空射激光制導武器對艦船隱蔽指示特性研究

宗思光,夏學成,梁善永,章正良

(海軍工程大學電子工程學院,湖北 武漢 430033)

1 概 述

艦載光電對抗系統(tǒng)是艦載綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)的重要分支,隨著國內(nèi)外光電對抗技術飛速發(fā)展以及對抗手段與對抗能力不斷增強,各軍事大國尤其是美國已具有比較完備的艦載光電對抗系統(tǒng),且在電子防護領域中發(fā)揮了重要的作用,已成為艦載裝備電子防護不可或缺的重要手段[1]。

為提高激光精確制導武器對艦船目標攻擊的攻防成功概率,針對特定的艦船目標,研究激光精確制導武器的戰(zhàn)術、技術具有重要的軍事意義。艦船航行過程中,由于螺旋槳攪動產(chǎn)生的空化現(xiàn)象,海面波浪的翻卷、破碎,以及從吃水線部分卷入的大量空氣,會在尾部形成一條含有大量氣泡的氣幕帶,這條氣幕帶就是常說的尾流。艦艇尾流具有范圍大、持續(xù)時間長、且無法消除和模擬的特點。

目前,激光精確制導武器對艦船目標進行攻擊時,多采用直接照射攻擊方法,在與艦載光電對抗系統(tǒng)對抗中,處于不利地位。在空射激光精確制導武器對艦船目標進行攻擊時,可采用激光偏差指示照射,即制導激光束不直接照射指示艦船本體目標,而是照射指示艦船特定區(qū)域的尾流,激光導引頭跟蹤檢測艦船尾流激光散射回波,進而實現(xiàn)對艦船的目標跟蹤檢測,如圖1所示。該方法可使敵方艦船的對抗系統(tǒng)難以及時告警,增大激光制導武器的突防成功機率，從而實現(xiàn)激光制導武器對艦船隱蔽指示。

圖1 激光制導武器對艦船隱蔽指示Fig.1 Laser guided weapons hidden instructions for ship

論文針對艦船尾流激光制導隱蔽指示,研究了艦船尾流氣泡特性模型,結合激光半主動激光制導模式、尾流氣泡激光散射特性模型,建立了空射激光制導武器對近水面層艦船尾流氣泡探測模型。對激光照射不同艦船尾流區(qū)域、不同天氣情況、不同照射角度下散射特性進行了仿真,并給出隱蔽指示方法的基本運用模式。

2 艦船尾流激光隱蔽指示特性建模

2.1 激光隱蔽指示方法

在使用激光制導武器時,利用激光指示器對目標直接進行激光指示會引起敵告警設備的偵察告警,面對敵方采取激光對抗措施影響到我方激光行動時,可以使用激光隱蔽指示方法,即用激光指示器瞄準目標附近的物體以提供一個近似的目標或最初瞄準點。

使用激光隱蔽指示在制導武器彈道的末端,需對制導武器進行修正,一是利用偏差程序,采用偏差瞄準點的方法,但須告知偏差點與目標之間的準確方位和距離；二是利用轉移程序,激光指示器操作人員可以要求將激光移向?qū)嶋H的目標,這時激光指示器必須平穩(wěn)地從偏差點移向目標[2]。

艦船在海水中行駛會在船后形成尾流,艦船尾流的長度可以綿延幾海里甚至幾十海里,具有不可避免、存活時間長、無法消除的特點[3-4],是飛機發(fā)現(xiàn)艦艇并且發(fā)起攻擊的最好線索。使用激光隱蔽指示的方法對艦船尾流進行照射,而不是直接指示艦船本身,可使艦船的光電對抗系統(tǒng)難以及時告警,從而增大激光制導武器命中的成功率。

2.2 艦船尾流特征及模型建立

水面艦船、潛艇以及其他水下航行器運動時不可避免地在水中留下航跡。這些航跡是艦船、航行器運動時對水的擾動以及其推進器的螺旋槳對水的擾動產(chǎn)生的尾流。尾流之所以能夠被清楚的觀察到是由于尾流中存在大量的、各種尺寸的氣泡,這些氣泡的存在使尾流的光透射、吸收和散射特性發(fā)生了變化。由于水中氣泡不斷地上浮、破滅,而且氣泡體積越大,上浮的速度越快,所以到產(chǎn)生尾流艦船的距離不同,尾流中所含氣泡的尺寸不同,因而其對光的透射、吸收和散射性能也不同。

對于艦船尾流中的氣泡場,在給定時刻的氣泡分布,可視作為氣泡空間隨機分布,由大量的氣幕層構成,每一氣幕層都散射光。在每一氣幕層面上隨機分布著大小隨機取值的氣泡,其尺寸在10～2000 μm[3-4]。

艦船尾流主要由不同大小的氣泡組成,并且隨著海水密度和深度發(fā)生變化。尾流內(nèi)氣泡密度分布函數(shù)n(r,z)隨氣泡半徑r和尾流深度z的變化關系可表示為[5]:

(1)

其中,n(r,z)為尾流表面的氣泡數(shù)密度;rpeak為氣泡的峰值半徑;L為氣泡的測深標尺。

由于不同地域海水密度和艦船自身結構的不同,結合參考文獻[5],建立尾流氣泡分布模型如表1所示:艦船尾流沿尾流深度方向分為5層,沿尾流縱向分為6個區(qū)域。尾流中心區(qū)域為尾流5區(qū),尾流遠區(qū)純海水區(qū)域為尾流0區(qū),每個區(qū)域由不同尾流深度層構成[6]。

表1 尾流氣泡尺寸分布模型[6]

以美國國防研究委員會第6局用聲納對15節(jié)航行的驅(qū)逐艦的尾流測量數(shù)據(jù)為依據(jù)[7],可設rpeak=20 μm,rmin=8 μm,rmax=200 μm,尾流時間t=3 min時,L=9 m；令n0=6.0×106m-3。

2.3 空照激光后向散射特性

如圖2所示,若激光指示器發(fā)射總能量為Et的激光,傳播距離Rt后,θz表示入射激光與法線的角度,表示激光對艦船尾流的照射角度。假設目標表面為漫反射面,則在與入射方向夾θc的方向上,距離海水表層Rz的空間某處的激光能量密度中,海水表層被激光照射的面積為ds的面元的單元能量為:

(2)

(3)

式中,E1為ds上目標指示激光入射的能量密度;rt為照射目標表面的散射系數(shù);μ為大氣衰減系數(shù),那么該點總的激光能量密度為:

(4)

式中,St為落在目標表面的光斑區(qū)域。由于艦船尾流激光后向散射發(fā)生的是Mie散射,此時的反射系數(shù)可由下式給出:

rt=NKπR2

(5)

式中,K為實際的散射截面與幾何截面之比,通常取值K=2。由于目標指示激光的光束發(fā)射角很小(一般小于0.5 mrad),因此傳播距離Rt后,目標指示激光的光斑面積仍然很小,可以認為全部光斑落在目標表面,則有:

(6)

由于光斑很小且觀測距離Rz很遠,光斑區(qū)域內(nèi)不同位置對觀測點所張的角度θc可視為近似相等,因此散射回波激光能量密度為:

(7)

圖2 空照激光照射艦船尾流示意圖Fig.2 According to principle of laser detection

3 隱蔽指示方法的仿真及結果分析

采用激光精確制導武器典型機載照射、投彈為例,取目標指示激光的輸出能量Et=200 mJ,激光照射距離Rt=10 km,Rz=10 km。以目標表面的光斑中心為坐標原點,模擬計算了不同條件下散射能量密度的分布情況。其中,Ez會受到海水表面不同區(qū)域的散射系數(shù)rt與不同大氣環(huán)境下大氣衰減系數(shù)μ的影響。

(1)激光指示照射尾流不同區(qū)域特性

通過建立的模型,經(jīng)過計算得到尾流中不同區(qū)域的散射系數(shù)如表2所示。

表2 尾流不同區(qū)域氣泡散射系數(shù)

通過表2中的0～1 m的尾流氣泡散射系數(shù),帶入式(7)中可計算尾流深度在0～1 m時艦船尾流0～5區(qū)域的激光后向散射特性。由于目標指示為機載激光照射,設θz=80°,天氣情況晴,取大氣衰減系數(shù)μ=0.11。

圖3 不同尾流區(qū)域?qū)す馍⑸淠芰康挠绊慒ig.3 Laser scattering characteristics under different wake area

圖3中橫坐標表示入射方向夾角θc的值,縱坐標表示反射光的能量密度Ez。從圖中可以看出,海水中不同區(qū)域由于海水表面散射系數(shù)的不同,導致激光后向散射/反射的能量密度不同。在尾流中心的區(qū)域5具有相對較大的激光反射光能量密度,在距艦船尾部的2～5區(qū)域,激光發(fā)射的能量密度相差較小。當遠離到區(qū)域1,即接近無尾流氣泡的海面狀態(tài)時,激光反射光能量密度衰減較大。在艦船尾流隱蔽指示的使用中,應照射艦船尾流的區(qū)域2～5,避免照射區(qū)域0和區(qū)域1,并且控制入射方向盡量使制導武器的導引頭與入射方向夾角為0°～40°的范圍內(nèi),從而提高隱蔽指示的成功率。

考慮到該計算數(shù)據(jù)為艦船航行后t= 3 min尾流氣泡散射特性,以航行速度為15 kn,我們可以判斷此艦船尾流長度大約為1390 m。此時激光目標指示器照射距艦船尾流0～1000 m處都可形成對尾流的檢測能力,考慮到激光偏差照射的攻擊后期的轉移程序,以及敵艦載激光告警器的激光散射截獲能力,在距離艦船尾流500～600 m處照射,可形成較好的隱蔽指示能力。

(2)不同大氣參數(shù)對激光指示照射性能影響

不同的天氣情況對激光目標指示的制導光區(qū)有較大的影響,甚至會導致導引頭無法識別跟蹤目標。這里選取無云霧、霧天、雨天三種天氣情況進行分析,研究發(fā)現(xiàn)可以采用下面簡單的公式來計算三種天氣情況對激光的衰減系數(shù)[7]。

①大氣能見度較好,無云霧情況下:

(7)

其中,Vm為大氣能見度(km)；λ為激光波長；q為修正因子,取之規(guī)律為若Vm>20 km時,q=1.6,若Vm<6 km時,q=0.585,一般情況下q=1.3。取Vm=15 km,計算得μ=0.110。

②霧:

(8)

其中,Af為經(jīng)驗常數(shù),λ=0.53 μm,Af=2.46,計算得μ=0.255。

③雨天情況下:

μ=0.56Js0.659

(9)

式中,Js為降雨量,以小雨為例,Js=5 mm,計算得μ=1.617。

通過計算三種天氣情況對激光的衰減系數(shù),代入式(7)中可計算尾流深度在0～1 m時艦船尾流區(qū)域5的激光散射特性,其余參數(shù)設置相同,得到圖4所示結果。

圖4 不同天氣條件下尾流激光散射特性Fig.4 Laser scattering characteristics under different weather conditions

圖4中橫坐標表示入射方向夾角為θc的值,縱坐標表示反射光的能量密度Ez。從圖中可以看出,不同天氣情況由于對激光的衰減系數(shù)差異大,激光反射能量密度差異也較大,晴天散射回能量密度最高,霧天和雨天的散射能量密度較低甚至為零,導致接收能量低于導引頭靈敏度而不能正常工作。因此,在實際使用激光制導武器時,應充分考慮天氣影響因素,在天氣情況較為晴朗的氣候條件下使用,確保激光制導的正常工作。

(3)不同照射角度的影響

通過改變機載激光指示器的照射角度,帶入式(7)中可計算尾流深度在0～1 m時艦船尾流區(qū)域5的激光散射特性,其余參數(shù)設置相同,得到圖5所示結果。

圖5 不同照射角度對激光散射特性Fig.5 Laser scattering characteristics under different irradiation angle

從圖5中可以看出,隨著機載激光照射角度θz的增大,散射光的能量密度逐漸增強,并且在大角度照射時,能量密度增加較為顯著。在實際使用激光指示器時,應盡可能增大照射角度,增強反射光的能量密度,使導引頭的作用距離增加。

隨著入射角度θz的增大,反射光的能量密度在逐漸增強,這是因為目標指示激光的漫反射光的分布范圍隨著入射角度θz的增大而減小,在入射總能量不變的情況下,反射光的能量密度也就隨之增強。此外,隨著反射角度θc的增大,反射光的能量密度也在逐漸減小,但是反射角度θc在0～30°范圍內(nèi)時,反射光的能量密度變化較為平緩,在投彈時將激光制導武器投入該范圍內(nèi)的命中概率更高。

4 總 結

空射激光精確制導武器通過對艦船尾流的激光偏差照射、跟蹤、檢測可實現(xiàn)對艦船的隱蔽攻擊,提高與艦載光電對抗系統(tǒng)間的對抗效能。論文提出了激光制導對艦船攻擊的尾流偏差指示方法,建立了空射激光制導武器對近水面層艦船尾流氣泡探測模型。仿真計算了激光照射不同艦船尾流區(qū)域、不同天氣情況、不同照射角度下散射特性,可為新型激光精確制導武器對艦船隱蔽突防打擊提供參考。