新式激光假目標(biāo)的研究與設(shè)計(jì)

吉 強(qiáng),宗思光,楊劍波

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430033)

1 引 言

激光引偏干擾是常用的一種有源欺騙干擾方式,是對(duì)抗半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器的有效手段[1],實(shí)施引偏干擾的核心在于使用激光誘餌假目標(biāo)引偏來襲導(dǎo)彈。

目前,常用的激光假目標(biāo)有漫反射板和自然地物。漫反射板是與激光角度欺騙裝備相配套的制式假目標(biāo),漫反射板使用時(shí),需在武器來襲之前布設(shè)好,以保證進(jìn)入導(dǎo)引頭視場(chǎng)內(nèi)的反射光光強(qiáng)高于被保護(hù)目標(biāo)[2],靈活性差。當(dāng)沒有漫反射板可供使用或目標(biāo)處于機(jī)動(dòng)中時(shí),可就地取材,選擇自然地物作為假目標(biāo)[3],自然地物的使用方法靈活但不如漫反射板反射效果好。另外,在海面行駛的艦船,還可利用波動(dòng)的海面作為假目標(biāo),但選取的海面假目標(biāo)需依托合適的海況、選擇合適的干擾激光入射角等[4-6],布設(shè)要求高復(fù)雜且干擾效果不可控。

針對(duì)這幾種常用的激光假目標(biāo)的不足,本文提出了兩種新的激光假目標(biāo)——伴飛式激光假目標(biāo)和無人機(jī)載光纖激光假目標(biāo)。下面將從其概念、使用時(shí)機(jī)、特點(diǎn)、布設(shè)方法和載機(jī)、材料的選擇幾個(gè)方面進(jìn)行分析探討。

2 伴飛式激光假目標(biāo)

2.1 伴飛式激光假目標(biāo)概念及使用時(shí)機(jī)

伴飛式激光假目標(biāo)的干擾應(yīng)用是將激光誘餌搭載在可懸停的多旋翼無人機(jī)上,以懸?；驒C(jī)動(dòng)的方式應(yīng)對(duì)隨機(jī)來襲激光制導(dǎo)武器。這種無人機(jī)誘餌可直接做為假目標(biāo),亦可通過精準(zhǔn)的控制,在導(dǎo)彈距離無人機(jī)的合理距離釋放激光誘餌并迅速離開武器毀傷區(qū),達(dá)到無人機(jī)再回收的目的。伴飛式激光誘餌可單獨(dú)使用、少數(shù)幾臺(tái)布設(shè)配合使用和多臺(tái)智能編組使用。

伴飛式激光假目標(biāo)可在以下場(chǎng)合和時(shí)機(jī)使用:

(1)在要地重要目標(biāo)防空中使用激光欺騙干擾對(duì)抗激光制導(dǎo)武器時(shí),由于要地地形環(huán)境復(fù)雜,可能限制漫反射板的擺放位置,同時(shí)沒有可供選擇的自然地物做為假目標(biāo)時(shí)；

(2)突堤式碼頭和停泊在港口的艦船,由于海況良好的港口內(nèi),海面無法布設(shè)漫反射板,同時(shí)海面平靜并無法確定激光導(dǎo)彈來襲方向,以至于難以形成有效的海面漫反射目標(biāo)時(shí)；

(3)艦艇于海上遭遇激光制導(dǎo)武器打擊時(shí)；

(4)其他因環(huán)境受限可布設(shè)伴飛式激光假目標(biāo)的場(chǎng)合。

2.2 伴飛式激光假目標(biāo)的特點(diǎn)

一是假目標(biāo)布設(shè)迅速、操控性強(qiáng)。在目標(biāo)被激光指示器照射之后,激光告警器發(fā)出告警,導(dǎo)引頭尚未鎖定目標(biāo),此時(shí)無人機(jī)可攜帶誘餌升空。在獲得具體的制導(dǎo)信息后,可由計(jì)算機(jī)控制無人機(jī)到準(zhǔn)確的干擾位置懸停就位。無人機(jī)的飛行速度、飛行高度、所攜帶角反射器的朝向角度等均可控可調(diào)且反應(yīng)速度快。

二是假目標(biāo)靈活機(jī)動(dòng),干擾能力強(qiáng)。激光制導(dǎo)武器為防止角度欺騙干擾,有時(shí)會(huì)通過減小導(dǎo)引頭視場(chǎng)角的方式,減小視場(chǎng)內(nèi)地物。此時(shí),假目標(biāo)要起到干擾作用,必須離真目標(biāo)足夠近,而距離過近則會(huì)導(dǎo)致即使假目標(biāo)干擾起效,真目標(biāo)依然處于武器的殺傷半徑之內(nèi)。伴飛式假目標(biāo)較好地解決了這個(gè)問題,假目標(biāo)可以在被導(dǎo)引頭鎖定之后,逐漸遠(yuǎn)離真目標(biāo)從而將武器誘偏,干擾能力較固定假目標(biāo)好。

三是假目標(biāo)高度較高,安全性好。被誘偏的激光制導(dǎo)武器與伴飛式激光假目標(biāo)在空中相遇后爆炸,空中無其他固體雜物,相較于地面爆炸的爆炸波和受激迸發(fā)的高速度巖石碎片的多重?fù)p傷更安全[3]。

四是假目標(biāo)布設(shè)方便,影響因素少?？罩协h(huán)境較地面更為簡(jiǎn)單,一般不會(huì)有障礙物,可以滿足假目標(biāo)與被保護(hù)目標(biāo)或者多個(gè)假目標(biāo)之間的通視條件。除了考慮氣象條件外,一般不受其他影響。布設(shè)時(shí)對(duì)起降環(huán)境要求低,各方面影響因素少。

2.3 伴飛式激光假目標(biāo)特性分析

伴飛式激光假目標(biāo)采用激光角反射器做為激光反射體,角反射器具有定向的反射特性,它的有效反射面積決定了激光反射時(shí)的光強(qiáng)。有效反射面積與角反射器的大小和激光束相對(duì)角反射器底面的入射角有關(guān)[7]。如圖1所示,激光角反射器在底面的投影與底面的重合部分即為有效反射面積。

圖1 激光角反射器有效反射面積示意圖Fig.1 Schematic diagram of effetice reflectionarea of laser corner relector

角反射器通常采用內(nèi)切圓切割,其有效反射面積為:

(1)

通過分析可以得出,相對(duì)有效反射面積與光束入射角成反比。所以,武器離得越近,角反射體的反射能力越強(qiáng)。

角反射器使用時(shí),由激光干擾機(jī)復(fù)制或轉(zhuǎn)發(fā)敵來襲指示激光信號(hào),設(shè)干擾機(jī)出射能量為P0,激光發(fā)散角為ω,激光干擾機(jī)與角發(fā)射器距離R,則角反射器底面反射光強(qiáng)為[8]:

(2)

在距離D處的激光導(dǎo)引頭接收到的光強(qiáng)為:

(3)

式中,ρ為角反射器反射效率；r為角反射器底面圓形通光截面口徑。

2.4 伴飛式激光假目標(biāo)布放

(1)伴飛式激光假目標(biāo)干擾實(shí)施方式

當(dāng)被保護(hù)目標(biāo)受到敵激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器的指示器照射時(shí),被保護(hù)目標(biāo)附近的激光角度欺騙干擾設(shè)備識(shí)別出敵指示激光的編碼信息,復(fù)制與其編碼信息相似或相同的激光干擾信號(hào),控制激光干擾機(jī)輸出信號(hào),照射空中的角反射器假信號(hào),在武器來襲方位上形成一個(gè)很大的干擾空域。由于干擾信號(hào)的光強(qiáng)高于真實(shí)目標(biāo)反射的激光信號(hào),武器導(dǎo)引頭選擇伴飛式激光假目標(biāo)的方位作為調(diào)整誤差控制信號(hào),而導(dǎo)向伴飛式激光假目標(biāo),達(dá)到角度欺騙的目的[9]。誘偏效果如圖2所示。

圖2 使用伴飛式激光假目標(biāo)誘偏武器示意圖Fig.2 Schematic diagram of decoy weaponwith suspended laser false target

(2)激光假目標(biāo)布放方位和角度

上文對(duì)激光半主動(dòng)制導(dǎo)炸彈的使用方式研究認(rèn)為,不論是本機(jī)照射還是它機(jī)照射,皆可認(rèn)為激光告警器定位的激光目標(biāo)指示器的方向即為激光武器所在方向。在設(shè)置假目標(biāo)時(shí),考慮到武器飛行速度和地球曲率的影響,為了最大限度地保護(hù)真實(shí)目標(biāo),通常將假目標(biāo)布設(shè)在導(dǎo)彈來襲方向且距導(dǎo)彈較遠(yuǎn)的一端。

(3)激光假目標(biāo)布設(shè)距離

假設(shè)制導(dǎo)炸彈投彈高度為H=3 km,投彈距離為D=10 km,導(dǎo)彈視場(chǎng)角為ω=2°,激光干擾設(shè)備從此時(shí)收到激光告警器告警到完成信號(hào)的解碼復(fù)制響應(yīng)時(shí)間為6 s。此時(shí)炸彈已飛行3.9 km,距離目標(biāo)6.1 km,高度降至1.83 km。炸彈視場(chǎng)角在海面的投影是一個(gè)長(zhǎng)軸為920 m,短軸為216 m的橢圓。假目標(biāo)布設(shè)效果如圖3所示。

圖3 伴飛式激光假目標(biāo)布設(shè)距離示意圖Fig.3 Schematic diagram of setting distance of flying laser false target

此時(shí)無人機(jī)飛行高度(距海面)不宜超過178.5 m。若按照無人機(jī)上升速度為20 m/s計(jì)算,從接到告警即升空,無人機(jī)高度為120 m,在武器視場(chǎng)之內(nèi)。激光干擾機(jī)發(fā)出干擾激光,此時(shí)武器視場(chǎng)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo),若機(jī)載假目標(biāo)光強(qiáng)高于真實(shí)目標(biāo),武器即發(fā)生航跡的偏離。隨著武器的靠近,無人機(jī)可向武器攻擊方向機(jī)動(dòng)并逐漸減小干擾區(qū)域,最大限度地保證目標(biāo)的安全。

3 無人機(jī)載光纖激光假目標(biāo)

3.1 無人機(jī)載光纖激光假目標(biāo)概念及應(yīng)用場(chǎng)景

無人機(jī)載光纖激光假目標(biāo)是將光纖激光誘餌搭載在無人機(jī)平臺(tái)上,激光干擾機(jī)位于地面被保護(hù)目標(biāo)上(或周圍),發(fā)射或轉(zhuǎn)發(fā)與武器指示激光相關(guān)的編碼信息,該干擾激光束信息經(jīng)光纖激光傳遞出去,并隨著無人機(jī)的機(jī)動(dòng)在空中形成干擾激光,即形成了可誘偏激光制導(dǎo)武器的假目標(biāo)。

無人機(jī)載光纖激光假目標(biāo)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、可操控性強(qiáng)、布設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn),但其相較于傳統(tǒng)制式假目標(biāo)和自然地物成本略高。通常可考慮布設(shè)在以下場(chǎng)景:

(1)要地目標(biāo)受地形環(huán)境所限,無法布設(shè)制式假目標(biāo),并沒有合適的自然地物可供選擇時(shí)；

(2)艦船在海上遭到激光制導(dǎo)武器打擊時(shí)；

(3)坦克、戰(zhàn)車等在機(jī)動(dòng)中周圍沒有適合的自然地物可供選擇時(shí)；

(4)其他因環(huán)境受限可布設(shè)無人機(jī)載光纖激光假目標(biāo)的場(chǎng)合。

3.2 無人機(jī)載光纖激光假目標(biāo)引偏裝備構(gòu)成

這套無人機(jī)載光纖激光假目標(biāo)主要由以下五部分構(gòu)成:

(1)激光干擾設(shè)備

激光干擾設(shè)備包括激光信號(hào)處理器和激光干擾機(jī),一般須同激光告警設(shè)備、指控系統(tǒng)協(xié)同工作。其基本組成如圖4所示。

圖4 激光干擾設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure block diagram of laser jamming equipment

激光告警設(shè)備在探測(cè)到敵武器的激光制導(dǎo)信號(hào)后,將信號(hào)原碼信息傳輸給干擾設(shè)備的激光信號(hào)處理器,同時(shí)將武器的方位信息傳輸給指控系統(tǒng)。激光信號(hào)處理器通過對(duì)原碼脈沖時(shí)序進(jìn)行解碼分析,復(fù)制或轉(zhuǎn)發(fā)與其相同或相關(guān)的干擾信號(hào),采用超前同步轉(zhuǎn)發(fā)的輸出方式,控制激光干擾機(jī)產(chǎn)生激光干擾信號(hào)。在可識(shí)別敵激光目標(biāo)指示信號(hào)編碼,并能使干擾信號(hào)提前進(jìn)入導(dǎo)引頭波門的情況下,使用復(fù)制或轉(zhuǎn)發(fā)的激光干擾信號(hào)進(jìn)行欺騙干擾,以較小的功率誘偏來襲武器,這種方式被稱為應(yīng)答式或轉(zhuǎn)發(fā)式激光干擾；在無法識(shí)別敵激光目標(biāo)指示信號(hào)編碼,或不能使干擾信號(hào)提前進(jìn)入導(dǎo)引頭波門的情況下,上述欺騙效果不佳,可控制激光干擾機(jī)輸出高重復(fù)頻率的壓制式干擾信號(hào),這種干擾方式對(duì)激光發(fā)射機(jī)的功率要求較高,被稱為高重頻激光干擾。激光干擾機(jī)進(jìn)行應(yīng)答式或轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾時(shí),連續(xù)出光時(shí)間不得低于5 min；進(jìn)行高重頻壓制干擾時(shí),連續(xù)出光時(shí)間不得低于2 min。

(2)激光光纖

用于傳輸干擾激光信號(hào)的光纖應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件:

①適應(yīng)強(qiáng)度高。激光傳輸光纜常用于地勢(shì)復(fù)雜的山區(qū)、瀕海要地或艦船之上,激光光纜應(yīng)適應(yīng)這些地方的高濕環(huán)境,并具有一定的耐海水腐蝕性。

②附加損耗低。光纖做成光纜后需要在線圈上纏繞,并在使用過程中跟隨無人機(jī)進(jìn)行高速放線,會(huì)產(chǎn)生宏彎損耗和微彎損耗,若環(huán)境溫度較低,光纖還存在低溫條件下的能量損耗。這些都被稱光纜的附加損耗。為保證在作戰(zhàn)使用過程中,光纖可以正常傳遞干擾信號(hào),必須將附加損耗控制在特定的范圍內(nèi)[10]。

③抗疲勞性好。光纖做成光纜后繞成線圈保管,需要長(zhǎng)時(shí)間的貯存。這需要光纜具有較高的抗疲勞因子,以保證使用時(shí)的良好性能[10]。

(3)高速放線設(shè)備

放線設(shè)備的放線速度應(yīng)可調(diào)可控,要與無人機(jī)的上升、下降、平飛速度相匹配。由于武器導(dǎo)引頭視場(chǎng)有限,要求假目標(biāo)不能離被保護(hù)目標(biāo)太遠(yuǎn),并且典型的激光制導(dǎo)炸彈殺傷半徑不大于200 m,所以光纜不需要太長(zhǎng),使用300 m左右的光纜即可。在光纜繞線時(shí),可采用疏密相間的繞線方法。這種繞線方法可一定程度地減小光纜的損耗問題,也適用于較短長(zhǎng)度的光纜,且成本低。繞線方式如圖5所示。

圖5 疏密相間繞線法示意圖Fig.5 Schematic diagram of dense alternate winding method

疏密相間繞線法即一層光纜一匝一匝緊密排在一起進(jìn)行密繞,下一層從前一次的末端向始端方向纏繞,每層只繞數(shù)匝,拉開每匝之間的間距進(jìn)行疏繞。之后再進(jìn)行密繞,如此反復(fù)進(jìn)行,即形成奇數(shù)層為密繞層,偶數(shù)層為疏繞層的光纜線圈[11]。

(4)無人機(jī)

無人機(jī)選用可懸停、垂直起降的多旋翼無人機(jī),負(fù)載為激光鏡頭和300 m的激光光纖。無人機(jī)上升、下降、平飛速度大于20 m/s,飛行高度大于200 m,續(xù)航時(shí)間大于10 min。

(5)激光光纖出口準(zhǔn)直器

激光光纖出口準(zhǔn)直器可對(duì)出射激光進(jìn)行準(zhǔn)直,并可通過調(diào)節(jié)焦距改變出射激光的發(fā)散角。在武器較遠(yuǎn)時(shí),激光發(fā)散角大,形成的干擾區(qū)域大,可使激光制導(dǎo)武器盡早捕獲假目標(biāo)；當(dāng)武器抵近之后,可將光束角調(diào)小,直至將真實(shí)目標(biāo)隔離在干擾光區(qū)之外。準(zhǔn)直器內(nèi)部裝有平凸透鏡,透鏡與光纖距離即為焦距,調(diào)節(jié)焦距對(duì)激光發(fā)散角的影響如圖6所示。

圖6 焦距對(duì)激光發(fā)散角的影響Fig.6 Influence of focal length on laser divergence angle

3.3 干擾實(shí)施方式

當(dāng)被保護(hù)目標(biāo)受到敵半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器的指示器照射時(shí),被保護(hù)目標(biāo)附近的激光角度欺騙干擾設(shè)備識(shí)別出敵指示激光的編碼信息,復(fù)制與其編碼信息相似或相同的激光干擾信號(hào),控制激光干擾機(jī)輸出信號(hào),而后通過激光光纖傳送至無人機(jī)載的光纖終端輸出干擾信號(hào),在武器來襲方位上形成一個(gè)很大的干擾空域。由于干擾信號(hào)的光強(qiáng)高于真實(shí)目標(biāo)反射的激光信號(hào),武器導(dǎo)引頭選擇光纖激光假目標(biāo)的方位作為調(diào)整誤差控制信號(hào),從而導(dǎo)向光纖激光假目標(biāo),達(dá)到角度欺騙的目的。以車輛裝備為例,誘偏效果如圖7所示。這種激光假目標(biāo)的布設(shè)參考上文的伴飛式激光假目標(biāo)布放實(shí)施方法。

圖7 激光光纖誘餌誘偏武器示意圖Fig.7 Schematic diagram of laser fiber decoy weapon

4 結(jié) 語

本文針對(duì)現(xiàn)有激光假目標(biāo)的適用條件使用時(shí)的受限之處,開展了對(duì)兩種新式激光假目標(biāo)的研究與設(shè)計(jì)。為提升激光誘餌作戰(zhàn)效能,提出伴飛無人機(jī)和光纖激光誘餌兩種激光假目標(biāo)方式,研究了其特性與使用方法。實(shí)現(xiàn)了激光假目標(biāo)的可調(diào)、可控,使假目標(biāo)使用更加靈活、可靠。