海洋環(huán)境對激光制導(dǎo)炸彈的影響分析

帥 歡,張 婷,羅艷偉,閆 妍

(湖南云箭集團(tuán)有限公司,湖南 長沙 410000)

1 概述

激光制導(dǎo)炸彈以其較高的制導(dǎo)精度、較優(yōu)的效費(fèi)比、較強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn),成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中一種重要的空對地精確制導(dǎo)武器[1],受到了各軍事強(qiáng)國的重點(diǎn)關(guān)注,成為奪取制空、制海權(quán)的主要武器。隨著我國建設(shè)“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略的確立,對海上軍事力量提出了更高的要求。為實(shí)現(xiàn)國家的海洋發(fā)展戰(zhàn)略,必須依靠強(qiáng)大的海上力量做后盾,而海上軍事活動(dòng)的實(shí)施以及現(xiàn)代化武器裝備的研制和使用,都離不開對海洋環(huán)境的研究分析。目前，我國已裝備的各種型號(hào)激光制導(dǎo)炸彈均能夠?qū)崿F(xiàn)對陸地目標(biāo)的精確打擊,而如何讓激光制導(dǎo)炸彈更好地適應(yīng)海上作戰(zhàn),發(fā)揮其最大的作戰(zhàn)效能,成為目前急需解決的關(guān)鍵問題。

本文根據(jù)激光制導(dǎo)炸彈的工作原理,分析海洋環(huán)境中影響激光制導(dǎo)炸彈作戰(zhàn)使用的多種因素,并針對激光導(dǎo)引頭適海性問題,對相關(guān)重要性能指標(biāo)提出更高要求,為更加有效使用激光制導(dǎo)炸彈、提高命中概率提供理論支撐。

2 激光制導(dǎo)炸彈工作原理

激光導(dǎo)引頭的工作波段為1 064 nm,屬于短波紅外,接近可見光。激光制導(dǎo)炸彈工作時(shí)一般使用半主動(dòng)制導(dǎo)體制[2]。工作時(shí),需要激光照射器將激光束投射到目標(biāo)上,具有特定編碼的激光脈沖在目標(biāo)表面會(huì)產(chǎn)生反射,形成激光回波信號(hào),其中，一部分激光回波信號(hào)被激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭視場接收,經(jīng)過導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)的處理,傳送至控制系統(tǒng)并形成制導(dǎo)信號(hào),控制炸彈舵面偏轉(zhuǎn),以此來不斷修正彈體航向及姿態(tài),直至準(zhǔn)確照射目標(biāo)。

激光指示器主要工作在中、末制導(dǎo)過程中。中制導(dǎo)照射指示目標(biāo),便于讓導(dǎo)引頭識(shí)別并捕獲目標(biāo),末制導(dǎo)照射便于導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo),整個(gè)過程須保證激光束照射目標(biāo)并使光斑穩(wěn)定在固定部位,防止反射光束被遮擋且能量滿足導(dǎo)引頭入瞳最小的需求,以此保證導(dǎo)引頭的正常接收[3]。

如圖1所示激光照射分為地面照射和本機(jī)照射。地面照射僅能在與目標(biāo)相對距離較近的區(qū)域作用,是一種借助于激光照射器對目標(biāo)進(jìn)行近距離照射指示的方式;本機(jī)照射則是以載機(jī)光電吊艙為依托,由載機(jī)完成對目標(biāo)的搜索和識(shí)別,并指示炸彈對目標(biāo)進(jìn)行打擊[4]。本機(jī)照射投放方式,方便快捷,潛力大,但對載機(jī)裝備吊艙有要求。另載機(jī)執(zhí)行投放炸彈操作后,須對目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定照射,這就要求載機(jī)須在適當(dāng)機(jī)目距離處對目標(biāo)持續(xù)穩(wěn)定照射,而載機(jī)滯留的將會(huì)增加其安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。故選擇何種照射方式與作戰(zhàn)方式、作戰(zhàn)環(huán)境、目標(biāo)特性及炸彈性能等息息相關(guān)。

圖1 激光制導(dǎo)炸彈工作方式

3 目標(biāo)特性分析

激光制導(dǎo)炸彈應(yīng)用于海戰(zhàn)場作戰(zhàn)一般適配于艦載機(jī)。艦載機(jī)對惡劣海情的適應(yīng)能力使之成為海上作戰(zhàn)的主力軍。海戰(zhàn)場環(huán)境中，目標(biāo)不僅包括海上目標(biāo),還包括敵海軍基地、港口、碼頭等海岸目標(biāo)，以及靠近沿海的島嶼島礁的防御工事等軍事目標(biāo)。海上目標(biāo)包含航空母艦、導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、巡航艦、小型快艇、兩棲登陸艇等水面艦船和潛艇類水下艦船。

除激光外,雷達(dá)、紅外、可見光及聲吶等也是常用的海上目標(biāo)探測手段。衰減過大導(dǎo)致的傳播距離受限是電磁波和光波適應(yīng)水下作戰(zhàn)的主要不利因素[5],水聲信號(hào)是水下目標(biāo)探測最有效的方法,而雷達(dá)、紅外、激光等探測手段多用于水上探測。

導(dǎo)引頭接收到的目標(biāo)反射激光信號(hào)能量大小主要與艦船等目標(biāo)反射能力特性、激光照射器照射能量大小、大氣衰減等因素有關(guān)[6]。目標(biāo)材質(zhì)不同導(dǎo)致對激光束反射率不同、目標(biāo)與背景的對比度不同導(dǎo)致導(dǎo)引頭對目標(biāo)的識(shí)別速率不同,都將對導(dǎo)引頭識(shí)別捕獲跟蹤目標(biāo)效率產(chǎn)生影響,從而對炸彈命中率產(chǎn)生直接影響[7]。

目標(biāo)的材質(zhì)決定其光輻射特性,材料不同,光輻射性能也會(huì)不一樣。一般根據(jù)材料反射率將物體分為白體、黑體、灰體三類。白體可將其定義波段光能完全反射,即反射率為1,吸收率為0;黑體與白體相反,可將其定義波段光能完全吸收,即反射率為0,吸收率為l;灰體介于白體與黑體的中間特性,其吸收和反射幅度隨物體的材料、表面的狀態(tài)和它所處的環(huán)境不同而變化[8]。

本文研究的海上目標(biāo),如艦船,基本可視為灰體,其表面對激光的反射性能呈余弦輻射特性,如圖2所示。

圖2 灰體的漫反射特性

4 背景環(huán)境的影響

海洋本身及其相關(guān)的海峽、海島和沿海陸地共同構(gòu)成了海洋背景環(huán)境。激光半主動(dòng)制導(dǎo)體制采用照射與接收系統(tǒng)分離的模式,若其通路中光程受到外界因素阻擋或干擾,將會(huì)直接影響炸彈打擊效能。激光制導(dǎo)炸彈實(shí)現(xiàn)有效打擊需滿足傳輸和接收都不受阻的條件,而海洋環(huán)境中海面反射、散射、海浪、海雜波以及氣候環(huán)境等都將對激光的傳輸或接收產(chǎn)生影響,必須深入分析其影響因素。

4.1 海面反射、散射

海面對激光及陽光的部分漫反射和散射都會(huì)形成背景干擾信號(hào),影響武器的制導(dǎo)精度。當(dāng)光束射向海水表面時(shí),其在海平面的反射和折射與入射角有關(guān),入射角為布儒斯特角(即入射角+折射角=90°)時(shí),折射與反射比達(dá)到17∶3,折射光最強(qiáng),反射光最弱。這就對炸彈投放過程中激光照射器相對目標(biāo)的照射方位提出了不能以布儒斯特角照射海平面目標(biāo)的要求[9]。

海面反射率除與入射角相關(guān)外,還與風(fēng)速有一定的關(guān)聯(lián)性。2017年,劉鵬等采用Monte Carlo 統(tǒng)計(jì)方法對Jonswap海譜進(jìn)行模擬研究,得出“當(dāng)風(fēng)速較小時(shí),與平面反射相似,反射光鏡像于入射光,海面的粗糙度隨著入射角的增大而增大,不平整的海面使反射光向各個(gè)角度散射,呈現(xiàn)出較為散亂的狀態(tài)。另，當(dāng)入射角較大接近掠入射的狀態(tài)時(shí),入射光線會(huì)因海浪的遮擋使反射光線呈漫反射狀態(tài)似的四處發(fā)散”[10]。同時(shí)，風(fēng)速增大導(dǎo)致的海面起伏增大,會(huì)遮擋部分入射光。因此,反射光呈逐漸向四周各個(gè)角度發(fā)射,且能量逐漸減弱的狀態(tài)。國內(nèi)有學(xué)者研究指出,海面的總反射率在入射角超過40°后,將會(huì)快速增大[11]。

激光在海面?zhèn)鞑?遇到與光波長相仿的固體顆粒,部分光會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象,從而使傳播方向發(fā)生改變,但對能量大小并無影響,也就是說，海水散射改變的只是光場的能量分布而已?？哲姽こ檀髮W(xué)學(xué)者仿真實(shí)驗(yàn)得出以53°入射角為界,散射光強(qiáng)隨入射角的增加呈現(xiàn)上開口拋物線趨勢[12],光強(qiáng)先隨角度增大而減小后隨角度增大而增大。在研究海水對激光的散射特性時(shí),要充分考慮不同區(qū)域、不同時(shí)間、不同水質(zhì)對散射函數(shù)的影響差異,并結(jié)合具體實(shí)際情況,選擇恰當(dāng)?shù)纳⑸浜瘮?shù)來進(jìn)行模擬。

海面反射、散射不僅對照射器提出了較高的要求,同時(shí)也將對導(dǎo)引頭的性能產(chǎn)生影響。當(dāng)導(dǎo)引頭接收到起伏或受遮擋反射光線,會(huì)影響其作用距離及輸出視線角速率精度等,由散射導(dǎo)致方向改變的光線被導(dǎo)引頭接收后會(huì)增加其虛警率,進(jìn)而影響整個(gè)制導(dǎo)武器命中精度。

4.2 海情、海浪

海浪是一種隨機(jī)粗糙界面,其表面粗糙度會(huì)隨風(fēng)速的增加而增大,同時(shí)將發(fā)生遮蔽效應(yīng),影響海浪對光束方向的反射率分布。據(jù)相關(guān)研究表明,海面風(fēng)速較大時(shí),風(fēng)浪破碎會(huì)產(chǎn)生大量泡沫[13],且頻繁的風(fēng)浪破碎能持續(xù)產(chǎn)生泡沫。泡沫壽命在風(fēng)速小于7 m/s(3級(jí)海情)時(shí)隨風(fēng)速變化影響很??；在風(fēng)速大于7 m/s時(shí),其壽命隨風(fēng)速增大而急速增加,而在風(fēng)速大于14 m/s(6級(jí)海情)時(shí)會(huì)稍微減小并逐漸趨于平穩(wěn)[14]。究其原因,高風(fēng)速極易導(dǎo)致泡沫擴(kuò)散,故高風(fēng)速下,泡沫壽命隨著風(fēng)速增加反而會(huì)減小。泡沫也具有反射激光的能力,其反射率大小與其厚度和激光波長有關(guān)。激光制導(dǎo)炸彈所使用激光波長為1 064 nm,工程應(yīng)用上一般認(rèn)為泡沫的反射率為0.22。

(1)

海情的惡劣對制導(dǎo)炸彈控制系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了更高的要求,海浪的高低也會(huì)對目標(biāo)造成不同時(shí)間、不同范圍的遮擋,影響導(dǎo)引頭對目標(biāo)的捕獲時(shí)間及跟蹤效果。

5 氣候環(huán)境的影響

氣候環(huán)境中對戰(zhàn)場效能的影響因子有很多,如大氣環(huán)流、海洋洋流、地形地貌、太陽輻射等,而對激光制導(dǎo)炸彈的飛行狀態(tài)及命中精度有較大影響的因素主要是風(fēng)、雨、云、霧等大氣物理現(xiàn)象。風(fēng)能影響彈的飛行軌跡;雨、云、霧等則能降低戰(zhàn)場能見度,進(jìn)而影響激光傳播及能量衰減,縮短其作用距離,降低炸彈的命中概率。

5.1 風(fēng)速

風(fēng)速對激光制導(dǎo)炸彈命中率和攻擊區(qū)有重要的影響。它作為矢量,既有大小也有方向,通常將風(fēng)速以炸彈速度方向?yàn)閰⒖?分為垂直和平行風(fēng),即所謂的順逆風(fēng)及陣側(cè)風(fēng)。順逆風(fēng)將會(huì)使炸彈在飛行過程中產(chǎn)生攻角,引起升阻力變化；陣側(cè)風(fēng)將會(huì)使炸彈在飛行過程中產(chǎn)生側(cè)滑角,引起側(cè)向力變化,兩者的變化將對炸彈的飛行速度、方位、距離產(chǎn)生影響。非均勻風(fēng)速對各飛行參量都將產(chǎn)生影響,其中影響最為明顯的是飛行方位角。

5.2 雨、云、霧等

煙幕彈釋放的煙幕、彈丸爆炸產(chǎn)生的硝煙塵土和云雨冰雹等天氣狀況,都將會(huì)對戰(zhàn)場上的能見度產(chǎn)生影響。海洋環(huán)境中,雨、云、霧等氣候環(huán)境因素則是主要影響能見度的氣候因素。本文中目標(biāo)的能見度是以激光為對象論述的,也就是激光的透射率極大地影響激光的傳輸距離及激光導(dǎo)引頭的性能。其照射器與目標(biāo)、載機(jī)與目標(biāo)以及炸彈與目標(biāo)通道上,若能見度低,照射激光透光率很低,能量衰減過快,照射目標(biāo)后經(jīng)過反射再衰減,到達(dá)導(dǎo)引頭入瞳處的能量若無法滿足導(dǎo)引頭入瞳要求,則激光制導(dǎo)系統(tǒng)將無法正常工作,影響制導(dǎo)炸彈作戰(zhàn)使用。

大氣衰減與氣溶膠類型及能見度密切相關(guān),這兩個(gè)參數(shù)取決于地域和氣候。海鹽氣溶膠是海洋氣溶膠的主要成分[17],其對1 064 nm激光的衰減要大于內(nèi)陸。海洋環(huán)境會(huì)增加激光在大氣傳輸中的衰減,進(jìn)而降低激光導(dǎo)引頭接收到的能量,直接影響導(dǎo)引頭的作用距離。相對于內(nèi)陸條件,在海洋氣溶膠影響下,激光在大氣傳輸過程中的衰減相對較大,激光導(dǎo)引頭在海洋環(huán)境的作用距離小于陸地環(huán)境。

我國近海，特別是東南沿海常年高溫、高濕、高鹽霧,雖較陸戰(zhàn)場環(huán)境空氣灰塵等構(gòu)成的氣溶膠較少、大氣能見度相對較高,但高濕熱導(dǎo)致的高濃度水蒸氣含量也將會(huì)影響激光束的傳輸距離。標(biāo)準(zhǔn)晴天一般指大氣能見度為23.5 km,相對濕度小于20%的大氣狀態(tài)[18]。

氣象學(xué)上將標(biāo)準(zhǔn)大氣能見度V定義為:對比度閾值取0.02時(shí)識(shí)別白背景上的理想暗物體的可視距離[21]如公式(2)所示。

目前秦淮河水質(zhì)改善以引江換水為主體，在豐水期降水較多時(shí)，可利用降雨徑流及上游來水對外秦淮河補(bǔ)水；在長江水位高于秦淮新河水位時(shí)，實(shí)施長江自流引水；在不滿足以上條件下實(shí)施翻水，利用秦淮新河抽水站抽引長江水入秦淮河?？菟诤推剿冢嫌嗡枯^小，長江水位也較低，不能實(shí)現(xiàn)自流，則繼續(xù)采用秦淮新河站抽引江水入秦淮河。

V=-ln(0.02)/β=3.912/β

(2)

其中，V為大氣能見度,β為消光系數(shù)。

目前，大氣能見度探測最常用的兩種方法：目測法和器測法。人工測量存在主觀性且誤差較大,氣象觀測及航空等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域以器測法為主。由公式(2)可知,大氣能見度的關(guān)鍵是如何精確測量大氣的消光系數(shù)β。目前，美國Belfort公司、Novalynx公司及HSS公司，芬蘭Vaisala公司在能見度探測器這塊引領(lǐng)國際先進(jìn)水平,國內(nèi)的長春氣象儀器研究所及凱邁測控有限公司在該技術(shù)領(lǐng)域也發(fā)展迅速。

激光在大氣中的衰減與很多因素有關(guān),其中，最主要的因素是激光強(qiáng)度、激光波長、大氣結(jié)構(gòu)、傳輸距離等。激光在大氣中傳輸?shù)耐高^特性由朗伯-比爾定律確定[19],由該定律可知,當(dāng)激光的波長固定時(shí),激光大氣透過率只與大氣能見度有關(guān),通過對海洋大氣的具體參數(shù)實(shí)際測量,最終擬合可以得到激光大氣透過率的經(jīng)驗(yàn)公式。具體到海戰(zhàn)場環(huán)境中,1 064 nm激光的大氣傳輸透過率一般通過經(jīng)驗(yàn)公式(3)來計(jì)算:

τA=exp(K·R·exp(-0.835h)-1)/(V·h)

(3)

式中各變量含義如下:τA為大氣透過率;K為氣溶膠系數(shù);R為激光大氣傳輸距離;h為導(dǎo)引頭接收高度;V為大氣能見度,如公式(2)所示。

激光導(dǎo)引頭接收目標(biāo)反射的激光脈沖,導(dǎo)引頭入瞳的激光回波能量密度可以通過公式(3)來衡量。

(3)

式中，各變化量含義如下:Em為導(dǎo)引頭入瞳的回波能量密度;ET為照射器的脈沖能量;τD為接收路徑上的大氣透過率;τR為照射路徑上的大氣透過率;ρ為目標(biāo)漫反射率;D為導(dǎo)引頭距離目標(biāo)距離;φ為彈目視線與靶面法線夾角。

根據(jù)導(dǎo)引頭所需入瞳的激光回波能量密度及上述公式,可知作用距離、激光照射器能量、大氣透過率等之間的關(guān)系。大氣能見度的高低直接影響照射系統(tǒng)激光探測距離及導(dǎo)引頭捕獲距離的遠(yuǎn)近,從而對投放準(zhǔn)備時(shí)間及捕獲概率產(chǎn)生影響[20]。

6 激光導(dǎo)引頭適海性分析

針對激光制導(dǎo)炸彈在海洋環(huán)境下使用要求及海環(huán)境與陸環(huán)境的差異性,需對激光導(dǎo)引頭的適海性進(jìn)行分析。工程上往往通過試驗(yàn)的方法測試激光導(dǎo)引頭適海性指標(biāo),為激光制導(dǎo)炸彈在海洋環(huán)境條件下的使用提供支撐。

激光導(dǎo)引頭的作用距離受限于照射器能量、照射和接收路徑上的大氣衰減、靶面漫反射率、接收距離和目視線與靶面法線夾角。海洋環(huán)境會(huì)增加激光在大氣傳輸中的衰減,進(jìn)而降低激光導(dǎo)引頭接收到的能量,直接影響到導(dǎo)引頭的作用距離;隨機(jī)波動(dòng)的海浪對目標(biāo)會(huì)造成不同時(shí)間長度的遮擋,無法穩(wěn)定照射目標(biāo),導(dǎo)引頭就會(huì)丟失目標(biāo),對導(dǎo)引頭抗目標(biāo)丟失能力提出了較高的要求。激光與可見光波段接近,陽光對導(dǎo)引頭的直接照射以及海面反射、散射回的部分光信號(hào),都將干擾導(dǎo)引頭捕獲激光信號(hào),勢必對導(dǎo)引頭抗干擾能力提出了更高的要求。海面作為一種特殊的光學(xué)環(huán)境,順光、逆光、不同太陽天頂角都與激光制導(dǎo)炸彈的使用密切相關(guān),陽光輻射主要考慮太陽光線以平行光的形式照射到海面上這部分光線,遇到陽光干擾,特別是逆光射擊目標(biāo)時(shí)尤為嚴(yán)重,故對導(dǎo)引頭抗太陽夾角能力,即激光導(dǎo)引頭能夠正常跟蹤目標(biāo)的最小太陽夾角提出了更高的指標(biāo)要求。

針對上述要求,須對激光導(dǎo)引頭作用距離、盲距、抗太陽夾角、抗目標(biāo)丟失能力等受環(huán)境影響較大的指標(biāo),進(jìn)行適海性試驗(yàn)分析,以此全面考核導(dǎo)引頭的性能。

圖3激光導(dǎo)引頭性能測試時(shí)設(shè)備布局圖,通過調(diào)整激光器能量,以及導(dǎo)引頭與靶標(biāo)，激光照射器與靶標(biāo)以及光斑監(jiān)測儀之間的距離與角度,能將導(dǎo)引頭適海性相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測量,可為后續(xù)指導(dǎo)作戰(zhàn)提供數(shù)據(jù)支撐。

圖3 導(dǎo)引頭系統(tǒng)性能測試設(shè)備布局圖

7 結(jié)束語

綜合上述分析,可以得到如下結(jié)論:

1)海洋環(huán)境中目標(biāo)對激光反射率越強(qiáng),激光回波信號(hào)越容易被導(dǎo)引頭識(shí)別、捕獲;

2)海面對激光/陽光的反射、散射會(huì)形成背景干擾信號(hào),影響導(dǎo)引頭對激光的接收,需根據(jù)反/散射率選取合適的激光照射角度及陽光入射角;

3)風(fēng)速能影響炸彈的飛行方位、速度及距離,在建模時(shí)應(yīng)充分考慮海洋風(fēng)速的大小,進(jìn)行精確建模;

4)海洋大氣衰減遠(yuǎn)大于陸地,可根據(jù)文中公式建立海洋環(huán)境中的激光衰減模型,根據(jù)導(dǎo)引頭入瞳處所需激光能量及衰減模型,指導(dǎo)激光照射器輸出能量的大小;

5)導(dǎo)引頭適海性測試指標(biāo)是相對陸戰(zhàn)場環(huán)境有明顯差異的指標(biāo),進(jìn)行適海性試驗(yàn)測試更能精確掌握導(dǎo)引頭在海洋環(huán)境中的實(shí)際作戰(zhàn)性能。

本文較為全面地分析了海洋環(huán)境對激光制導(dǎo)炸彈的影響,后續(xù)可對上述影響因素做深入研究,建立更加精確的模型,更好地為激光制導(dǎo)炸彈進(jìn)行海洋作戰(zhàn)提供指導(dǎo)。