新式激光假目標的研究與設計

2021-11-05 03:01:48宗思光楊劍波

激光與紅外 2021年9期

吉強,宗思光,楊劍波

(海軍工程大學電子工程學院,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,是對抗半主動激光制導武器的有效手段[1],實施引偏干擾的核心在于使用激光誘餌假目標引偏來襲導彈。

目前,常用的激光假目標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,漫反射板使用時,需在武器來襲之前布設好,以保證進入導引頭視場內的反射光光強高于被保護目標[2],靈活性差。當沒有漫反射板可供使用或目標處于機動中時,可就地取材,選擇自然地物作為假目標[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,還可利用波動的海面作為假目標,但選取的海面假目標需依托合適的海況、選擇合適的干擾激光入射角等[4-6],布設要求高復雜且干擾效果不可控。

針對這幾種常用的激光假目標的不足,本文提出了兩種新的激光假目標——伴飛式激光假目標和無人機載光纖激光假目標。下面將從其概念、使用時機、特點、布設方法和載機、材料的選擇幾個方面進行分析探討。

2 伴飛式激光假目標

2.1 伴飛式激光假目標概念及使用時機

伴飛式激光假目標的干擾應用是將激光誘餌搭載在可懸停的多旋翼無人機上,以懸停或機動的方式應對隨機來襲激光制導武器。這種無人機誘餌可直接做為假目標,亦可通過精準的控制,在導彈距離無人機的合理距離釋放激光誘餌并迅速離開武器毀傷區,達到無人機再回收的目的。伴飛式激光誘餌可單獨使用、少數幾臺布設配合使用和多臺智能編組使用。

伴飛式激光假目標可在以下場合和時機使用:

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

(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,海面無法布設漫反射板,同時海面平靜并無法確定激光導彈來襲方向,以至于難以形成有效的海面漫反射目標時；

(3)艦艇于海上遭遇激光制導武器打擊時；

(4)其他因環境受限可布設伴飛式激光假目標的場合。

2.2 伴飛式激光假目標的特點

一是假目標布設迅速、操控性強。在目標被激光指示器照射之后,激光告警器發出告警,導引頭尚未鎖定目標,此時無人機可攜帶誘餌升空。在獲得具體的制導信息后,可由計算機控制無人機到準確的干擾位置懸停就位。無人機的飛行速度、飛行高度、所攜帶角反射器的朝向角度等均可控可調且反應速度快。

二是假目標靈活機動,干擾能力強。激光制導武器為防止角度欺騙干擾,有時會通過減小導引頭視場角的方式,減小視場內地物。此時,假目標要起到干擾作用,必須離真目標足夠近,而距離過近則會導致即使假目標干擾起效,真目標依然處于武器的殺傷半徑之內。伴飛式假目標較好地解決了這個問題,假目標可以在被導引頭鎖定之后,逐漸遠離真目標從而將武器誘偏,干擾能力較固定假目標好。

三是假目標高度較高,安全性好。被誘偏的激光制導武器與伴飛式激光假目標在空中相遇后爆炸,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的高速度巖石碎片的多重損傷更安全[3]。

四是假目標布設方便,影響因素少。空中環境較地面更為簡單,一般不會有障礙物,可以滿足假目標與被保護目標或者多個假目標之間的通視條件。除了考慮氣象條件外,一般不受其他影響。布設時對起降環境要求低,各方面影響因素少。

2.3 伴飛式激光假目標特性分析

伴飛式激光假目標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的光強。有效反射面積與角反射器的大小和激光束相對角反射器底面的入射角有關[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切圓切割,其有效反射面積為:

(1)

通過分析可以得出,相對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。

角反射器使用時,由激光干擾機復制或轉發敵來襲指示激光信號,設干擾機出射能量為P0,激光發散角為ω,激光干擾機與角發射器距離R,則角反射器底面反射光強為[8]:

(2)

在距離D處的激光導引頭接收到的光強為:

(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 伴飛式激光假目標布放

(1)伴飛式激光假目標干擾實施方式

當被保護目標受到敵激光半主動制導武器的指示器照射時,被保護目標附近的激光角度欺騙干擾設備識別出敵指示激光的編碼信息,復制與其編碼信息相似或相同的激光干擾信號,控制激光干擾機輸出信號,照射空中的角反射器假信號,在武器來襲方位上形成一個很大的干擾空域。由于干擾信號的光強高于真實目標反射的激光信號,武器導引頭選擇伴飛式激光假目標的方位作為調整誤差控制信號,而導向伴飛式激光假目標,達到角度欺騙的目的[9]。誘偏效果如圖2所示。

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

(2)激光假目標布放方位和角度

上文對激光半主動制導炸彈的使用方式研究認為,不論是本機照射還是它機照射,皆可認為激光告警器定位的激光目標指示器的方向即為激光武器所在方向。在設置假目標時,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真實目標,通常將假目標布設在導彈來襲方向且距導彈較遠的一端。

(3)激光假目標布設距離

假設制導炸彈投彈高度為H=3 km,投彈距離為D=10 km,導彈視場角為ω=2°,激光干擾設備從此時收到激光告警器告警到完成信號的解碼復制響應時間為6 s。此時炸彈已飛行3.9 km,距離目標6.1 km,高度降至1.83 km。炸彈視場角在海面的投影是一個長軸為920 m,短軸為216 m的橢圓。假目標布設效果如圖3所示。

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

此時無人機飛行高度(距海面)不宜超過178.5 m。若按照無人機上升速度為20 m/s計算,從接到告警即升空,無人機高度為120 m,在武器視場之內。激光干擾機發出干擾激光,此時武器視場內會出現兩個目標,若機載假目標光強高于真實目標,武器即發生航跡的偏離。隨著武器的靠近,無人機可向武器攻擊方向機動并逐漸減小干擾區域,最大限度地保證目標的安全。

3 無人機載光纖激光假目標

3.1 無人機載光纖激光假目標概念及應用場景

無人機載光纖激光假目標是將光纖激光誘餌搭載在無人機平臺上,激光干擾機位于地面被保護目標上(或周圍),發射或轉發與武器指示激光相關的編碼信息,該干擾激光束信息經光纖激光傳遞出去,并隨著無人機的機動在空中形成干擾激光,即形成了可誘偏激光制導武器的假目標。

無人機載光纖激光假目標具有機動性強、可操控性強、布設方便等優點,但其相較于傳統制式假目標和自然地物成本略高。通常可考慮布設在以下場景:

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

(2)艦船在海上遭到激光制導武器打擊時；

(3)坦克、戰車等在機動中周圍沒有適合的自然地物可供選擇時；

(4)其他因環境受限可布設無人機載光纖激光假目標的場合。

3.2 無人機載光纖激光假目標引偏裝備構成

這套無人機載光纖激光假目標主要由以下五部分構成:

(1)激光干擾設備

激光干擾設備包括激光信號處理器和激光干擾機,一般須同激光告警設備、指控系統協同工作。其基本組成如圖4所示。

圖4 激光干擾設備結構框圖Fig.4 Structure block diagram of laser jamming equipment

激光告警設備在探測到敵武器的激光制導信號后,將信號原碼信息傳輸給干擾設備的激光信號處理器,同時將武器的方位信息傳輸給指控系統。激光信號處理器通過對原碼脈沖時序進行解碼分析,復制或轉發與其相同或相關的干擾信號,采用超前同步轉發的輸出方式,控制激光干擾機產生激光干擾信號。在可識別敵激光目標指示信號編碼,并能使干擾信號提前進入導引頭波門的情況下,使用復制或轉發的激光干擾信號進行欺騙干擾,以較小的功率誘偏來襲武器,這種方式被稱為應答式或轉發式激光干擾；在無法識別敵激光目標指示信號編碼,或不能使干擾信號提前進入導引頭波門的情況下,上述欺騙效果不佳,可控制激光干擾機輸出高重復頻率的壓制式干擾信號,這種干擾方式對激光發射機的功率要求較高,被稱為高重頻激光干擾。激光干擾機進行應答式或轉發式欺騙干擾時,連續出光時間不得低于5 min；進行高重頻壓制干擾時,連續出光時間不得低于2 min。

(2)激光光纖

用于傳輸干擾激光信號的光纖應滿足以下幾個條件:

①適應強度高。激光傳輸光纜常用于地勢復雜的山區、瀕海要地或艦船之上,激光光纜應適應這些地方的高濕環境,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進行高速放線,會產生宏彎損耗和微彎損耗,若環境溫度較低,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。為保證在作戰使用過程中,光纖可以正常傳遞干擾信號,必須將附加損耗控制在特定的范圍內[10]。

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

(3)高速放線設備

放線設備的放線速度應可調可控,要與無人機的上升、下降、平飛速度相匹配。由于武器導引頭視場有限,要求假目標不能離被保護目標太遠,并且典型的激光制導炸彈殺傷半徑不大于200 m,所以光纜不需要太長,使用300 m左右的光纜即可。在光纜繞線時,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,每層只繞數匝,拉開每匝之間的間距進行疏繞。之后再進行密繞,如此反復進行,即形成奇數層為密繞層,偶數層為疏繞層的光纜線圈[11]。

(4)無人機

無人機選用可懸停、垂直起降的多旋翼無人機,負載為激光鏡頭和300 m的激光光纖。無人機上升、下降、平飛速度大于20 m/s,飛行高度大于200 m,續航時間大于10 min。

(5)激光光纖出口準直器

激光光纖出口準直器可對出射激光進行準直,并可通過調節焦距改變出射激光的發散角。在武器較遠時,激光發散角大,形成的干擾區域大,可使激光制導武器盡早捕獲假目標；當武器抵近之后,可將光束角調小,直至將真實目標隔離在干擾光區之外。準直器內部裝有平凸透鏡,透鏡與光纖距離即為焦距,調節焦距對激光發散角的影響如圖6所示。

圖6 焦距對激光發散角的影響Fig.6 Influence of focal length on laser divergence angle

3.3 干擾實施方式

當被保護目標受到敵半主動激光制導武器的指示器照射時,被保護目標附近的激光角度欺騙干擾設備識別出敵指示激光的編碼信息,復制與其編碼信息相似或相同的激光干擾信號,控制激光干擾機輸出信號,而后通過激光光纖傳送至無人機載的光纖終端輸出干擾信號,在武器來襲方位上形成一個很大的干擾空域。由于干擾信號的光強高于真實目標反射的激光信號,武器導引頭選擇光纖激光假目標的方位作為調整誤差控制信號,從而導向光纖激光假目標,達到角度欺騙的目的。以車輛裝備為例,誘偏效果如圖7所示。這種激光假目標的布設參考上文的伴飛式激光假目標布放實施方法。