激光干擾紅外成像型導引頭的效能研究

李林林

中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所,河南 洛陽 471009

0 引言

激光定向對抗系統通過定向發射高能量的紅外激光干擾紅外導引頭,是目前最有效的紅外制導導彈對抗措施[1-2]。第1代、第2代紅外導引頭采用紅外點源制導方式,通過對目標的紅外輻射信號進行調制得到目標角度信息,進而實現對其的跟蹤,這一固有特性使得點源制導式導引頭在面對激光干擾時顯得十分脆弱[3-4]。激光定向對抗系統成功干擾此類型導引頭只需滿足以下2個條件:①運用調制技術使干擾激光脈沖頻率與導引頭調制頻率一致[5];②干擾與信號能量比在100～1 000。條件①所需的激光調制技術比較成熟,且調制干擾參數在實驗室即可獲得,條件②中的干擾與信號能量比在目前技術條件下也易于達到。因此,激光定向對抗系統能夠成功干擾第1、第2代紅外點源制導導引頭,實現對該類紅外制導導彈的有效對抗。然而,最新一代的紅外成像型導引頭不再通過點源調制的方式獲取目標位置信息,而是先通過對目標成像,然后利用多幀圖像處理的方式檢測目標在圖像中的像素位置得到目標角位置信息,實現精確跟蹤[6-7],其跟蹤和抗干擾措施均依靠內置的圖像處理軟件算法實現,對干擾信號本身調制與否并不敏感,這就導致針對點源制導導引頭設計的激光干擾方法對紅外成像型導引頭的干擾效能大幅下降。因此,有必要對激光干擾紅外成像型導引頭的干擾效能進行分析和研究,得到激光成功干擾紅外成像型導引頭的條件和能量等要求,指導激光定向對抗系統的針對性設計,提升系統的干擾效能,達到對紅外成像制導導彈的防護要求。

1 紅外成像型導引頭工作原理

紅外成像型導引頭的基本組成如圖1所示。

圖1 紅外成像型導引頭的基本組成

目標跟蹤機制如下:在導彈發射后,紅外探測器對目標紅外輻射能量進行光電轉換,得到數字化的紅外圖像,經過圖像濾波、目標檢測與識別,區分出目標、背景和干擾信號,再按多幀圖像序列檢出方式進行目標跟蹤,得到目標的角度信息,進而得到導引頭的瞄準指令和制導系統的導引指令,引導導彈按照預設的制導律正確飛向目標[8-9]。

目標圖像檢測與識別是紅外成像型導引頭抗干擾的核心,其利用圖像特征區分視場中的目標和干擾信號[10],這些特征量類型十分豐富,包括目標最大灰度的歸一化平均值、灰度分布方差、像素數半徑的均方根等。其中最常用的特征量為圖像偏心率,也稱“圓度”,反映了目標在紅外圖像上的形狀特征,其定義如下。

(1)

式中:P為目標在圖像上的周長,A指目標圖像面積。對于規則的圓形,圖像偏心率為1。

通過對圖像樣本庫中的目標和干擾的圖像偏心率分別進行計算并統計,可以得到各自圖像偏心率發生的分布曲線(見圖2)。從圖2可以看出,在原本接近圓形的圖像區域中,誘餌彈的圖像偏心率出現了一個尖峰,這與目標截然不同,因此,可以利用該形狀特征來區別誘餌彈和真正的目標。

圖2 目標和誘餌彈圖像偏心率的分布曲線

2 激光干擾工作原理

激光定向對抗系統(DIRCM)突出“定向”,主要克服紅外誘餌彈、紅外干擾機全向輻射、能量密度低的影響,將干擾能量會聚在狹窄的激光光束中,然后采用高精度的跟瞄設備將“光束”指向來襲導彈導引頭,使導引頭接收信號飽和失效,從而破壞導引頭的跟蹤性能,使導彈偏離正確軌跡,達到高效干擾的目的。激光干擾功率密度高、作用距離遠、相對誘餌彈來說“彈藥無限”,能夠實現飽和式壓制干擾(見圖3),是一種通用、有效的紅外對抗手段[11-13]。

圖3 激光定向對抗系統對紅外導引頭的干擾效果圖(部分圖像飽和和完全飽和)

激光定向對抗系統的具體優點如下。

1)激光干擾源為相干光源,光束發散角很小(毫弧度量級),干擾能量可高度集中照射到導彈導引頭,因此具有更遠的干擾距離。

2)紅外激光器的工作波長容易覆蓋1～3、3～5μm導引頭工作波段,因此能夠用于干擾各類、各代便攜式紅外制導導彈。

3)采用導彈告警設備(MWS)被動無源探測威脅,且紅外干擾激光定向發射,大大提高了干擾的隱蔽性。

4)系統體積小、質量輕,模塊化設計,維護性好。

雖然激光干擾能量密度高,易于干擾第1代、第2代點源制導紅外制導導引頭,但如前文所述,紅外成像型導引頭采用了更先進的圖像處理檢測技術,能夠有效區分真正的目標和干擾。事實上,激光干擾施加至紅外成像型導引頭后,其與誘餌彈表現的圖像形狀特征也類似,可采用相同的抗干擾圖像處理方法抑制激光干擾效果。即使激光干擾和誘餌彈掩蓋了目標的部分特征,目標還具有其他圖像特征,只要有1個特征被探測到,紅外成像型導引頭就能夠進入抗干擾工作模式,進而保持對目標進行持續的跟蹤,所以,在這種情況下,激光很難成功干擾紅外成像型導引頭。

為了對激光干擾紅外成像型導引頭的效能進行研究,須要分析激光成功干擾紅外成像型導引頭的條件,然后利用試驗的方法,得到激光成功干擾紅外成像型導引頭的能量等要求。

3 激光成功干擾紅外成像型導引頭的條件

分析激光干擾成功的條件首先要確定激光的能量和發散角。為增加進入導引頭的有效干擾激光能量,激光定向對抗系統中的激光通常會盡量減小激光發散角,壓窄光束,使能量輸出更加集中。但是,激光發散角是需要綜合設計的指標,不能無限減小,因為激光光束需要有足夠大的發散角來補償系統的瞄準和跟蹤誤差,激光發散角設計就是在減小發散角增加能量集中度和增大發散角允許一定的跟蹤誤差之間權衡的結果。

本文以能量1 W和發散角1 mrad作為干擾激光的統一參考基準,這也是工程上常用的激光干擾設計參數。

3.1 激光干擾光斑散射分析

激光干擾紅外成像型導引頭,破壞對目標的跟蹤主要是依靠強激光作用在導引頭成像區域后形成的強烈光斑來湮沒目標,使導引頭無法檢測目標角度信息,從而偏離預定攻擊彈道來實現的[14]。

激光干擾作用在圖像上的光斑大小主要取決于激光光斑在導引頭光學系統中的散射水平,這也決定了紅外成像型導引頭對激光干擾的敏感程度。激光光斑在光學系統中的散射主要是由光學鏡片及其表面的加工缺陷和材料純度不足而產生的。目前,光學鏡片加工能夠達到很高的質量,所以可以認為鏡片表面對激光光斑產生的散射和主體材料產生的散射是相同的。

光學元件對入射激光干擾的散射模型用雙向散射分布函數(BSDF)表示,反映光線散射量隨偏離入射光線角度值的變化。典型的ZnSe材料BSDF曲線如圖4所示(圖中0°代表視場中心)。在導引頭的應用中,只需關心橫坐標在1～5的光線散射量,因為導引頭的視場通常為4°～5°。

圖4 典型雙向散射分布函數(BSDF)曲線

從圖4可以看出光學材料越差,激光干擾的散射光斑越大。高質量和較差質量的ZnSe材料對光線的散射量有4個量級的差距。同時,由于激光的能量集中在中心,視場中心和邊緣的光斑散射量也形成幾個量級的差距。只要到達視場邊緣的散射能量低于紅外成像型導引頭探測器響應飽和值,導引頭就能夠利用這一信息大致定位光斑的位置,也代表了目標的角度信息。

3.2 激光散射光斑尺寸分析

用能量1 W和發散角1 mrad的激光對紅外成像型導引頭進行照射,得到激光在導引頭紅外探測器焦平面上產生的散射光斑(見圖5)。可以看出,在成像型導引頭紅外探測器的焦平面中間區域,干擾激光光束產生了一個圓形的飽和區域,且信號強度隨著半徑的增大而減小,信號強度的變化曲線如圖6所示。

圖5 激光在紅外探測器焦平面(320×256像素)上產生的光斑

圖6 紅外圖像中信號強度分布曲線

由圖5和圖6可知,能量為1 W的干擾激光未能使紅外成像型導引頭探測器的所有區域飽和,意味著導引頭視場內依然存在關于目標位置的有用信息使其進入抗干擾工作模式,引導導彈飛向正確的目標方向。所以說,1 W能量的干擾激光不能成功干擾紅外成像型導引頭。

為實現對紅外成像型導引頭的成功干擾,需要在發散角不變的前提下提升干擾激光的能量,使干擾激光光斑覆蓋導引頭全部視場,完全湮沒目標。具體多大的能量的干擾激光能夠達到成功干擾的條件,需要通過具體的試驗得出。

3.3 激光干擾效能試驗分析

3.3.1 紅外成像導引頭參數

為對不同能量激光的干擾效能開展試驗,首先要構建完整的紅外成像型導引頭模型,確定包括干擾激光參數在內的所有相關試驗參數。表1為本文所采用的紅外成像型導引頭主要參數。

表1 紅外成像型導引頭主要參數

3.3.2 試驗方法和過程

在基于表1的參數建立紅外成像型導引頭模型后,采用發散角為1 mrad的激光干擾源對該紅外成像型導引頭開展干擾試驗,通過干擾后的紅外圖像是否完全飽和來判斷是否成功干擾(圖像完全飽和代表激光能量達到損傷閾值),同時采用激光能量計測得干擾激光在導引頭處的激光能量密度并記錄(見圖7)。

圖7 激光干擾效能實驗布局

試驗中的變量主要是激光的能量(單位為W)和激光干擾源至紅外成像型導引頭的距離(單位為m)。相同能量干擾激光離導引頭距離越近,則激光作用在紅外成像型導引頭處的能量密度越高。

3.3.3 試驗結果分析

通過上述試驗,最終總結得到不同激光能量在紅外成像型導引頭上的功率密度隨距離變化的曲線,如圖8所示。

圖8 激光干擾能量功率密度隨距離變化曲線

圖8中的三角點水平線是通過建模分析得到的導引頭焦平面損傷閾值,其功率密度量值在10 000 W/cm2左右。實線代表了干擾激光功率為1 W時紅外探測器焦平面上的能量,虛線表示了1 W激光在探測器邊緣視場的散射能量,通過這2條曲線說明1 W能量的激光無法超過損傷閾值而對紅外成像型導引頭形成有效干擾,在邊緣視場尤其如此,該結論也與上述的分析結果相符;在不斷提高激光能量至100 W后,能夠產生足夠的能量功率密度使導引頭探測器整個焦平面飽和,達到成功干擾紅外成像型導引頭的條件,但前提是此激光干擾在距離導引頭1 000 m之內,超過1 000 m距離就無法成功干擾。如果繼續提升激光能量,則能夠達到更遠的激光干擾距離。

對激光成功干擾紅外成像型導引頭進一步的討論就是考慮激光干擾和紅外成像型導引頭抗干擾2個對立維度的技術發展上限。事實上,隨著激光器技術的快速發展,提升激光能量相對比較容易,而導引頭抗干擾所依賴的激光防護技術則有其固有的限制,例如文獻[15]中采用特殊光學材料能夠衰減將近70%的入射激光能量,但是如果激光能量呈現3～4倍的增長,即使面對如此顯著的能量衰減,激光依然能夠實現對導引頭的成功干擾。

4 結束語

通過對激光成功干擾紅外成像型導引頭的條件和效能的試驗分析,證明了使探測器焦平面響應完全飽和是激光成功干擾紅外成像型導引頭的條件,同時得到了具體的干擾激光能量要求。從試驗結果來看,低能量激光是無法成功干擾紅外成像型導引頭的。為達到成功干擾的條件,需要提升干擾激光能量至100 W,即便如此,也僅能達到1 000 m的干擾距離指標。如果需要在更遠的距離上成功干擾紅外成像型導引頭,則需要繼續提升干擾激光能量。

隨著激光技術的不斷發展,未來的激光干擾技術將會和激光定向能武器研發交叉融合,從目前的信號“飽和干擾”最終質變為對紅外制導導彈的“硬毀傷”,達到對所有類型紅外導引頭更直接且效果更好的對抗性能。