激光对红外成像反舰导弹的对抗能力分析＊

2012-06-07赵世明

舰船电子工程 2012年11期

何康陈翾赵世明

（91336部队秦皇岛 066326）

1 引言

红外成像制导导弹是一种采用被动制导模式的飞航武器，是根据目标与背景的表面温度或发射率差异从对目标场景所成的红外影像中识别、跟踪以及锁定目标，并最终对目标实施打击，具有打击精度高、隐蔽性强、抗电磁干扰性强、受天气状况影响小、全天候作战等优点，对海面舰船目标形成了日益严峻的威胁。传统的点源型红外诱饵干扰弹已无法对抗红外成像制导武器，迫切需要一种新的光电对抗手段来降低红外成像制导武器对舰船目标的精确打击威胁。

低能激光技术的逐渐成熟为舰船对抗红外成像制导武器开辟出了一条新的有效途径，已引起了众多学者及科研机构的高度关注［1～4］。低能激光武器对抗红外成像制导武器的方式分为软破坏和硬破坏两种［5］。软破坏是针对红外成像导引头的一种暂时性的干扰方式，是利用激光的光学效应使得制导装置中的光敏元件受到激光照射后产生光饱和效应及记忆效应，致使导引头性能下降无法准确跟踪与锁定目标。硬破坏是针对导引头的一种永久性的、无法恢复的破坏方式，是利用激光的热效应和力学效应致使导引头中的光敏器件发生热熔融、龟裂、断裂、击穿等现象，致使导引头彻底丧失制导能力。

本文将首先对激光对反舰红外成像制导导弹的对抗距离范围进行推导；然后对影响激光对抗距离范围的各个因素分别进行分析；最后对激光对抗武器系统的响应时间进行规定。

2 舰载激光武器的对抗距离范围

激光武器对抗反舰红外制导导弹是只有在一定的距离范围内才有效的，这个距离范围的大小能够在一定程度上反映出激光对反舰导弹对抗能力的强弱。定义Rmax和Rmin分别表示激光对抗距离范围的上下限。

2.1 激光对抗距离上限Rmax

Rmax表征的是舰载激光武器对抗反舰红外成像制导导弹的最大距离，它主要由以下两个因素决定。一是导引头光敏元件接受到的激光功率密度要大于其饱和阈值；二是激光器与导引头间的距离要小于激光器的直视距离。满足上述两个条件的最大激光器与导引头间距即是Rmax。

当激光照射导引头，其光敏元件接收到的激光功率密度等于饱和阈值ρ0时，无法正常跟踪与锁定目标，此时激光器与导引头间的距离定义为最大激光干扰距离R0。激光器距离导引头R时，导引头中的光敏器件接收到的功率密度Pe为［5］

式中，0.84为分布在Airy斑第一暗环内部的光能百分比；P0为激光器输出功率；τ1为激光在R距离内传输的大气透过率；τ2为导引头整流罩透过率；τ3为光学系统的光学效率；θ为激光武器瞄准跟踪的精度；D为导引头光学镜头直径；Φ为光敏元件尺寸；d为导引头表面激光光斑半径，表示为

式中，θs为激光光束发散角，包括光束衍射发散角θy，大气湍流引起的发散角θt以及激光光源抖动引起的发散角θd，即

θy与激光波长λ、激光发射望远镜孔径D0以及光束质量因子β相关，表示为

θt可以由下式计算：

式中，b＝1.22；r0为大气相干长度；k＝2π／λ；ε为目标天顶角（h）为大气折射率结构常数，见文献［6］。

θd与激光武器跟踪装置的结构相关，在近似估算时，可以假定：

将式（2）代入式（1）并令Pe＝ρ0，即可得出激光最大干扰距离R0，为

图1 直视距离示意图

由观测点和目标的高度以及大气折射效应决定的观测目标的最远距离称为直视距离。舰载激光武器的对抗距离范围的上限还受到直视距离d0的影响，如图1所示。A点代表激光器，B点代表激光光束与地表的切点，C点代表导弹，O点表示地心，h1为激光器高度，h2为导弹飞行高度，ae为考虑大气折射效应后的等效地球曲率半径。

式中，a0为地球平均曲率半径，6370km；dn／dh为大气的折射系数n随海拔高度h的变化率。当R＞d0时，激光无法到达导引头。所以激光对抗距离范围的上限Rmax应该在R0与d0间取小，即

2.2 激光对抗距离下限Rmin

舰船利用舰载告警装置发现红外制导导弹来袭时，即刻采用激光对其实施干扰，同时舰船自身一般采取小角度转向以及加速机动的方式来进行规避。假设导引头受激光干扰后失效，此时导弹将沿受干扰前的记忆方向惯性飞行。如果目标位置不变，导弹对其仍然具有威胁。为了避免受干扰后的导弹仍然威胁舰船目标，要求舰船进行加速规避。定义舰船要求的最小规避距离为Dm，而在舰船行驶Dm距离的时间t内导弹的飞行距离即是激光对抗距离范围的下限Rmin。当R＜Rmin时，即使对红外成像制导导弹实施激光干扰，导弹仍有可能威胁目标。假定舰船的最小规避距离为一倍舰船长度L；导弹匀速飞行，速度为vm；舰船匀加速度直线规避，初始速度为v0，加速度为a，则Dm为

由式（11）可以解得：

则Rmin为

所以，激光对抗红外成像制导导弹的有效距离范围为［Rmin，Rmax］。当Rmin＞Rmax时，激光无法对抗反舰红外成像制导导弹。

3 激光对抗距离下限影响因素分析

激光对抗红外成像制导导弹距离范围的下限Rmin主要由来袭导弹的速度vm、舰船的初始航速v0以及舰船发现来袭导弹后的规避加速度a决定。当舰船规避加速度a一定时，vm和v0对Rmin的影响如图2所示。当舰船初始航速v0一定时，a和vm对Rmin的影响如图3所示。

图2 vm和v0对Rmin的影响（a＝1m／s2）

图3 a和vm对Rmin的影响（v0＝5m／s）

从图2与图3中可以看出，激光对抗距离的下限Rmin与导弹的突防速度vm成正比，与舰船的初始速度v0以及加速度a成反比。从激光对抗的角度考虑，希望尽量减小激光对抗距离的下限值以拓宽激光对抗反舰红外成像制导导弹的距离范围。所以，提高舰船的机动性（提高航行速度与瞬时加速能力）有助于增强激光对反舰红外成像制导导弹，特别是制导末段采取超音速突防的导弹的对抗能力。

假定反舰红外成像制导导弹的制导末段以2.3Ma的速度攻击舰船目标，舰船长度为140m，舰船的初始航速为8m／s，舰船以0.8m／s2加速度进行规避。将以上数据代入公式（13），计算出Rmin为8.77km。也就是说，在满足上述条件的前提下，要想舰载激光武器对红外成像制导导弹具备对抗能力就必须在导弹距离舰船8.77km以外对其导引头实施有效激光干扰。

4 激光对抗距离上限影响因素分析

激光对抗距离的上限主要由直视距离d0和最大干扰距离R0决定。在激光器高度与导弹飞行高度一定时，d0主要受大气的折射系数随海拔高度的变化率dn／dh影响，而R0由激光器性能、导引头性能以及环境因素共同决定。对于激光对抗来说，导引头的性能是固定的，所以本文主要分析激光器性能以及环境因素对激光最大干扰距离的影响。红外成像导引头中的探测器材料采用光导型HgCdTe红外焦平面器件，工作波段8～12μm，像元数为320×240，光敏器件元尺寸为30μm，导引头光学镜头直径为150mm，焦距为50mm，导引头整流罩透过率为0.8，光学系统的光学效率为0.5，光敏器件饱和阈值为20.5W／cm2。

4.1 激光直视距离估算

地球周围大气环境非常复杂，时刻都在发生变化。大气折射率n是光波长λ、大气温度T、气压P、水气分压PH2O等的复杂函数，要想实时、准确地获取大气折射率分布状况非常困难，通常采用统计分析的方法总结得出大气折射率的分布公式。由Lorentz-Lornz公式可知大气折射率n为［7］

式中，dP／dh为大气压力随高度的变化率；dT／dh为大气温度随高度的变化率。

在对流层内，大气压力与温度随海拔高度的变化关系分别为［8］

式中，P0为海平面大气压力；T0为海平面大气温度；β为高度温度变化率，－0.0065k／m；M 为干燥空气分子量，28.966；g 为重力加速度，9.81m／s2；R＊为万用气体常数，8314.36J／（K·Kg）。由式（16）～（18）可得：

本文中，假定导弹飞行高度（h2＝15m），激光器高度h1＝12m。由于导弹与激光器高度都在海平面附近，所以可以假设在这一高度上的大气温度和压力与海平面上的大气温度和压力相比没有太大变化。将T＝T0＝293K，P＝P0＝1.01×105Pa，λ＝10.6μm，h＝（h1＋h2）／2代入公式（19）得出，dn／dh＝－2.531×10－8m－1并代入式（8）和式（9）可以得出激光直视距离d0＝28.613km。

4.2 环境因素对最大干扰距离的影响

激光光束在大气中转播时，由于大气分子和气溶胶粒子的吸收和散射作用，其能量会出现衰减，这将会对激光武器对抗红外成像制导导弹的能力产生极大地影响。通常采用大气透射率来描述大气对激光光束的衰减作用。本文利用MODTRAN通用大气传输计算软件对大气透射率进行计算。在MODTRAN软件中，大气透射率τ1与气象模型、大气路径类型、传输距离Rtr、气溶胶模型、气象距离VIS、海拔高度h、光波长λ等因素相关。不同气象距离（VIS）下的激光传输的大气透射率如图4所示。

图4 大气透射率τ1与传输距离Rtr的关系

从图4中可以看出，激光传输的大气透射率τ1与气象距离VIS成正比，与传输距离Rtr成反比，VIS越小、Rtr越大，激光能量衰减越严重。所以在激光器性能固定的情况下，VIS决定激光最大干扰距离R0的大小，见表1。其中，激光器输出功率P0＝10W，激光武器瞄准跟踪系统的精度θ＝10μrad，激光波长λ＝10.6μm，激光发射望远镜孔径D0＝50cm，光束质量因子β＝3。从表1中可以看出，气象距离越大，激光的最大干扰距离越大。

表1 不同VIS下的R0

4.3 激光器性能对最大干扰距离的影响

图5 P0和D0对R0的影响

图6 P0和β对R0的影响

激光器的性能参数包括激光器的输出功率P0、激光发射望远镜孔径P0以及光束质量因子β都将决定R0的取值。不同的激光发射望远镜孔径下，最大干扰距离与激光器输出功率的关系如图5所示。不同的激光光束质量因子下，最大干扰距离与激光器输出功率的关系如图6所示。从图中可以看出，提高激光器发射功率、增大激光发射望远镜孔径以及减小光束质量因子有助于增大激光对红外成像制导导弹的最大干扰距离，提高激光武器的光电对抗能力。

5 激光武器系统的响应时间要求

满足上述条件Rmax＞Rmin时，并不能完全认定激光武器系统对红外成像制导导弹具备对抗能力，它还受到该武器系统响应时间的影响。舰载激光对抗武器系统是集导弹告警、跟踪、瞄准和干扰为一体的武器防御系统。当该系统中的告警装置发现导弹来袭时，立即向跟踪以及瞄准装置发出指令并最终命令激光器对威胁导弹发出干扰激光光束。从告警装置发现异常到激光器接到指令发出干扰光束的这段时间称为激光对抗武器系统的系统响应时间Rmin。激光对抗武器系统对反舰导弹要想形成有效对抗，必需在导弹距离舰船Rmin以外即发出干扰光束，则系统响应时间tr：