雙波長智能協(xié)同激光制導(dǎo)方法研究

畢祥麗,宋毅恒,閆秀生,高文清

(1光電信息控制和安全技術(shù)重點實驗室,天津 300308;2中國電子科技集團公司光電研究院,天津 300308)

0 引言

隨著世界新軍事變革的不斷發(fā)展與高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用,現(xiàn)代戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)形態(tài)和作戰(zhàn)理念正在發(fā)生深刻的變化。精確制導(dǎo)武器具有命中精度高、可實施遠程精確打擊、殺傷威力大、總體效能高等優(yōu)點,無疑成為追求戰(zhàn)爭效益的重要手段。

由于在半主動激光制導(dǎo)過程中,需要持續(xù)地向所攻擊目標發(fā)射編碼脈沖激光指示信號,該信號容易被人截獲和破譯,因而,激光制導(dǎo)武器存在易于受到人為欺騙干擾的致命缺陷。隨著激光干擾技術(shù)的發(fā)展和戰(zhàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜,激光制導(dǎo)武器面臨著日益嚴重的干擾威脅,傳統(tǒng)單一模式、單一體制的制導(dǎo)技術(shù)顯得力不從心[1],難以達到作戰(zhàn)預(yù)期,因此多模復(fù)合制導(dǎo)的軍事需求日漸凸顯。

針對激光制導(dǎo)武器面臨當前激光有源欺騙干擾,難于發(fā)揮其應(yīng)有作戰(zhàn)效能的現(xiàn)實,本文提出了雙波長智能協(xié)同激光制導(dǎo)方法,通過采用多模智能協(xié)同制導(dǎo)攻擊技術(shù)、雙波長多模激光同一化探測技術(shù)、多模激光制導(dǎo)抗干擾技術(shù),最大限度發(fā)揮激光制導(dǎo)武器精確打擊的作戰(zhàn)效能。

1 激光制導(dǎo)武器發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 激光制導(dǎo)武器國外發(fā)展現(xiàn)狀

目前,世界各國列裝的半主動激光制導(dǎo)武器已達幾十種系列、上百種型號。20世紀90年代,世界各國都在努力發(fā)展多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù),而雙模復(fù)合制導(dǎo)是目前發(fā)展的主流,表1為雙模復(fù)合制導(dǎo)方式應(yīng)用實例[2]。

表1 現(xiàn)階段研制成功的雙模導(dǎo)彈Table 1 Dual mode missile successfully developed

GBU-53/B SDB II(Small Diameter Bomb II,SDB II)小直徑炸彈II(如圖1),美軍命名“暴風之錘”,是美國雷聲公司生產(chǎn)的一種無動力滑翔、精確制導(dǎo)、空對地、防區(qū)外的小型戰(zhàn)術(shù)航空炸彈[3,4]。SDB II制導(dǎo)模式是中段制導(dǎo)采用GPS(衛(wèi)星定位)/IMU(慣性測量),末制導(dǎo)采用半主動激光/非制冷紅外成像/毫米波雷達三模導(dǎo)引頭。SDB II對打擊固定目標射程是110 km,對移動目標射程為74 km,能適應(yīng)各種氣象條件,具有低附帶損傷,是目前世界上綜合性能最好的空中打擊武器。

圖1 GBU-53/B SDB II(小直徑炸彈II)-“暴風之錘”[3]Fig.1 GBU-53/B SDB II(Small diameter bomb II)-“Storm Bolt”[3]

2018年4月,雷聲公司完成了SDB-II在F-15E攻擊鷹戰(zhàn)斗機上的開發(fā)和集成[5],圖2所示為F-15E攜帶SDB-II進行掛飛測試。如圖3所示,F-35隱身戰(zhàn)斗機能夠內(nèi)置8枚、外掛16枚SDB-II,一架F-35A每個架次就能攻擊24個地面目標。SDB-II計劃在2022年前裝備到F-35戰(zhàn)斗機。

圖2 F-15E攜帶SDB-II進行掛飛測試Fig.2 F-15E carrying SDB-II for flight test

圖3 F-35隱身戰(zhàn)斗機內(nèi)置8枚SDB-IIFig.3 F-35 stealth fighter built in 8 SDB-II

1.2 激光制導(dǎo)武器國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國的激光制導(dǎo)武器起步較晚,直到上世紀90年代開始引進掛載能力較強的蘇-27戰(zhàn)斗機后,激光制導(dǎo)炸彈才開始快速發(fā)展,代表性裝備有2009年1月首度公開亮相的“雷霆”LT-2激光制導(dǎo)炸彈,該炸彈具有全天候精確打擊能力,其精度為6.5 m。

2018年珠海航展中展出的GP155型(GP 1型)155 mm激光半主動末制導(dǎo)激光炮彈,如圖4所示。研仿俄羅斯“紅土地”系列的GP1發(fā)展較快,大量裝備部隊,最大射程為20 km。

圖4 GP155型155 mm激光末制導(dǎo)激光炮彈Fig.4 GP155 155 mm laser terminal guided laser shell

2018年珠海航展中展出的國產(chǎn)GB250型250 kg的激光衛(wèi)星復(fù)合制導(dǎo)炸彈,如圖5所示。其適合攻擊距離較遠的固定目標,但需要增加增程套件并使用捷聯(lián)慣導(dǎo)+激光末制導(dǎo)。

圖5 GB250型250 kg激光衛(wèi)星制導(dǎo)炸彈Fig.5 GB250 250 kg laser satellite guided bomb

1.3 激光制導(dǎo)武器發(fā)展趨勢分析

激光制導(dǎo)武器技術(shù)現(xiàn)已非常成熟,隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的演變,對激光制導(dǎo)武器的發(fā)展提出了新的要求。激光導(dǎo)引頭發(fā)展將逐漸向多模復(fù)合、模塊化、捷聯(lián)式、小型化轉(zhuǎn)變,以滿足制造探測距離更遠、抗干擾能力更強、成本更低、戰(zhàn)場適應(yīng)能力更強等要求。激光制導(dǎo)武器發(fā)展新趨勢為:1)提高武器攻擊能力;2)多模式復(fù)合制導(dǎo);3)提高機組人員和載機安全性。

由激光制導(dǎo)武器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析可知,國內(nèi)的激光制導(dǎo)武器從制導(dǎo)精度、抗干擾能力、作用距離、戰(zhàn)場環(huán)境適應(yīng)能力等方面都與國外存在較大差距,尤其在多模制導(dǎo)領(lǐng)域,國內(nèi)目前仍處于理論研究或?qū)嶒炇因炞C階段,實際應(yīng)用較少,激光武器制導(dǎo)精度、抗干擾能力、多模制導(dǎo)技術(shù)及智能目標探測能力水平亟待提高。所提出雙波長激光制導(dǎo)方法,當采用連續(xù)波制導(dǎo)時,0.808 μm是非告警波長,具有更強的抗人為激光干擾能力,從而更有利于對目標精準跟蹤和抗干擾。

2 雙波長智能協(xié)同激光制導(dǎo)總體構(gòu)想

提出采用1.06 μm脈沖激光、0.808 μm連續(xù)波調(diào)制激光與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的雙波長多模智能協(xié)同制導(dǎo)的總體構(gòu)想,如圖6所示。中制導(dǎo)階段采用BDS制導(dǎo)方式,末制導(dǎo)階段采用激光主制導(dǎo)與BDS輔助制導(dǎo)模式[6]。在激光末制導(dǎo)過程的前大半段,采用通常的1.06 μm脈沖激光主制導(dǎo)方式,BDS輔助制導(dǎo);在彈體將要接近攻擊目標的1～2 km距離范圍內(nèi),切換至0.808 μm連續(xù)波調(diào)制激光主制導(dǎo)方式,1.06 μm脈沖激光與BDS輔助制導(dǎo)。

圖6 1.06 μm脈沖/0.808 μm連續(xù)/BDS多模智能協(xié)同激光制導(dǎo)模式Fig.6 1.06 μm pulse/0.808 μm CW/BDS multimode intelligent cooperative laser terminal guidance mode

雙波長多模激光末制導(dǎo)過程如圖7所示,機載激光目標指示器可發(fā)出1.06 μm脈沖和0.808 μm連續(xù)波調(diào)制兩種激光指示信號。激光制導(dǎo)炸彈在攻擊目標的過程中,其前大半段(簡稱A段-編碼脈沖制導(dǎo)),導(dǎo)引頭采用通常的1.06 μm脈沖激光制導(dǎo)方式,BDS輔助制導(dǎo)可提供精準方位信息以利于目標識別;當炸彈通過分界點C后,進入要接近攻擊目標的1～2 km距離范圍內(nèi)(簡稱B段-連續(xù)波制導(dǎo)),則自動切換至0.808 μm連續(xù)波調(diào)制激光制導(dǎo)方式,1.06 μm脈沖激光制導(dǎo)為輔助制導(dǎo),可輔助為探測連續(xù)波調(diào)制激光峰值信號提供同步時間信號,更有利于對連續(xù)激光制導(dǎo)信號的精準探測;制導(dǎo)信息處理系統(tǒng)一方面可對連續(xù)/脈沖/BDS多體制制導(dǎo)信息進行融合處理,提高跟蹤精度,另一方面通過航跡關(guān)聯(lián)與目標鑒別可以進行干擾判別,從而提高多模制導(dǎo)系統(tǒng)的整體制導(dǎo)精度與抗干擾性能。其中,A段制導(dǎo)沿用通常的脈沖編碼體制的制導(dǎo)技術(shù),著重探索隨機編碼防破譯和時空相關(guān)信號處理抗高重頻干擾等強抗干擾措施。B段制導(dǎo)著重凸顯其連續(xù)波制導(dǎo)的高精度和抗所有人為的激光有源干擾的獨特優(yōu)勢,同時要有效避免陽光反射干擾的可能性。

3 雙波長智能協(xié)同激光制導(dǎo)設(shè)計實現(xiàn)

3.1 雙波長多模智能協(xié)同制導(dǎo)攻擊技術(shù)

采用如圖8所示的脈沖/連續(xù)/BDS雙波長多模激光制導(dǎo)模式,中制導(dǎo)階段采用BDS制導(dǎo)方式,BDS制導(dǎo)精度高,能夠準確定位相關(guān)位置信息,而且不受天氣的影響;當彈體進入攻擊區(qū)域的末制導(dǎo)階段后,隨著干擾信號的增多,BDS的導(dǎo)航精度下降,采用激光主制導(dǎo)與BDS輔助制導(dǎo)模式[7]。在制導(dǎo)過程中,BDS屬于全程制導(dǎo),作用顯著,對研制的高精度制導(dǎo)系統(tǒng)是必不可少的。在激光末制導(dǎo)過程的前大半段,采用通常的1.06 μm脈沖激光主制導(dǎo)方式,BDS輔助制導(dǎo)能夠提供精準方位信息以利于目標跟蹤。遇到干擾的情況下,制導(dǎo)系統(tǒng)具有糾錯功能,脈沖/BDS制導(dǎo)方式可實現(xiàn)智能切換。在彈體將要接近攻擊目標的1～2 km近距離范圍內(nèi),切換至0.808 μm連續(xù)波調(diào)制激光主制導(dǎo)方式,更有利于對目標精準跟蹤和抗干擾,1.06 μm脈沖激光/BDS輔助制導(dǎo)。同時,現(xiàn)有激光告警設(shè)備均是探測脈沖信號告警體制,不能對連續(xù)波告警,并且0.808 μm是非告警波長,因此,連續(xù)波制導(dǎo)具有更強的抗人為激光干擾的能力。此階段,1.06 μm脈沖激光制導(dǎo)為輔助制導(dǎo),可輔助為探測連續(xù)波調(diào)制激光峰值信號提供同步時間信號,有利于對連續(xù)激光制導(dǎo)信號的精準探測。最后,制導(dǎo)信息處理系統(tǒng)對連續(xù)/脈沖/BDS多體制制導(dǎo)信息進行制導(dǎo)信息融合處理和關(guān)聯(lián)計算,從而提高多模制導(dǎo)系統(tǒng)的整體制導(dǎo)精度與抗干擾性能。

圖8 1.06 μm脈沖/0.808 μm連續(xù)/BDS多模激光制導(dǎo)智能協(xié)同示意圖Fig.8 Intelligent coordination diagram of 1.06 μm pulse/0.808 μm continuos/BDS multimode laser guidance

在工作的不同階段采用不同的制導(dǎo)模式,當遇到干擾等情況下不同模式間實現(xiàn)智能切換,系統(tǒng)具有糾錯能力,分析不同模式各自技術(shù)特點和能力制約,決策不同階段采用最佳制導(dǎo)模式,合理調(diào)整末制導(dǎo)兩個制導(dǎo)階段的接力節(jié)點,以期達到最佳的制導(dǎo)精度和攻擊效能。

3.2 激光制導(dǎo)多模激光同一化探測技術(shù)

雙波長多模激光同一化探測是實現(xiàn)雙波長多模激光制導(dǎo)的關(guān)鍵。首先進行脈沖與連續(xù)調(diào)制激光信號同一化探測參數(shù)分析。激光導(dǎo)引頭對目標回波信號的探測需要用激光雷達測距方程來計算,即

式中:Pr為探測器接收功率(W),Pt為激光發(fā)射功率(W),Gt為發(fā)射天線增益,σ為目標散射截面積(m2),D為接收孔徑(m),R為探測距離(m),ηArm為單程大氣傳輸系數(shù),ηsys為光學(xué)系統(tǒng)透過率。

半主動激光制導(dǎo)武器攻擊對象為地面目標,因此,可將被攻擊目標看做擴展目標,即激光導(dǎo)引頭接收到目標的全部回波光束,光斑附近的所有輻射都能反射[8]。當照射為圓形光斑時,照射的面積為,式中:dA為激光照射目標面積,θT為發(fā)射激光的衍射極限角。對于擴展的朗伯散射目標有

于是有

式中:Pr為到達導(dǎo)引頭探測單元的激光功率;Pt為激光發(fā)射功率;θ為激光光束發(fā)散角;ρ為目標的平均發(fā)射系數(shù)。

此處采用的APD的四象限探測器具有極高的探測靈敏度,滿足探測靈敏度的需求;同時,激光調(diào)制信號帶寬較激光脈沖信號窄,更有利于系統(tǒng)噪聲抑制及放大增益的提升。

激光導(dǎo)引頭光學(xué)鏡頭設(shè)計要充分考慮雙波長激光探測的雙峰濾光和消色差要求,設(shè)計雙波長激光探測的雙峰濾光和消色差光學(xué)系統(tǒng);同時兼顧不同波長短脈沖激光信號和連續(xù)波調(diào)制激光信號的不同特點,設(shè)計雙波長兼容的四象限光電探測電路和放大電路,實現(xiàn)雙波長多模激光同一化探測。圖9為雙峰濾光消色差光學(xué)系統(tǒng)示意圖,圖10為雙波長激光導(dǎo)引頭組成及工作原理框圖。

圖9 雙峰濾光消色差光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of achromatic optical system with bimodal filter

圖10 雙波長多模激光導(dǎo)引頭組成及工作原理框圖Fig.10 Compositon and working principle block diagram of dual wavelengh multimode laser seeker

3.3 激光制導(dǎo)抗干擾技術(shù)

針對激光制導(dǎo)過程的不同階段和不同工作模式,采用了較為全面的抗干擾措施,可有效破解當前和未來發(fā)展的各類激光有源干擾,提高了系統(tǒng)整體的制導(dǎo)精度、抗干擾能力與目標鑒別性能。

3.3.1 1.06 μm脈沖制導(dǎo)階段抗角度欺騙和高重頻激光干擾

所提出的激光導(dǎo)引頭采取的抗干擾手段是在制導(dǎo)信號模式上采用雙波長多模智能協(xié)同激光制導(dǎo)和隨機編碼脈沖信號防破譯模式技術(shù),在導(dǎo)引頭信號處理方法上采用抗同步欺騙干擾高精度時域相關(guān)信號處理技術(shù)和抗高重頻激光干擾時空綜合相關(guān)信號處理技術(shù),可提高制導(dǎo)精度并有效破解激光欺騙干擾和高重頻激光干擾威脅,如圖11所示。

圖11 雙波長激光導(dǎo)引頭抗干擾措施功能示意圖Fig.11 Function diagram of anti-interference measures for dual wavelength laser seeker

3.3.2 隨機脈沖編碼防破譯抗激光欺騙干擾

如圖12所示,建立脈沖間隔數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)地址指針表:以從小到大的順序存入脈沖間隔數(shù)據(jù)表,地址指針打亂次序后隨機排列,通過地址指針順序讀取脈沖間隔值,從而產(chǎn)生隨機脈沖編碼激光指示信號。

圖12 無重復(fù)性脈沖時間間隔-隨機脈沖編碼示意圖Fig.12 Schematic diagram of non-repetitive pulse time interval-random pulse code

隨機編碼激光半主動制導(dǎo)武器具有內(nèi)在設(shè)定的脈沖間隔第次規(guī)律的激光制導(dǎo)脈沖序列的信號模式。在整個制導(dǎo)過程中,激光制導(dǎo)信號脈沖序列的時間間隔各不相同,也不相關(guān),局外者探測到的激光制導(dǎo)信號的到達時刻完全是隨機的,不具備任何可破譯和識別的時間特征。因此,目前常規(guī)體制的激光角度欺騙干擾裝備無法對采用隨機編碼的激光制導(dǎo)武器進行有效干擾與誘騙。

3.3.3 0.808 μm連續(xù)波調(diào)制激光制導(dǎo)抗陽光反射干擾

采用0.808 μm連續(xù)波調(diào)制主激光制導(dǎo)方式,因為連續(xù)波調(diào)制激光信號更易于精確跟蹤目標,使系統(tǒng)制導(dǎo)精度更高;同時,現(xiàn)有激光告警設(shè)備均是探測脈沖信號告警體制,不能對連續(xù)波告警,并且0.808 μm是非告警波長,因此,連續(xù)波制導(dǎo)具有更強的抗人為激光干擾的能力。此處需主要考慮抗陽光反射干擾的問題,可采用窄帶濾波、相關(guān)檢測等方法剔除干擾。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)代復(fù)雜戰(zhàn)爭環(huán)境下激光制導(dǎo)武器面臨激光有源干擾的嚴重威脅,傳統(tǒng)的單一模式、單一體制的制導(dǎo)技術(shù)顯得力不從心,導(dǎo)致激光制導(dǎo)武器生存能力、作戰(zhàn)效能、高精度制導(dǎo)以及高效能探測識別能力不足等突出問題。開展了雙波長多模智能協(xié)同激光制導(dǎo)方法和具有強抗干擾能力的激光制導(dǎo)技術(shù)研究,通過采用雙波長多模智能協(xié)同制導(dǎo)攻擊、雙波長多模激光同一化探測、多模激光制導(dǎo)抗干擾技術(shù),從而提升現(xiàn)有激光制導(dǎo)武器的制導(dǎo)性能、抗干擾能力和智能探測與識別攻擊目標能力,充分發(fā)揮其應(yīng)有的作戰(zhàn)效能。