舰艇光电对抗装备作战效能分析

2011-06-28汤永涛王国恩

舰船电子对抗 2011年5期

汤永涛，王国恩，陶金

（海军蚌埠士官学校，蚌埠233012）

0 引言

光电对抗是整个电子对抗的重要组成部分，它实质上是电子对抗在电磁频谱光波段的延伸。光电技术迅猛发展并大量应用于军事侦察、导航、搜索、跟踪、识别、火控瞄准和导弹，极大地提高了现代舰艇作战的威力，影响着战争的战略战术，因此，对光电对抗装备作战效能进行深入研究是目前非常重要的课题。

1 光电对抗作战效能指标分析

光电对抗设备的功能是敌对双方在光波段范围内，利用光电对抗设备和器材，对敌方光电制导武器和光电侦测设备等光电武器进行侦察告警并实施干扰，使敌方的光电武器削弱、降低或丧失作战效能。为了深入分析光电对抗的作战效能［1］，应从两方面考虑：

（1）光电设备侦察探测能力受光电对抗的影响，光电设备的侦察概率和范围下降到何种程度？

（2）光电对抗设备或器材对光电武器的削弱、甚至破坏，导致作战毁伤概率有多大的影响？

发现目标是硬武器打击目标的首要任务，对目标定位准不准也直接影响到杀伤范围。因此可以初步估算出作战毁伤概率受光电对抗的影响。设：P（F）为发现目标的概率；P（J）为击毁目标的概率；P（S／F）为发现目标条件下射击的概率；P（Z／S）为射击条件下命中的概率；P（J／Z）为命中条件下击毁的概率。

则命中毁伤时的击毁概率为：

这里，P（F）、P（Z／S）与光电对抗的作战效能有关，通过计算，便可得到作战效能受光电对抗的影响。

由于可见光、红外、激光等光电设备的工作方式不同，干扰方法各异，下面对舰艇主要光电对抗设备的干扰效果进行分析评估。

2 烟幕遮蔽的干扰效能分析

往往人们通过目力光学侦察发现目标会采用光电侦察设备来辅助侦察，并计算发现和识别概率，可以进一步分析侦察的效果，作为计算发现和识别目标的前提则是首先要知道目标与背景的视亮度的对比影响。为了很好地实现对光学侦察的干扰，采取了烟幕遮蔽的方式改变目标与观察者之间的光学传输特性，继而影响目标与背景视亮度对比，以影响目标的发现和识别概率。

2.1 烟幕遮蔽的作用原理

烟幕遮蔽的作用主要表现在对光的有效散射与吸收，由于光波波长各不相同，当光线进入烟幕时，受烟粒的形状、大小、表面粗糙程度等不同因素的影响，入射光线将表现为反射、折射、衍射、吸收和透过效果。随着这些效果的影响，结果将是透出烟幕的光辐射强度要比进入的光辐射强度小很多。光线能被有效衰减的主要原因是烟幕对光进行了散射和吸收。

烟幕对光的散射，是指当光线进入烟幕时，烟幕内部的烟粒子使光线向四处折射、衍射、反射，由于光线照射到烟幕微粒表面上会发射散射，这些散射光又被折射或反射到其他烟粒表面上，而这些光线接着被散射二次或多次，那么最终每个烟粒不仅会被入射的光线直接照亮，还会被周围其他烟粒散射多次后照亮，因此散射型烟幕是由于光在烟幕内部发生折射、衍射和反射等原因造成的。正是由于光线发生了散射，因此光线会被衰减，但同时烟幕会变得更亮。

烟幕既能散射光线，同时也可以吸收光线。烟幕微粒之间的分散介质（空气）会吸收光线，另外烟幕粒子也会吸收光线。烟幕粒子本身的原子、分子总是不断运动的，按照量子力学的观点，即每个分子和原子都存在一定数目的电子能级、振动能级和转动能级，由于烟幕粒子内部原子中的电子相对原子核的运动、振动和转动能量都是量子化的，同时每种分子、原子都有各自的振动和转动频率，易极化和极性分子都有几种震动频率，当这些分子、原子与其谐振频率相同的电磁辐射发生作用时，就会发射共振，即当入射光频率与振子的固有频率相等时，就吸收入射能量，使分子从较低的能级跃迁到较高的能级，即发生了选择性吸收。

此外烟幕粒子若采用电子的良导体材料，也会引起自由电子运动的变化，主要表现在对电磁辐射的连续吸收和反射特性，从而在原传输方向上形成衰减［2］。

烟幕对光的衰减，同样遵从朗伯－比耳定律，其透过率τS为：

式中：αS为烟幕的消光指数；RS为烟幕的有效厚度。

从上式可以看出，光线的有效衰减和吸收与烟幕的厚度成正比，烟幕的厚度越大，则对光的消光特性越强，衰减和吸收得也越多。

2.2 烟幕对目标背景视亮度对比的影响

光线在烟幕内部发生折射、衍射、反射，是烟幕亮度变亮的原因。目标与背景的视亮度对比发生了变化，经过观察者进行观察，出现的现象是目标与背景的亮度趋于等效，也就是说烟幕越亮，目标与背景之间的亮度对比主要表现为趋于下降，同时大气和烟幕对消光作用的影响还应考虑在内。

设目标背景、烟幕、观察者的位置关系如图1所示。

图1 观察点、烟幕、目标背景的位置关系

图1中，R为观察点与目标背景之间的距离，R1为烟幕边缘至目标背景之间的距离，R2为烟幕边缘至观察点之间的距离，RS为烟幕厚度，LH为天空亮度，Lo、Lb为目标和背景亮度，则目标的视亮度L′o为：

式中：Ls为烟幕亮度，考虑到实际应用时Rs，R1≪R，则R1＋R2≈R，R2≈R。

此时式（3）变为：

同理，背景视亮度为：

由此可得烟幕遮蔽条件下目标背景视亮度对比Kls为：

式中：rs为烟幕亮度系数。

由此可知，Kls＜Kl，当Kls≤亮度对比阀值ε时，目标和背景就会融为一体了。实际上烟幕遮蔽就是在光学侦察系统与目标背景之间形成一道有效的、降低透过率烟雾墙，为了破坏侦察和制导系统发现、识别和跟踪目标，还要考虑使目标与背景的视亮度对比达到亮度对比阀值以下。

2.3 烟幕遮蔽对目标的发现和识别概率

可通过参照文献［1］知道，亮度对比阀值ε是正态分布的随机变量［1］，通过下式求得视亮度对比为Kls、不同观察距离R处的目标在烟幕遮蔽时的发现和识别概率：

通过上述公式，只要确定出视角的变化规律和视亮度对比值，便可计算出在烟幕遮蔽下光电武器对目标的发现和识别概率［3］。

3 红外诱饵干扰效能分析

红外诱饵是一种具有一定辐射能量和红外频谱特征的干扰器材，用以欺骗或诱惑敌方红外侦测系统或红外制导系统。投放后的红外诱饵可使红外制导武器在锁定目标之前锁定红外诱饵，致使其制导系统降低跟踪精度或被引离攻击目标。然而红外诱饵是一种用于对抗红外非成像的红外制导导弹的点源式红外有源假目标。红外导引头的红外探测器能探测到红外辐射信号，从而攻击目标。当被保护目标受到红外制导导弹的威胁时，根据发射时机，在一定距离上发射出红外诱饵，由于红外诱饵的辐射强度要大于目标的辐射强度，从而红外制导导弹最终只会跟踪上红外诱饵，此时定义压制系数K为红外诱饵辐射强度与目标的辐射强度之比，临界压制系数K＊为目标被逐出导弹视场的辐射强度最小比值，显然，要使干扰有效，必须满足：

按比例导引规律跟踪的红外导引头，实际使用时，压制系数必须是临界值的若干倍，攻击时才能偏向红外诱饵，而不是目标本身。

在红外制导导弹跟踪目标情况下，红外诱饵被适时投放到一定距离后开始燃烧，红外诱饵与目标会同时出现在红外导引头视场内，由于导弹跟踪两者的等效辐射能量中心，而红外诱饵的红外辐射强度大于目标的强度，所以等效辐射能量中心会偏向红外诱饵；随着目标的机动，红外诱饵与目标的距离会越来越远，红外导引头逐渐偏向能量大的一方，也就是红外诱饵一边；当目标离开红外导引头的视场范围以后，红外制导导弹就只能跟踪红外诱饵，目标的威胁就会消除［4］。

红外诱饵能够干扰红外制导导弹主要应满足下面几个条件：

（1）诱饵的红外辐射能量必须远远大于被保护目标的红外辐射能量；

（2）红外诱饵与被保护目标所辐射出的红外光谱必须相近或一致；

（3）为了保证被保护目标在脱离导引头视场角内时红外诱饵一直都在燃烧，红外诱饵的燃烧时间必须足够长，才能保证导弹导引头无法重新锁定被保护目标；

（4）为了达到引偏红外制导导弹的效果，红外诱饵与目标的距离不能太远，必须保证与目标均处在导弹导引头视场内；

（5）在红外诱饵被投放出去后，被保护目标要能够迅速机动，并与红外诱饵之间形成一定相对运动，才能将导弹引偏。

如图2所示，设红外诱饵与质心点对导引头的张角为θ1，目标和质心点对导引头的张角为θ2，红外诱饵与目标对导引头的张角为θ＝θ1＋θ2，导弹的导引头视场角为ω，红外诱饵的辐射强度为Jj，目标辐射强度为Js，则：

图2 红外质心干扰示意图

质心点与目标和诱饵在垂直于跟踪轴方向的横向距离为d1，d2，则有：

根据前面定义的压制系数K，即：

于是当K＜1时，导弹偏向被保护目标一侧；当K＞1时，导弹则偏向红外诱饵一侧。

由于被保护目标是舰艇，具有一定的实际面积，因此定义以被保护目标的几何中心为圆心的区域为安全圈。这里设安全圈的半径为r，当该区域有红外制导导弹进入或通过时，则认为会对保护目标形成伤害。因此，干扰成功的条件是必须使红外制导导弹偏离此区域。安全圈的大小与被保护目标的类别、导弹的爆炸威力、引信的类型及目标参数等均有关。

根据图2所示，安全圈与目标和红外诱饵之间

经分析可得出如下结论：红外制导导弹最后跟踪到保护目标还是红外诱饵与压制系数有直接关系，如果红外制导导弹最后跟踪上红外诱饵，则压制系数为K≥K＊；如果红外制导导弹最后跟踪被保护目标，则压制系数为K≤1；如果红外制导导弹最后跟踪谁是等概率随机的，则压制系数为1＜K＜K＊。连线的交点为B点，导引头与B点到质心点的张角为θ3，则当θ3＝ω／2时，导引头恰好将安全圈（保护目标在内）偏出视场范围内，而临界压制系数K＊便是在此时定义的，当θ3＞ω／2时，安全圈（保护目标在内）则偏出红外导引头视场角，转向红外诱饵，而：