對無人機(jī)光電系統(tǒng)機(jī)載干擾模式仿真分析

都元松，董文鋒，黎波濤，羅 威

（1.空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 430019；2.解放軍93107 部隊，沈陽 110000；3.解放軍95763 部隊，西藏 日喀則 857000）

0 引言

美國某型高空無人偵察機(jī)自問世以來，多次飛抵我國東部沿海實(shí)施高空偵察，嚴(yán)重威脅我東部沿海重要目標(biāo)的保密安全。該機(jī)種攜帶的機(jī)載任務(wù)設(shè)備主要有合成孔徑雷達(dá)偵察系統(tǒng)、光電偵察系統(tǒng)、電子偵察系統(tǒng)以及雷達(dá)告警、誘餌自衛(wèi)系統(tǒng)等，偵察手段多，偵察精度高，威脅大［1］。為應(yīng)對高空無人偵察機(jī)對我國沿海邊境及重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域偵察，利用強(qiáng)激光干擾技術(shù)對高空無人偵察機(jī)光電偵察實(shí)施有源干擾［2-4］是一種有效的選擇。

實(shí)現(xiàn)對空中目標(biāo)光電偵察系統(tǒng)的強(qiáng)激光干擾，前提是有效發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并進(jìn)行實(shí)時跟蹤［5-7］。由于地對空偵察距離遠(yuǎn)、目標(biāo)小、大氣透過率低、信號特征弱，對于如何能夠進(jìn)行有效的區(qū)域性防護(hù)是目前的一個重難點(diǎn)問題。利用機(jī)載干擾模式實(shí)現(xiàn)空對空強(qiáng)激光干擾高空無人偵察機(jī)光電偵察設(shè)備是目前較為有效的一種干擾手段，干擾機(jī)越高，大氣越稀薄，激光透過性越好，功率利用率高；并且距被干擾飛機(jī)近，且能夠在伴隨飛行中始終實(shí)施干擾，有效干擾時間長。本文就我方重點(diǎn)目標(biāo)防護(hù)區(qū)域、高空無人偵察機(jī)光電探測距離、高空無人偵察機(jī)飛行高度以及干擾機(jī)飛行高度4 個因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析；通過模擬設(shè)定高空無人偵察機(jī)光電探測系統(tǒng)光飽和功率密度，給出了模擬仿真條件下最小干擾激光功率值。

1 機(jī)載干擾模式分析

機(jī)載隨隊干擾模式是利用一架或者多架干擾機(jī)，每架干擾機(jī)固定防護(hù)一個區(qū)域。我方可利用雷達(dá)等主動/被動探測設(shè)備對高空無人偵察機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位，確定其空間三維坐標(biāo)位置、航向及速度，引導(dǎo)我方干擾機(jī)精確控制航線，包括我方干擾機(jī)高度、航速和航向等，使其能夠始終介于高空無人偵察機(jī)光電探測器和被保護(hù)的我方重要目標(biāo)兩者連線之間，如圖1 所示。只要高空無人偵察機(jī)光電偵察設(shè)備對我重要區(qū)域?qū)嵤﹤刹?，我機(jī)載激光干擾設(shè)備就能保證激光束進(jìn)入高空無人偵察機(jī)光電偵察設(shè)備的瞬時偵察視場，對其實(shí)施有效干擾。

圖1 機(jī)載伴飛干擾示意圖

1.1 高空無人偵察機(jī)航線模型

為分析簡便起見，假定高空無人偵察機(jī)沿我方重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域一側(cè)直線飛行實(shí)施高空偵察。假設(shè)高空無人偵察機(jī)光電探測設(shè)備能視閾參數(shù)為：方位ω∈（75°～105°）和ω∈（255°～285°），Δω=30°；滾轉(zhuǎn)φ∈（-80°，80°），Δφ=160°；俯仰∈（-15°，15°），Δ =30°，如圖2 所示。

圖2 高空無人偵察機(jī)光電探測器偵察態(tài)勢圖

圖3 高空無人偵察機(jī)飛行航跡態(tài)勢圖

圖4 高空無人偵察機(jī)對地目標(biāo)偵察態(tài)勢圖

1.2 干擾機(jī)航線模型

圖5 干擾機(jī)對高空無人偵察機(jī)實(shí)施跟蹤干擾態(tài)勢圖

1.3 空對空干擾部署帶模型

圖6 空對空干擾部署帶示意圖

1.4 機(jī)載干擾功率模型

為應(yīng)對高空無人偵察機(jī)光電偵察，采取強(qiáng)激光干擾方式是目前較為有效的干擾方法，實(shí)施機(jī)載干擾最大難點(diǎn)是干擾激光光軸對準(zhǔn)高空無人偵察機(jī)光電探測器，如下頁圖7 所示。其基本條件是干擾機(jī)發(fā)射出的干擾激光功率Pt大于高空無人偵察機(jī)光電探測器飽和閾值Pth，將被視為干擾有效。

圖7 機(jī)載干擾模式態(tài)勢圖

高空無人偵察機(jī)光電探測器接收干擾激光功率受以下幾個因素影響：干擾機(jī)發(fā)射功率Pt，激光發(fā)散角θ，干擾機(jī)距離高空無人偵察機(jī)光電探測器距離R，高空無人偵察機(jī)光電探測器口徑D，高空環(huán)境下大氣傳輸速率。

根據(jù)發(fā)散角指標(biāo)，激光到達(dá)高空無人偵察機(jī)光斑面積為

光斑半徑為

高空無人偵察機(jī)光電探測器處的激光功率密度為

大氣傳播的光束不僅因吸收和散射現(xiàn)象而損失能量，同時也受到大氣湍流的影響。大氣湍流運(yùn)動是由于太陽輻射和各種氣象因素所產(chǎn)生的大氣溫度的微小隨機(jī)變化所導(dǎo)致的大氣風(fēng)速的隨機(jī)變化而形成。大氣溫度變化導(dǎo)致大氣密度的變化從而導(dǎo)致大氣折射率的變化。變化的累積導(dǎo)致大氣輪廓折射率廓形的明顯不均勻性，由此引起光束抖動、強(qiáng)度起伏、光束擴(kuò)展以及像點(diǎn)抖動等大氣湍流效應(yīng)。

大氣湍流對光束特性的影響程度與光束的直徑d 與湍流尺度m 的相對大小有關(guān)。當(dāng)d/m＜＜1 時，湍流的主要作用是使光束產(chǎn)生隨機(jī)偏折；當(dāng)d/m≈1時，湍流的作用是使光束截面發(fā)生隨機(jī)偏轉(zhuǎn)，從而形成到達(dá)角起伏，使光學(xué)系統(tǒng)接收時，在焦平面上出現(xiàn)像點(diǎn)抖動；當(dāng)d/m＞＞1 時，光束截面內(nèi)將包含許多湍流，各自對照射的那一小部分光束起衍射作用，從而使光束強(qiáng)度和相位在空間和時間上出現(xiàn)隨機(jī)分布，光束面積也在增加［8］，如圖8 所示。由以上分析可知高斯光束經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸可類比為均勻分布。

由于對光學(xué)輻射傳輸特性影響最嚴(yán)重區(qū)域是對流層，它集中大氣含量的80 %，也是產(chǎn)生大氣湍流最嚴(yán)重的區(qū)域。為避免因大氣影響而帶來的能量衰減，干擾機(jī)飛行高度應(yīng)盡可能達(dá)到10 km 以上。在國產(chǎn)無人機(jī)中，從載荷能力、航速、飛行高度、滯空時間等條件，“翔龍”無人機(jī)具備裝載激光干擾器、伴飛干擾光電偵察系統(tǒng)的條件。

圖8 光束擴(kuò)展示意圖

假設(shè)高空無人偵察機(jī)光電探測器飽和閾值為Pth，根據(jù)理論分析可知干擾機(jī)最小發(fā)射功率為

由于干擾激光達(dá)到高空無人偵察機(jī)光電探測器時成均勻分布，可得干擾激光光軸向四周最大偏離角θ1為

圖9 干擾激光光軸偏離角

2 仿真與數(shù)據(jù)分析

當(dāng)高空無人偵察機(jī)對我方陣地實(shí)施高空光電偵察時，為確保我方陣地得到有效防護(hù)，采用空對空干擾方式，使得干擾飛機(jī)始終保持在高空無人偵察機(jī)和需要防護(hù)區(qū)域的連線之間。因此，空中將形成對高空無人偵察機(jī)實(shí)施激光主動探測強(qiáng)激光干擾的一條干擾部署活動帶，如圖6 所示。為探究影響干擾部署活動帶區(qū)域范圍的因素，下面就防護(hù)區(qū)域、高空無人偵察機(jī)探測距離、高空無人偵察機(jī)飛行高度以及干擾機(jī)飛行高度4 個方面進(jìn)行仿真分析。

2.1 干擾部署活動帶受防護(hù)區(qū)域影響分析

設(shè)定高空無人偵察機(jī)飛行高度h1=18 km，光電探測距離h2=80 km，我方干擾機(jī)飛行高度h=10 km，仿真分析空中干擾部署活動帶寬度及面積隨不同防護(hù)區(qū)域變化結(jié)果，如圖10 和表1 所示。由圖10可以看出，在高度h=10 km 處干擾部署活動帶寬度及空中被偵測面積在高空無人偵察機(jī)飛行高度、光電探測距離，以及干擾機(jī)飛行高度一定的前提下與被防護(hù)目標(biāo)的邊長成正比關(guān)系。隨著防護(hù)區(qū)域面積的增加，空中干擾部署活動帶寬度及在高度h=10 km處被偵測面積也隨之增大。因此，為實(shí)現(xiàn)對較大區(qū)域目標(biāo)實(shí)施區(qū)域性防護(hù)，勢必改變干擾機(jī)空中部署的方位及架數(shù)。

表1 不同防護(hù)區(qū)域下干擾帶變化范圍

圖10 干擾部署活動帶隨防護(hù)區(qū)域變化散點(diǎn)圖

2.2 干擾部署活動帶受高空無人偵察機(jī)光電探測距離影響分析

設(shè)定高空無人偵察機(jī)飛行高度h1=18 km，地面防護(hù)區(qū)域邊長l=3 km，我方干擾機(jī)飛行高度h=10 km，仿真分析空中干擾部署活動帶寬度及在高度h=10 km 處被偵測面積隨高空無人偵察機(jī)探測距離變化結(jié)果，如表2 所示。由表2 可以看出，干擾部署活動帶寬度不隨高空無人偵察機(jī)光電探測距離的變化而變化，但在高度h=10 km 處被偵測面積隨高空無人偵察機(jī)光電探測距離的變化而變化，且成正比關(guān)系，如圖11 所示。因此，改變高空無人偵察機(jī)光電探測距離，不會影響我方干擾機(jī)部署架數(shù)及飛行航向。但干擾機(jī)初始位置、飛行方位及飛行時間將隨高空無人偵察機(jī)光電探測距離的變化而變化，如圖12 所示。

2.3 干擾部署活動帶受高空無人偵察機(jī)飛行高度影響分析

圖11 干擾部署活動帶隨探測距離變化散點(diǎn)圖

圖12 干擾部署活動帶隨探測距離變化態(tài)勢圖

表2 不同探測距離下干擾帶變化范圍

設(shè)定高空無人偵察機(jī)探測距離h2=80 km，地面防護(hù)區(qū)域邊長l=3 km，我方干擾機(jī)飛行高度h=10 km，仿真分析空中干擾部署活動帶寬度及在高度h=10 km 處被偵測面積隨高空無人偵察機(jī)飛行高度變化結(jié)果，如下頁表3 所示。由表3 和圖13 可以看出，干擾部署活動帶寬度及在高度h=10 km 處被偵測面積隨高空無人偵察機(jī)飛行高度的增高而增大，這勢必會影響我方干擾機(jī)空中防御部署位置甚至增加干擾機(jī)數(shù)量，且當(dāng)高空無人偵察機(jī)飛行高度達(dá)到16 km 高空時，其在高度h=16 km 處被偵測面積變化范圍明顯減小。對我方干擾機(jī)而言，高空無人偵察機(jī)飛行高度越高，越不利于我方干擾機(jī)對其實(shí)施強(qiáng)激光干擾。但由仿真數(shù)據(jù)可得其最大干擾部署活動帶寬度及在高度h=10 km 處被偵測面積，為我方干擾機(jī)實(shí)施空中防護(hù)提供了最大理論防護(hù)范圍，具體干擾區(qū)域變化如圖14 所示。

表3 高空無人偵察機(jī)不同飛行高度下干擾帶變化范圍

圖13 干擾部署活動帶隨高空無人偵察機(jī)飛行高度變化散點(diǎn)圖

圖14 干擾部署活動帶隨高空無人偵察機(jī)飛行高度變化態(tài)勢圖

2.4 干擾部署活動帶受干擾機(jī)飛行高度影響分析

設(shè)定高空無人偵察機(jī)探測距離h2=80 km，地面防護(hù)區(qū)域邊長l=3 km，高空無人偵察機(jī)飛行高度h1=18 km，仿真分析空中干擾部署活動帶寬度及空中被偵測面積隨我方干擾機(jī)飛行高度變化結(jié)果，如表4 所示。由表4 和圖15 可以看出，干擾部署活動帶寬度及空中被偵測面積隨干擾機(jī)飛行高度的增高而減小，其中干擾部署活動帶寬度隨干擾機(jī)飛行高度成正比逐步減小，而空中被偵測面積隨干擾機(jī)飛行高度成指數(shù)倍逐步減小?？芍蓴_機(jī)飛行高度越高，所形成的空中干擾部署活動帶寬及空中被偵測面積越小，越有利于對高空無人偵察機(jī)實(shí)施有效干擾，如圖16 所示。

2.5 機(jī)載干擾激光光軸最大偏離角數(shù)據(jù)分析

由式（1）～式（3）可知，高空無人偵察機(jī)光電探測器接收功率與大氣透過率、激光發(fā)散角、相對距離以及干擾機(jī)激光發(fā)射功率有關(guān)。設(shè)定高空無人偵察機(jī)與干擾機(jī)之間距離R=35 km，激光發(fā)散角θ=0.1 mrad，高空無人偵察機(jī)光電探測器口徑D=0.28m，高空環(huán)境下大氣透過率=0.5。根據(jù)有關(guān)資料數(shù)據(jù)，假設(shè)高空無人偵察機(jī)光電探測系統(tǒng)光飽和功率密度為2.174×10-4W/cm2，改變干擾機(jī)發(fā)射功率，當(dāng)干擾光束光軸對準(zhǔn)光電探測系統(tǒng)時，仿真分析高空無人偵察機(jī)光電探測系統(tǒng)接收到的激光平均功率隨我方干擾機(jī)發(fā)射功率變化結(jié)果，如表5 所示。高空無人偵察機(jī)光電探測系統(tǒng)接收功率密度與干擾機(jī)激光發(fā)射功率成正比。

表4 干擾機(jī)不同飛行高度下干擾帶變化范圍

圖15 干擾部署活動帶隨干擾機(jī)飛行高度變化散點(diǎn)圖

圖16 干擾部署活動帶隨干擾機(jī)飛行高度變化態(tài)勢圖

表5 高空無人偵察機(jī)接收干擾激光功率隨干擾機(jī)發(fā)射功率變化

由式（4）可知，當(dāng)高空無人偵察機(jī)光電探測系統(tǒng)光飽和功率密度為2.174×10-4W/cm2時，干擾機(jī)最小發(fā)射功率為69.721 1 W。

由式（1）、式（2）、式（5）可知，干擾激光光軸與探測系統(tǒng)光軸偏離角受干擾機(jī)激光功率影響，如下頁表6 所示。當(dāng)高空無人偵察機(jī)與干擾機(jī)相距35 km時，其最大偏離角為0.046 mrad。當(dāng)激光光軸偏角大于最大偏離角時，干擾激光不能進(jìn)入高空無人偵察機(jī)光電探測系統(tǒng)，則對高空無人偵察機(jī)光電探測系統(tǒng)干擾無效。

表6 光軸偏離角受高空無人偵察機(jī)與干擾機(jī)之間距離變化影響

3 結(jié)論

本文提出了對高空無人偵察機(jī)光電偵察系統(tǒng)實(shí)施無人機(jī)機(jī)載強(qiáng)激光主動干擾的模式。首先根據(jù)高空無人偵察機(jī)飛行高度、探測距離、飛行速度、俯仰角、橫滾角等各項指標(biāo)，以及輔助情報支援系統(tǒng)對敵我雙方無人機(jī)的跟蹤定位（粗定位），確定敵無人機(jī)飛行位置、軌跡，引導(dǎo)我干擾機(jī)與敵無人機(jī)伴隨飛行，使我干擾機(jī)始終處于敵無人機(jī)與我方被保護(hù)地面目標(biāo)之間；同時，引導(dǎo)機(jī)載強(qiáng)激光干擾系統(tǒng)跟瞄裝備捕獲的光電探測器，對其實(shí)現(xiàn)精跟蹤并實(shí)施及時干擾。為此，構(gòu)建了空間三維坐標(biāo)模型，計算出了機(jī)載模式下空中干擾機(jī)部署活動帶及干擾區(qū)域；通過設(shè)定敵無人機(jī)光電探測系統(tǒng)光飽和功率密度，根據(jù)干擾機(jī)與敵無人機(jī)相對距離、激光發(fā)散角及高空條件下大氣透過率，模擬仿真得出實(shí)現(xiàn)干擾機(jī)對敵光學(xué)探測系統(tǒng)干擾有效的最小發(fā)射功率和激光光軸偏離角。研究模型和結(jié)論可為機(jī)載干擾戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用提供理論支撐。