激光高重頻干擾半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈的作戰(zhàn)運用影響研究

宋振之， 韓道文， 王 宇， 趙祿達， 吳中偉

(1.國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院，合肥 230000； 2.中國人民解放軍31649部隊，廣東 汕尾 516000)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈以其打擊精度高、抗干擾能力強、成本低廉等優(yōu)點，成為戰(zhàn)場上攻擊對方重要目標(biāo)的一把“利刃”，同時也成為我方在戰(zhàn)場上應(yīng)重點防范的目標(biāo)?？梢灶A(yù)見，在未來戰(zhàn)場上，激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈將發(fā)揮更為重要的作用。隨著激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈的大量應(yīng)用，針對它的光電對抗措施也得到了長足發(fā)展，其中，高重頻激光干擾以其無需識別和復(fù)制激光指示信號的編碼即能進入敵信號處理系統(tǒng)，對敵進行有效干擾，近年來逐漸得到了各國的重視。

目前，激光高重頻干擾的研究主要集中于干擾機理分析以及對半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭信號處理過程的分析[1-5]，而對該技術(shù)的作戰(zhàn)運用影響研究相對較少。本文將重點研究大氣傳輸、干擾激光重復(fù)頻率、配置距離等因素對激光高重頻作戰(zhàn)運用的影響。

1 半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈的制導(dǎo)原理和高重頻干擾原理

1.1 激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈制導(dǎo)原理

激光半主動制導(dǎo)是以激光為信息載體，將導(dǎo)彈、炮彈或炸彈引向目標(biāo)而實施精確打擊的技術(shù)。激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈主要由位于彈上的激光導(dǎo)引頭和控制系統(tǒng)以及彈外的激光指示器組成。作戰(zhàn)時，通過激光指示器發(fā)射激光脈沖照射打擊目標(biāo)形成漫反射信號，引導(dǎo)激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈鎖定目標(biāo)并調(diào)整飛行路線飛向目標(biāo)。

目前，激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈采取的主要抗干擾措施有兩種:一種是對指示激光信號進行編碼，在激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭上設(shè)置相應(yīng)的解碼電路，當(dāng)導(dǎo)引頭視場內(nèi)同時出現(xiàn)多個指示信號或干擾信號時，能夠通過解碼識別自己的指示信號；另一種是在導(dǎo)引頭上設(shè)置脈沖錄取時間波門，波門的作用是控制導(dǎo)引頭對指示激光的接收，在判斷自己的指示信號到達導(dǎo)引頭時開啟，接收到指示信號后關(guān)閉，而在波門關(guān)閉期間不接收任何信號。這兩種抗干擾措施很好地提高激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈的作戰(zhàn)性能，但也給我方干擾帶來極大挑戰(zhàn)。

1.2 激光高重頻對半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈的干擾原理

激光高重頻是通過向半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈發(fā)射高重復(fù)頻率的脈沖激光，使得其導(dǎo)引頭波門無論何時開啟均能受到高重頻信號的干擾，從而影響導(dǎo)引頭對指示信號的接收，降低導(dǎo)引頭對目標(biāo)信息的截獲概率，致使激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈因提取不出信息而迷盲，或因提取到干擾信息而被引偏，達到保護被攻擊目標(biāo)的目的。

2 大氣傳輸對激光高重頻作戰(zhàn)運用的影響

對于激光高重頻作戰(zhàn)運用，大氣對激光傳輸?shù)挠绊懯且粋€必須要考慮的重要因素。大氣中的許多物質(zhì)都會對激光的傳輸產(chǎn)生影響，如各種氣體分子、懸浮于空中的氣溶膠粒子等都會造成激光傳輸?shù)乃p。

大氣對激光的衰減作用主要包括大氣吸收效應(yīng)和散射效應(yīng)。大氣吸收效應(yīng)是指大氣分子或氣溶膠吸收激光的部分能量，并轉(zhuǎn)換為熱能的效應(yīng)。對于不同波長的光，大氣的吸收率不同，但是由于有大氣窗口的存在，對于特定波長的激光吸收較少，目前的激光武器使用的激光波長均處于大氣窗口之內(nèi)，對激光的吸收較少。

大氣散射效應(yīng)是激光同大氣分子或氣溶膠等的相互作用，使得入射激光的能量以一定規(guī)律在各個方向上重新分布的現(xiàn)象。在低空作戰(zhàn)范圍內(nèi)大氣散射主要為氣溶膠的散射，其值與能見度密切相關(guān)。其常用的描述公式為[6]

(1)

式中：VM為大氣能見度；λ為入射激光的波長；q為修正因子，其數(shù)值與能見度有關(guān)，如表1所示。

表1 大氣能見度與修正因子對應(yīng)表Table 1 Atmospheric visibility and the corresponding correction factors

假設(shè)目標(biāo)指示器的發(fā)射功率為Pt1，指示激光發(fā)散角為θt，目標(biāo)指示器發(fā)射光學(xué)透過率為τ1，目標(biāo)指示器與目標(biāo)之間的距離為R1，目標(biāo)與激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈之間的距離為R2，激光大氣衰減系數(shù)為μ(設(shè)作戰(zhàn)范圍內(nèi)的大氣衰減系數(shù)相同)，導(dǎo)引頭的接收面積Ar，導(dǎo)引頭光電探測器探測閾值為Prmin，接收光學(xué)透過率為τ2，目標(biāo)表面反射率為ρ1，通常情況下，目標(biāo)的尺寸大于指示激光在目標(biāo)上的光斑尺寸，即為大目標(biāo)。則指示激光到達導(dǎo)引頭光電探測器前的峰值功率Pt2為

(2)

指示器能指示的最遠(yuǎn)距離Rmax為指示激光到達導(dǎo)引頭光電探測器前的峰值功率等于導(dǎo)引頭光電探測器探測閾值時的距離，令Pt 2=Prmin，并將式(1)代入式(2)得

(3)

以某激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈為例，其目標(biāo)指示器激光波長λ=1.06 μm,R1取5 km,τ1，τ2，ρ1的值分別取0.9，0.9，0.5。Ar=1.2×10-3m2(相當(dāng)于接收口徑為φ40)[7]，導(dǎo)引頭光電探測器探測閾值為Prmin=10-6W。分別令指示器的峰值功率為5 MW,10 MW,15 MW，則大氣能見度與指示器最遠(yuǎn)可指示距離的關(guān)系由Python仿真得到，如圖1所示。

圖1 大氣能見度與導(dǎo)彈可被指示最遠(yuǎn)距離的關(guān)系Fig.1 Relationship between atmospheric visibility and the maximum distance a missile can be indicated

由圖1可知,激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈最遠(yuǎn)可被指示距離隨能見度的提升而增大。指示激光發(fā)射功率越大，導(dǎo)彈可被指示的距離越遠(yuǎn)。由此，對于給定型號的導(dǎo)彈，可以根據(jù)大氣能見度情況判斷其可能發(fā)射的距離，為我方把握干擾時機提供參考。

激光高重頻通常采用直瞄的干擾方式[8]。設(shè)高重頻干擾機的發(fā)射功率為PJ1，高重頻干擾機發(fā)射光學(xué)透過率為τ3，干擾激光發(fā)散角為θJ,干擾機與激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈之間的距離為R3,當(dāng)采取直瞄的方式進行干擾，到達導(dǎo)引頭光電探測器前的干擾峰值功率PJ2為

(4)

要實現(xiàn)成功干擾，干擾信號到達導(dǎo)引頭光電探測器前的峰值功率要求不小于指示信號到達導(dǎo)引頭光電探測器前的峰值功率[9]。令PJ2≥Pt2，化簡得

(5)

因R3≈R2，聯(lián)立式(1)和式(5)可得

(6)

數(shù)據(jù)不變，則大氣能見度與高重頻干擾激光最小功率的關(guān)系由仿真可得，如圖2所示。

圖2 大氣能見度與高重頻干擾機發(fā)射最小功率的關(guān)系Fig.2 Relationship between atmospheric visibility and minimum transmitting power of high-frequency jammer

由圖2仿真結(jié)果可以看出，大氣能見度越好,激光高重頻干擾機所需的最小發(fā)射峰值功率越高，說明能見度越高的天氣更有利于半主動精確制導(dǎo)導(dǎo)彈的打擊，而不利于激光高重頻的干擾。這是因為指示信號通常要經(jīng)過大氣的雙程衰減，激光高重頻只需經(jīng)過大氣單程衰減，因此隨著大氣能見度的提高，對指示信號的衰減減弱，就需要相應(yīng)提高干擾信號的峰值功率。

3 干擾激光重復(fù)頻率對激光高重頻作戰(zhàn)運用的影響

波門技術(shù)的使用大大提高了半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈的抗干擾性能，因此，必須使用高重復(fù)頻率的干擾激光，使得在導(dǎo)引頭波門打開的時間范圍內(nèi)有干擾信號“擠入”。又因?qū)б^波門通常采用首脈沖錄取制，即在波門內(nèi)同時出現(xiàn)兩個脈沖時，只處理第一個激光脈沖信號，因此，只有干擾信號超前于目標(biāo)指示信號進入導(dǎo)引頭的波門，才能實現(xiàn)成功干擾。在實施干擾時，干擾信號能否進入導(dǎo)引頭的波門以及超前進入的概率與干擾信號的重復(fù)頻率有關(guān)，下面建立干擾信號超前于目標(biāo)指示信號進入波門的概率(簡稱超前概率，即每次干擾成功的概率)的數(shù)學(xué)模型。

(7)

(8)

于是，干擾信號超前進入導(dǎo)引頭時間波門的概率Pgrcq為

(9)

取波門寬度分別為30 μs，50 μs，100 μs，可仿真出激光高重頻重復(fù)頻率與超前概率的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 激光高重頻重復(fù)頻率與超前概率關(guān)系Fig.3 Relationship between high-repetition-frequency and lead probability of laser

由仿真結(jié)果可知，在重復(fù)頻率一定的情況下，波門寬度越大,干擾信號超前的概率越大；波門寬度一定時，干擾重復(fù)頻率越高，干擾信號超前的概率越大。對于必須要達到一定干擾成功概率的情形下，導(dǎo)引頭的波門寬度越小，需要的干擾信號的重復(fù)頻率越高。

4 配置距離對激光高重頻作戰(zhàn)運用的影響

激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈通常具有一定接收視場角，干擾信號只有進入導(dǎo)引頭的接收視場才可能被導(dǎo)引頭的光電探測器接收而實現(xiàn)干擾目的。高重頻干擾信號是否能夠進入導(dǎo)引頭接收視場與干擾機配置的位置及導(dǎo)引頭的接收視場角的大小密切相關(guān)。理論上來說，高重頻干擾設(shè)備離被保護目標(biāo)越近，越容易進入導(dǎo)引頭的視場，但由于激光高重頻干擾可能將導(dǎo)彈引向自己，配置距離被保護目標(biāo)太近，容易殺傷被保護目標(biāo)。若配置距離過遠(yuǎn)，又不能進入導(dǎo)引頭的接收視場，導(dǎo)致干擾無效。因此合理選擇配置距離非常重要，應(yīng)當(dāng)高度重視。

設(shè)導(dǎo)彈最遠(yuǎn)被指示距離為Rmax,導(dǎo)引頭接收視場角為θd,則配置最遠(yuǎn)距離不得超過(如圖4所示)

圖4 敵激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈視場范圍Fig.4 Field of view of an enemy laser semi-active guided missile

(10)

導(dǎo)彈在發(fā)射后，向攻擊目標(biāo)不斷運動，導(dǎo)致在地面進入視場的范圍越來越小。因此，即使在導(dǎo)彈發(fā)射時高重頻干擾信號能夠進入導(dǎo)引頭視場，但隨著導(dǎo)彈的不斷飛行，高重頻干擾信號也會逐漸偏出導(dǎo)引頭的視場范圍。激光高重頻干擾裝備配置的最遠(yuǎn)距離應(yīng)當(dāng)根據(jù)干擾超前的概率留有一定余地，能夠確保在偏出導(dǎo)引頭視場前干擾成功，將導(dǎo)彈引向自己。根據(jù)實踐經(jīng)驗，應(yīng)當(dāng)將配置最遠(yuǎn)距離乘以一個安全系數(shù)Pgrcq，即配置最遠(yuǎn)距離為

(11)

高重頻干擾裝備配置的最近距離應(yīng)當(dāng)充分考慮導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度、殺傷半徑和波門形式。由于導(dǎo)彈在實際飛行的過程中，會受到大量來自導(dǎo)彈自身和外界的干擾，各干擾因素的大小及變化是隨機的，并且相互獨立、沒有一個主要因素，因此，導(dǎo)彈制導(dǎo)精度通常服從以目標(biāo)中心為均值的正態(tài)分布[10]，設(shè)導(dǎo)彈的精度為S0,根據(jù)誤差理論和概率學(xué)，通常導(dǎo)彈落在以目標(biāo)為中心、制導(dǎo)精度S0為半徑的范圍內(nèi)的概率為68.27%，落在以2S0，3S0為半徑的范圍內(nèi)的概率分別為95.45%,99.73%。若導(dǎo)彈的殺傷半徑為r0,則為了使被保護目標(biāo)不被導(dǎo)彈殺傷，激光高重頻設(shè)備配置離被保護目標(biāo)最小距離R應(yīng)當(dāng)滿足

R≥3S0+r0。

(12)

導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的波門通常分為固定型波門和實時型波門。固定型波門是以首次確認(rèn)的同步點依次預(yù)設(shè)后面的波門，在設(shè)置完畢后就不再改變，由于受激光器頻率抖動、光程差、導(dǎo)引頭和指示器時基一致性、時基頻率穩(wěn)定度等諸多因素影響，通常設(shè)置較寬(一般為100 μs左右)[11]；實時型波門是在確認(rèn)己方信號后，以當(dāng)前錄入脈沖的到達時刻為同步點，設(shè)置下一個脈沖的波門，因為實時波門可以消除累計誤差的影響，通常波門寬度可以設(shè)置較窄(一般為10～50 μs)。因此，對于實時型的波門來說，在每次干擾成功后，導(dǎo)引頭會根據(jù)干擾信號重新設(shè)置波門時間，致使目標(biāo)指示信號逐漸偏出導(dǎo)引頭的時間波門，最終飛向高重頻干擾機，配置的最近距離滿足式(12)即可。

對于固定型波門，即使干擾成功，波門也不會隨之改變，下次目標(biāo)指示信號仍可能進入波門將導(dǎo)彈引向目標(biāo)，導(dǎo)致導(dǎo)彈在目標(biāo)和激光高重頻設(shè)備之間來回偏轉(zhuǎn)，最終落入目標(biāo)與激光高重頻設(shè)備之間。導(dǎo)彈落地地點由干擾超前概率確定，干擾超前概率越高,落地地點距離激光高重頻設(shè)備越近。最終落地的地點應(yīng)當(dāng)滿足

RPgrcq≥3S0+r0

(13)

即

(14)

因此，對于實時型波門導(dǎo)彈，激光高重頻配置的距離范圍應(yīng)當(dāng)為

(15)

對于固定型波門導(dǎo)彈，激光高重頻配置的距離范圍應(yīng)當(dāng)為

(16)

以某激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈為例，殺傷半徑為30 m，制導(dǎo)精度為5 m，導(dǎo)引頭的接收視場角為3°，在能見度為15 km時，最遠(yuǎn)被指示距離為8 km。激光高重頻干擾裝備超前概率為80%，則對于實時型波門的激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈，激光高重頻配置的距離范圍應(yīng)為[45 m，168 m]，對于固定型波門的激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈，激光高重頻設(shè)備配置的距離范圍應(yīng)為[56.25 m，168 m]。

5 結(jié)束語

激光高重頻干擾受大氣傳輸?shù)挠绊戄^大，大氣能見度越高，激光高重頻干擾機所需的發(fā)射功率反而越高。為獲得較高的干擾超前概率，激光高重頻干擾的重復(fù)頻率不能過低。為使干擾激光能夠進入測距的接

收視場，干擾機配置的距離不宜過遠(yuǎn)；受導(dǎo)彈射擊精度和殺傷半徑的影響，干擾機配置距離也不宜過近。對于不同形式波門的導(dǎo)引頭，應(yīng)當(dāng)采取不同的配置距離。