激光制導技術的發(fā)展應用及干擾技術研究

湯永濤, 王國恩, 林鴻生

(海軍士官學校,安徽 蚌埠 233012)

0 引言

激光制導因其發(fā)展速度驚人,受到世界各國的廣泛重視。激光制導利用激光作為目標跟蹤和信息傳輸的手段,控制和修正導彈飛行彈道直至導彈命中目標。激光制導通?？煞譃榧す鈱さ氖街茖Ш图す怦{束式制導。激光制導的制導精度高,抗干擾能力強,可用于復合制導。因遠程精確打擊和抗干擾的應用需求,復合制導成為后續(xù)的重要發(fā)展方向。目前激光制導存在的問題是易受氣候的影響,不能全天候使用。對于半主動式激光制導方式,因導彈命中目標前,激光束必須一直照射目標,其激光器的載體易被敵方發(fā)現,面臨遭受反擊的風險。因此,從激光制導的發(fā)展應用出發(fā),是目前研究干擾技術的最有效方式。

1 激光制導方式

1.1 半主動式激光制導

半主動式激光制導應用最廣泛。半主動式激光制導系統由半主動激光導引頭和激光照射器組成。導引頭與激光照射器配置于兩地,激光照射器照射目標,導引頭接收目標漫反射激光,測量彈目相對位置誤差,實現目標跟蹤制導。相對于主動式制導,半主動式制導精度高、成本低,但缺點也較突出。例如,半主動式制導多采用波長0.53μm或1.06μm的激光,在傳輸的過程中容易受到外界的影響,照射目標時載體很容易被敵方發(fā)現;激光照射器和導引頭的分離導致信號的發(fā)射與接收很難同步,易被敵方偵測和干擾。

1.2 主動式激光制導

主動式激光制導將激光照射器和導引頭集成,彈載激光照射器發(fā)射激光照射目標,導引頭自動接收目標的反射光,通過控制系統導引激光制導導彈實施精確打擊?！鞍l(fā)射后不管”是主動式制導的最大特點。這一特點是主動式制導與其他制導方式的根本區(qū)別。主動式激光制導導彈發(fā)射后不用人工干預,導彈根據預裝的目標激光三維成像特征,自動識別目標類型并判斷預期目標毀傷效果,進行選擇性攻擊。主動式激光制導可以提高武器系統的生存力,但技術難度大,故應用很少[1]。

1.3 駕束式激光制導

駕束式激光制導將激光照射器與導彈同時安裝在發(fā)射臺上,照射器發(fā)射導向激光束,即激光照射駕束,照射待攻擊目標。導彈發(fā)射后進入激光照射駕束中,“駕”在激光束上,彈尾接收器接收激光信號,控制系統計算彈體相對于光束中心的位置偏差,糾正彈道,直至導彈命中目標。因為就像導彈“駕”在激光束上滑行一樣,故俗稱“駕束式制導”。

駕束式激光制導是一種無線制導方式,適用于空空、地空、艦空、地地等導彈,且導彈的飛行速度可達數馬赫。駕束式激光制導系統具有全天候和首發(fā)命中的能力,近年來引起了各國軍方的極大重視,并得到了迅速發(fā)展。

駕束式激光制導具有四大功能:瞄準與跟蹤、發(fā)射與編碼、彈上接收與譯碼、指令形成與控制。駕束式激光制導系統利用跟蹤瞄準器和激光照射器實現制導功能。其工作流程為:激光照射器不斷地向目標發(fā)射經過調制編碼的激光束,跟蹤瞄準器接收目標反射光束對目標進行瞄準跟蹤;位于彈尾的激光接收器接收到激光照射器發(fā)射的激光信號后,根據彈體相對于光束中心的位置偏差,修正導彈飛行方向,使得導彈沿著瞄準線的方向飛行,因為光束中心一直是對準目標的,這樣導彈就能擊中目標。與半主動式制導相比,駕束式制導的優(yōu)勢是結構簡單、成本低。另外,跟蹤瞄準器安裝在彈體的尾部,不影響導彈的毀傷性能。駕束式制導導彈在激光束內飛行,導彈有很高的速度,適用于對坦克或裝甲目標[2]等機動目標的制導跟蹤。

1.4 指令式激光制導

指令式激光制導是指制導指令經編碼后控制調制器對激光進行調制,再經激光照射器發(fā)射;編碼后的激光制導指令傳送到導彈,經彈上接收系統解調和解碼,形成制導指令,控制導彈飛行,對目標實施攻擊。

指令式制導導彈在飛向目標的過程中始終保持在激光束中心,如果導彈偏離了這個中心,安裝在彈體尾部的激光接收器便會發(fā)出偏差信號,然后通過控制系統要求激光束和導彈發(fā)射方向嚴格配合。指令式制導技術難度較大,但整個系統小巧輕便,適合單兵使用,是目前應用較成功的制導方式,主要用于低空防御導彈。

2 激光制導的優(yōu)缺點

激光制導系統具有抗干擾能力強、結構簡單、空間分辨率高等優(yōu)點。

除濃霧天氣外,在任何氣候條件下激光制導均能有效地工作,且受電子干擾影響較小。激光制導具有較強的抗紅外干擾能力,能在各種復雜的人為干擾及背景干擾中實現對選定目標的識別與跟蹤。激光制導的制導精度高、結構簡單、成本低,可以和其它尋的制導系統兼容,滿足“一彈多頭”的需要?？梢詫Ω咧貜皖l率的激光脈沖進行編碼,使得不同的激光制導武器系統具有同時攻擊不同目標的能力。另外,激光制導對信息處理系統要求較低,且有較高的空間分辨率。

但激光制導系統在搜索目標、抗云霧干擾等方面能力存在不足。激光制導系統發(fā)射的激光束窄,目標搜索能力差,且激光束易受氣象條件的影響,不能全天候工作。激光半主動制導的武器系統,激光束在導彈命中目標之前必須一直照射目標,導致激光器的載體易被敵方發(fā)現和遭受反擊。另外激光制導炸彈準備工作也十分復雜,需要預先提供目標及投放條件等各方面的準確數據。

3 激光干擾技術

激光干擾是利用各種有源或無源干擾設備,對激光制導武器、激光測距儀等實施欺騙、壓制或摧毀干擾。激光干擾可分為有源干擾和無源干擾兩類。

3.1 激光有源干擾技術

激光有源干擾主要包括激光高重頻干擾、激光角度欺騙干擾、激光致盲干擾、激光摧毀式干擾等。

(1)激光高重頻干擾

激光高重頻干擾的原理是使用一臺或數臺干擾機向激光制導武器發(fā)射重復頻率達到數萬赫茲的激光干擾脈沖。如果激光干擾脈沖的重復頻率足夠高,激光導引頭可能在波門內接收到激光干擾脈沖。如果干擾脈沖超前于回波信號脈沖,則激光導引頭會把干擾脈沖作為回波信號脈沖,此時導引頭輸出的制導信號已經不能真實反映激光制導導彈相對目標的真實位置,因此激光制導導彈在此制導信號作用下,飛行軌跡將會偏離目標。

采用高重復頻率的脈沖激光干擾源,無需對接收到的敵方激光脈沖信號進行編碼識別和復制,就能使假目標信號進入敵方制導系統,從而提高了干擾方的主動性和適應能力。激光高重頻干擾原理如圖1所示。

圖1 激光高重頻干擾原理示意圖

載機跟蹤鎖定目標后投彈,初始階段彈體靠慣性制導飛向預定方向,當導引頭接收到的激光信號超過閾值時,轉為激光制導。只要激光干擾脈沖在導彈轉入激光制導前進入導引頭的選通波門,導引頭的信號處理系統就有可能把干擾信號當成目標信號來處理,從而達到干擾的目的。假設激光導引頭的脈沖錄取波門寬度為Δt,若激光干擾信號的重復周期T不小于Δt,則對應每一個選通波門必有一個干擾信號能進入,如果干擾信號的功率足夠大,理論上其干擾成功率能達到100%[3]。

(2)激光角度欺騙干擾

作為激光干擾重要組成部分的激光角度欺騙干擾能夠相對高效地降低光電武器系統的作戰(zhàn)效能,因此日益得到重視。激光角度欺騙干擾通過發(fā)射、轉發(fā)或反射激光輻射信號,形成具有欺騙性的激光干擾信號,擾亂或者欺騙敵方激光測距、觀瞄、跟蹤或制導系統,使其得出錯誤的角度信息,從而達到降低激光武器系統作戰(zhàn)效能的目的。研究表明,激光角度欺騙干擾是對抗激光半主動制導武器的有效手段。具體說來,就是在被保護目標附近放置激光漫反射假目標,用激光干擾機向假目標發(fā)射與制導信號相關的激光干擾信號,該信號經假目標反射后,形成漫反射干擾信號,進入敵方激光導引頭的接收視場,當導引頭上的信息識別系統將干擾信號誤當作制導信號時,導引頭就受到欺騙,并控制導彈向假目標飛去。目前激光角度欺騙干擾設備已較廣泛地應用于地面武器平臺,用于保護高價值的地面設施或載車平臺。而要使激光角度欺騙干擾更加可靠有效,假目標干擾是必不可少的。隨著戰(zhàn)場環(huán)境的日益復雜,以及考慮到設備工作時假目標設置的方便性,假目標干擾的設置方式逐漸從人工設置假目標靶板變?yōu)槔帽槐Ｗo目標所處臨時自然地形、地物。所以有必要對自然地物激光假目標的選取進行分析和討論,以獲得更好的欺騙干擾效果。

(3)激光致盲干擾

激光角度欺騙干擾和激光高重頻干擾都是對激光制導武器的發(fā)射信號或回波信號進行欺騙,而對激光制導武器本身并沒有進行破壞。激光致盲干擾則能干擾或致盲甚至破壞導引頭、跟蹤器、目標指示器、測距儀、觀瞄設備等,并可損傷人眼,在戰(zhàn)場上起到擾亂、封鎖、阻遏或壓制的作用,是現代戰(zhàn)爭中一種非常有力的激光干擾手段。

激光致盲干擾系統一般由激光主動偵察分系統、激光被動偵察分系統和強激光干擾分系統組成,其中強激光干擾分系統采用低能激光。激光致盲干擾系統要求激光偵察的定向精度高,激光發(fā)射功率大。激光致盲干擾系統在作戰(zhàn)中通常采用主動偵察和被動偵察兩種工作模式。主動偵察模式利用光電裝備的“貓眼效應”對目標精確定位,然后啟動強激光對目標致盲。作戰(zhàn)時,首先用激光掃描搜索目標,如果激光進入敵方光電設備的光學通道,由于光電系統的“貓眼”效應,部分激光將反射回被動偵察系統,以此探測和跟蹤目標,并可將目標數據提供給火力單元用于瞄準射擊。在導彈瞄準目標的同時,啟動強激光干擾分系統發(fā)射窄光束的高能量激光,致盲或損毀敵方光電設備。被動偵察模式直接采用激光被動偵察設備截獲威脅目標信號,對目標精確定向,并啟動強激光系統對目標致盲。

還有一種激光致盲干擾方法是采用激光致盲彈。激光致盲彈是一次性干擾器材,它是在彈體內裝入炸藥和惰性氣體,引爆后產生高溫高壓氣體,形成高溫等離子體,產生極強的激光輻射,破壞敵方光電偵察設備。這種激光可定向、也可全向輻射,波長覆蓋紫外至紅外波段。

(4)激光摧毀式干擾

相對于實施激光致盲干擾的低能激光武器,激光摧毀式干擾系統采用可以實現硬殺傷的高能激光武器。激光摧毀式干擾系統由高能激光器、精密瞄準跟蹤裝置、光速控制器及發(fā)射裝置組成。其工作過程為:通過雷達預警、激光告警等技術獲得威脅目標的信息,用一定的技術手段進一步確定其位置;指揮控制系統向干擾系統的精密瞄準跟蹤裝置發(fā)出指令,光束控制和發(fā)射裝置直接瞄準目標,并自動啟動激光器;根據攻擊指令,強激光通過發(fā)射望遠鏡直接射向目標,激光束鎖定在威脅目標的預定位置,最終摧毀威脅目標或使其失效。激光摧毀式干擾系統具有快速、靈活(可在短時間內攔截多個目標)、精確、不受電磁干擾及威力大等特點。從作戰(zhàn)領域來分,激光摧毀式干擾可分為戰(zhàn)術性和戰(zhàn)略性兩類干擾,分別進行戰(zhàn)略防御、戰(zhàn)區(qū)防御和戰(zhàn)術防空,對設備、人員、衛(wèi)星、導彈等進行摧毀式干擾。激光摧毀式干擾系統雖然研制費用高,但使用費用非常低(僅消耗燃料)。激光摧毀式干擾憑借其極高的效費比,在現代電子對抗中發(fā)揮著極其重要的作用。

3.2 激光無源干擾技術

激光無源干擾主要包括煙幕干擾和激光箔條干擾。

(1)煙幕干擾

對激光制導武器最直接、最有效,也是目前使用最廣泛的無源干擾技術便是煙幕干擾。煙幕由煙(固體微粒)和霧(液體微粒)組成,屬于氣溶膠體系,是光學不均勻介質,其分散介質是空氣。煙幕的遮蔽作用主要依靠煙幕對光的散射和吸收來實現。當光線通過煙幕時,由于煙幕微粒的大小、形狀、表面粗糙程度和性質的不同,將對不同波長的光波產生不同程度的折射、反射、衍射、吸收和透過,最終導致透過煙幕的光的強度小于進入煙幕的光的強度。散射和吸收是造成光衰減的直接原因。煙不僅能散射光,而且能吸收光,當光通過一個物體時,輻射能轉化為其它形式的能,如電、熱、化學能等,從而導致光的強度減弱。煙對光的吸收,是由兩部分作用組成的,一是分散介質(空氣)對光的吸收作用,二是分散相(微粒)對光的吸收作用。空氣對光的吸收作用比微粒對光的吸收作用小得多,對煙幕來說主要是微粒對光的吸收。使用這種干擾方法,可使激光導彈命中率降低(70～80)%。典型的煙幕干擾系統有艦載煙幕干擾系統、裝甲車輛自防的煙幕干擾系統、直升機用快速煙幕干擾系統、保護地面目標的快速防空煙幕干擾系統等[4]。

艦載煙幕干擾系統是目前水面艦艇應用最廣泛的對抗激光制導武器的手段之一。該系統主要由無源干擾發(fā)射裝置和煙幕干擾彈組成,在發(fā)射后可形成一面煙幕墻,來保護艦艇免受激光制導武器的威脅。例如俄羅斯公開的專利介紹了一種新型海陸兩用煙幕彈藥,用來應對多模制導武器和多種探測器材。該彈藥采用分室裝填的結構,裝填材料有箔條、金屬粉、煙火藥,彈體拋出后可在空氣中形成大面積的圓盤形煙幕,可在可見光、紅外、微波波段產生多頻譜干擾[5]。

(2)激光箔條干擾

激光箔條的干擾原理是利用箔條本身固有的激光反射特性,將一定數量的激光箔條彌散在空中,形成相應密度的箔條云,可以對激光信號進行散射,形成假目標,對敵方激光探測設備進行誘騙,也能形成后向散射的回波作為我方激光有源對抗的假目標。箔條云的激光散射效果如圖2所示。

圖2 激光箔條散射示意圖

激光箔條主要用于誘騙激光半主動制導的導彈、炸彈和炮彈。通?？捎苫鸺龔椈蚱葥襞趶棸l(fā)射,也可直接由飛機拋灑,到達指定空域后,激光箔條與彈(機)分離,由于質量輕,因此可以較長時間彌散在空中。如果將激光箔條布撒在敵方激光照射器的照射光路上,則由激光箔條散射的回波將把被攻擊目標反射的回波淹沒,使得目標被掩蓋在由激光箔條散射形成的激光斑點噪聲之中,從而導致激光制導武器丟失目標。激光箔條也可以在作戰(zhàn)中與主動激光干擾機配合,在空中任意位置上制造激光假目標,即利用己方一臺激光干擾機直接照射箔條陣,在非目標區(qū)人為地造成大面積激光散射回波,從而誘騙激光制導武器向其尋的,大大降低激光制導武器命中精度[6]。

4 結束語

激光制導武器與激光干擾技術本身就是矛與盾的關系,兩者互相促進。本文介紹了激光制導方式的發(fā)展現狀,總結了激光制導的優(yōu)缺點,同時提出目前對抗激光制導武器的有源與無源干擾技術。隨著激光制導武器抗干擾技術的發(fā)展,多功能復合煙幕[7]、新型氣溶膠等新型激光干擾材料應運而生,單一的干擾方式已不能滿足現代電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)、智能戰(zhàn)的需要,必須采用綜合干擾方法對激光制導武器實施干擾,同時根據戰(zhàn)場實際環(huán)境,采用主動與被動干擾相結合的方式,提高對激光制導武器干擾的成功率。