真。宗思光,男,副教授,研究方向:光電對(duì)抗和激光與物質(zhì)互相作用。金嘉旺,男,副教授,研究方向:海軍電子對(duì)抗作戰(zhàn)指揮輔助決策。

E273

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.009