無人機(jī)光電對抗技術(shù)研究

于周鋒，王惠林

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

在未來電子戰(zhàn)中奪取光電武器主動權(quán)，對奪取戰(zhàn)場主動權(quán)產(chǎn)生極其重大的影響。電子戰(zhàn)尤其是光電對抗武器對現(xiàn)代國防力量的影響完全不同于常規(guī)武器，它更具有全局性、決定性和時間性[1]。近年來電子信息、人工智能、電子電磁等技術(shù)在武器裝備中的滲透和使用，使得武器裝備智能化程度越來越高，光電對抗環(huán)境越來越復(fù)雜，常規(guī)的情報獲取、目標(biāo)偵察[2]、目標(biāo)打擊[3]、抗干擾和打擊的作戰(zhàn)效能愈加受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[4]。同時也給戰(zhàn)場帶來了無人化、智能化武器裝備的新型作戰(zhàn)威脅。

無人機(jī)以其機(jī)動性強(qiáng)、無人化、擴(kuò)展性廣[5]、高效費(fèi)比等獨(dú)特優(yōu)勢[6]，逐漸在光電對抗領(lǐng)域嶄露頭角。探索無人機(jī)搭載光電對抗系統(tǒng)，發(fā)展小型化、輕型化、標(biāo)準(zhǔn)化智能光電對抗系統(tǒng)成為新興的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，為奪取戰(zhàn)爭主動權(quán)提供了強(qiáng)有力的保證，從戰(zhàn)場傳統(tǒng)武器平臺對抗走向智能化對抗和體系化對抗[7]。

1 光電對抗技術(shù)分類及作用

光電對抗實(shí)質(zhì)是電子對抗向光頻譜段的延伸，光波是一種電磁波，具有頻率高、速度快、可重復(fù)使用、方向性好、相干性優(yōu)良等諸多優(yōu)點(diǎn)。利用無人機(jī)搭載光電對抗武器裝備，可實(shí)施戰(zhàn)場偵察，對敵方光電制導(dǎo)武器或光電偵察裝備進(jìn)行攻擊和干擾，降低或打擊其作戰(zhàn)效能，保護(hù)己方免遭敵方攻擊和干擾。因此光電對抗是交戰(zhàn)雙方在光波段的攻防對抗，可劃分為光電對抗偵察與干擾及反光電對抗與干擾2個方面，按光波段分類可分為：激光對抗、可見光對抗、紅外對抗。光電波段分布如圖1所示，光電對抗武器裝備分類如圖2所示。

圖1 光電波段分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of photoelectric wave band distribution

圖2 光電對抗分類Fig.2 Photoelectric countermeasure classification

2 基于無人機(jī)平臺的光電對抗技術(shù)

2.1 概述

光電對抗在戰(zhàn)爭中的重要性與必要性已愈來愈突出，無人機(jī)的軍事價值伴隨其技術(shù)的迅速發(fā)展展現(xiàn)出巨大的潛力。無人機(jī)作為光電對抗技術(shù)的應(yīng)用平臺，本文將從以下3個方面闡述無人機(jī)在光電對抗技術(shù)中的應(yīng)用。

2.2 無人機(jī)在光電偵察告警中的應(yīng)用

光電偵察告警是通過光電手段對敵方光電設(shè)備進(jìn)行偵察，確定其位置，探測其技術(shù)參數(shù)，并提供情報和發(fā)出告警，它是對敵方進(jìn)行攻擊與實(shí)施有效干擾的基礎(chǔ)，是光電對抗系統(tǒng)的重要組成，具有隱蔽性好、體積小和質(zhì)量輕的優(yōu)勢[8]。目前光電偵察告警方式主要有紅外告警、激光告警、紫外告警、光電復(fù)合告警等[9]。紅外告警以無源方式，被動探測敵方來襲目標(biāo)及光電制導(dǎo)武器進(jìn)行告警，具有探測目標(biāo)范圍廣、定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢[10]。激光告警針對戰(zhàn)場上機(jī)載激光測距機(jī)、激光制導(dǎo)武器等激光威脅源，以被動方式及時準(zhǔn)確探測敵方激光輻射，確定威脅方向，對其干擾或摧毀。紫外告警在太陽輻射背景下檢測微弱的紫外光信號，探測武器裝備發(fā)出的220 nm～280 nm波段的紫外線[11]。光電偵察告警的載體有衛(wèi)星、直升機(jī)、艦船等，其各有優(yōu)缺點(diǎn)，例如衛(wèi)星費(fèi)用昂貴，軌道容易預(yù)測，幾乎沒有防御能力等；直升機(jī)成本高，一旦被發(fā)現(xiàn)容易造成人員傷亡；艦載光電偵察設(shè)備受地球曲率、以及低層大氣衰減等影響，其探測距離有限。各類光電偵察告警平臺有其自身特點(diǎn)和局限，如表1所示。

表1 不同光電告警方式性能對比Table 1 Performance comparison of different photoelectric warning modes

無人機(jī)光電偵察告警擴(kuò)展了光電對抗技術(shù)的廣度與深度，在實(shí)戰(zhàn)中極大地提高了作戰(zhàn)能力。無人機(jī)搭載光電偵察告警裝備可對重要區(qū)域、重要目標(biāo)，以及人員很難進(jìn)入的復(fù)雜環(huán)境等承擔(dān)自衛(wèi)與防護(hù)，實(shí)時反饋戰(zhàn)場的偵察信息，擴(kuò)大覆蓋偵察告警范圍，延伸探測距離，使用高效靈活，并且?guī)缀醪粫腥藛T傷亡的風(fēng)險。例如美軍的“F-35”、“先鋒”、“敢死蜂”等無人機(jī)，美軍及北約的“捕食者”、“獵人”等無人機(jī)在多次實(shí)戰(zhàn)中，成功執(zhí)行了偵察和長時間戰(zhàn)場監(jiān)視、電子對抗、戰(zhàn)況評估等任務(wù)，起到了有人機(jī)無法替代的作用。圖3為F-35光電告警示意圖，圖4為紅外偵察告警圖像。

圖3 F-35 光電告警示意圖Fig.3 Schematic diagram of F-35 photoelectric warning

圖4 紅外偵察告警圖像Fig.4 Infrared reconnaissance warning image

2.3 無人機(jī)在電子壓制和干擾中的應(yīng)用

無人機(jī)搭載電子壓制和干擾系統(tǒng)，在戰(zhàn)前或戰(zhàn)中承擔(dān)電子壓制和干擾任務(wù)，實(shí)施電子偵察、電子干擾，對武器指控、通信、感知系統(tǒng)進(jìn)行精確電子壓制。在防空壓制中，無人機(jī)實(shí)施電子干擾可擴(kuò)大干擾距離，增強(qiáng)干擾效果，使得敵方防空信息網(wǎng)視聽混淆，判斷出錯，達(dá)到壓制的目的。常用無人機(jī)電子干擾技術(shù)如圖5所示。

圖5 無人機(jī)載干擾系統(tǒng)Fig.5 UAV-borne jamming system

無人機(jī)的載荷須具有小型化、輕型化的特點(diǎn)，無人機(jī)干擾系統(tǒng)同樣需要適應(yīng)載機(jī)平臺的要求。小型激光武器可以滿足無人機(jī)載荷需求[12]，能有效干擾或損傷敵方多種光電制導(dǎo)系統(tǒng)，使其致盲。隨著紅外偵察與制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，紅外光電設(shè)備在武器裝備中的應(yīng)用越來越廣泛，小型化紅外干擾系統(tǒng)可有效欺騙敵方紅外光電設(shè)備，在紅外干擾中定向干擾是研究的熱點(diǎn)方向。

無人機(jī)還可懸掛激光武器中繼鏡，作為戰(zhàn)術(shù)激光攻擊的中繼平臺。激光中繼鏡技術(shù)將激光源與光束控制部分分離，是一種重要的新型激光武器作戰(zhàn)概念。其工作過程為：激光源發(fā)射的激光由光束定向器將光束瞄準(zhǔn)發(fā)射到目標(biāo)上完成攻擊，降低了大氣等因素對激光的影響，拓寬了激光武器的作戰(zhàn)范圍。其工作原理如圖6所示[13]。目前美國軍方已經(jīng)把中繼鏡技術(shù)作為軍隊(duì)的轉(zhuǎn)型技術(shù)，它的發(fā)展必將影響到未來新一代的激光武器[14]。如美國雷聲（Raytheon ）公司正在研制用于攻擊小型空中目標(biāo)（如巡航導(dǎo)彈、攻擊機(jī)等）的高功率固體激光器，采用相位藕合鏡片，該激光器經(jīng)過小型化之后裝備在無人機(jī)上，可直接向目標(biāo)發(fā)射激光，也可經(jīng)由無人機(jī)載中繼鏡片，將平臺發(fā)射的激光引向所需攻擊的目標(biāo)[15]。

圖6 無人機(jī)激光中繼鏡作戰(zhàn)示意圖Fig.6 Schematic diagram of UAV laser relay lens operations

2.4 無人機(jī)在光電對抗隱身中的應(yīng)用

隨著軍事科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，武器探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、跟蹤、攔截目標(biāo)的能力越來越強(qiáng)，急需發(fā)展具有高隱身突防能力的戰(zhàn)術(shù)偵察無人機(jī)，實(shí)施對戰(zhàn)場環(huán)境和重要目標(biāo)的臨空或抵近偵察。合理應(yīng)用隱身技術(shù)能顯著降低目標(biāo)被敵方探測的可能性，提高武器系統(tǒng)的突防、生存能力，特別是縱深打擊能力。

由于偵察技術(shù)的日益多樣化[16]，針對單一偵察手段的隱身已達(dá)不到戰(zhàn)術(shù)要求，運(yùn)用綜合的可同時對抗可見光、紅外、激光、雷達(dá)的隱身技術(shù)已成為研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。一方面研究全波段隱身技術(shù)，統(tǒng)一兼顧光電隱身與雷達(dá)隱身，將防御性隱身技術(shù)向進(jìn)攻性隱身技術(shù)發(fā)展；另一方面發(fā)展全方位隱身武器平臺，推進(jìn)武器平臺或系統(tǒng)隱身化。BAE公司公布了一項(xiàng)最新隱身技術(shù)研究成果，一架新的MAGMA無人機(jī)扔掉所有的控制面，飛行過程中外形始終保持不變，該小型驗(yàn)證機(jī)已成功進(jìn)行了首飛，采用吹氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械控制系統(tǒng)使飛機(jī)改變航向。MAGMA的創(chuàng)新同時解決了機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和隱身問題，該無人機(jī)消除了升降舵、方向舵、副翼，將其改變?yōu)橐粋€通過發(fā)動機(jī)和吹氣改變氣流方向的系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作第一個過程稱為機(jī)翼環(huán)量控制，從發(fā)動機(jī)引氣，使氣體以超聲速從機(jī)翼后園吹出；第二個過程稱為流體推力矢量，利用吹氣改變飛機(jī)的排氣方向。近幾年，人工智能的研究發(fā)展迅猛，逐步滲透到隱身技術(shù)領(lǐng)域，無人機(jī)根據(jù)目標(biāo)威脅位置和傳感器探測方式，自動調(diào)整飛行方向和姿態(tài)，有效降低或避開敵方的光電偵察和探測。

利用偵察與反偵察思路，無人機(jī)可搭載多種類型、多光譜、不同分辨率的光電偵察設(shè)備，對己方的重要區(qū)域進(jìn)行偵察探測，以檢測己方在反偵察，偽裝隱身等方面的“漏洞”，及時“補(bǔ)救”。由于無人機(jī)費(fèi)用低，高效靈活，能夠?qū)χ攸c(diǎn)區(qū)域及時偵察與反饋，模擬敵方的偵察效果，達(dá)到提高己方隱身技術(shù)的目的。

3 光電對抗技術(shù)在無人機(jī)平臺的發(fā)展趨勢

3.1 光電對抗系統(tǒng)小型化、輕型化

無人機(jī)平臺攜帶的光電對抗系統(tǒng)須滿足小型化、輕型化要求，研究和發(fā)展小型化的激光武器、光電偵察裝備、干擾源等是無人機(jī)光電對抗的熱點(diǎn)。然而小型化并不意味著系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要降低，在滿足無人機(jī)平臺戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，不斷使光電對抗系統(tǒng)更加精巧是一個具有挑戰(zhàn)的技術(shù)課題，電子電器、光學(xué)系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等都需要向小型化方向發(fā)展，光電對抗系統(tǒng)需適應(yīng)無人機(jī)平臺的偵察載荷要求。

3.2 光電對抗標(biāo)準(zhǔn)化

光電對抗系統(tǒng)普遍采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊結(jié)構(gòu)，無人機(jī)平臺接口也采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)化接口可采用靈活的彈性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得不同的載體平臺、光電對抗系統(tǒng)之間能共用相同的功能模塊。這樣同一無人機(jī)平臺可方便搭載不同功能的光電對抗系統(tǒng)，如BAE系統(tǒng)公司研發(fā)的Boldstroke系統(tǒng)可有效滿足產(chǎn)品小型化、輕量化和通用化的要求，能夠裝備多型飛機(jī)平臺。根據(jù)不同的對抗需求，快速組合形成功能不同的光電對抗系統(tǒng)，發(fā)揮不同的作用。因此標(biāo)準(zhǔn)化光電對抗系統(tǒng)、載體平臺模塊是今后研究的一個重要方向。

3.3 光電對抗系統(tǒng)智能化

無人機(jī)發(fā)展的一個重要趨勢就是智能化、自主化。光電對抗系統(tǒng)作為無人機(jī)的重要載荷，其智能化、自主化是無人機(jī)作為未來戰(zhàn)爭智能化光電對抗作戰(zhàn)平臺的重要方向。先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)、高性能探測器、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、人工智能技術(shù)等為偵察?告警?干擾?評估為一體的智能化光電對抗系統(tǒng)奠定了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。光電對抗系統(tǒng)作為一個有機(jī)的智能化整體系統(tǒng)，將多個部件獲取的各類信息進(jìn)行綜合分析與處理，指導(dǎo)武器平臺及整體作戰(zhàn)系統(tǒng)做出戰(zhàn)場自主攻擊或自主防護(hù)決策。

3.4 光電對抗系統(tǒng)在蜂群戰(zhàn)術(shù)中的應(yīng)用

無人機(jī)蜂群由一定數(shù)量的小型化、低成本、多功能的無人機(jī)組成，可搭載不同類型光電對抗系統(tǒng)[17]，通過立體網(wǎng)絡(luò)協(xié)同偵察、干擾或攻擊目標(biāo)。美軍《2016—2036年小型無人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃》提出了多種蜂群作戰(zhàn)構(gòu)想，規(guī)劃在2035年形成蜂群作戰(zhàn)能力，如圖8所示[18]。無人機(jī)蜂群體積小[19]、低空、數(shù)量多，打擊和攔截難度大，容易突破敵方電子干擾和火力攻擊，實(shí)施近目標(biāo)偵察、干擾等。

圖8 無人機(jī)蜂群技術(shù)示意圖Fig.8 Schematic diagram of UAV swarm technology

3.5 光電干擾蜂群陣列技術(shù)

無人機(jī)搭載干擾設(shè)備主要功能是發(fā)射電磁干擾能量[20]。單個小型無人機(jī)有效干擾能量低，無法完成所需的任務(wù)指標(biāo)，通過多個無人機(jī)搭載干擾設(shè)備，按照一定規(guī)則排列，形成干擾陣列，對點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行集中干擾，或?qū)^(qū)域目標(biāo)實(shí)施全方位干擾，完成預(yù)定的干擾任務(wù)。蜂群陣列協(xié)同干擾可深入敵方縱深，具有距離優(yōu)勢和空間分布優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

基于無人機(jī)光電對抗的偵查告警、電子壓制與干擾、光電隱身等技術(shù)具有巨大的軍事應(yīng)用潛力和廣泛的發(fā)展前景，能夠帶動裝備性能向全方位發(fā)展。研究無人機(jī)光電對抗技術(shù)向小型化、輕型化、標(biāo)準(zhǔn)化的多層次技術(shù)水平發(fā)展，在滿足無人機(jī)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求的同事，可使光電對抗系統(tǒng)更加精巧，戰(zhàn)場生存適應(yīng)力更強(qiáng)。在未來復(fù)雜戰(zhàn)爭環(huán)境中取得戰(zhàn)場的主動權(quán)至關(guān)重要，基于無人機(jī)的光電對抗技術(shù)在智能化、自適應(yīng)性、高效費(fèi)比等方面將發(fā)揮其他作戰(zhàn)武器難以比擬的作戰(zhàn)效用。