面源红外诱饵对多元红外导引头的干扰效能分析

马 榜，万 纯，周建波，黄 烽，王 刚，陈 宁

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)



面源红外诱饵对多元红外导引头的干扰效能分析

马 榜，万 纯，周建波，黄 烽，王 刚，陈 宁

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)

分析多元红外导引头的目标跟踪、识别原理及典型的抗干扰措施，提出相应的干扰策略和方法。研究面源红外诱饵对多元红外导引头的干扰机理，建立了面源红外诱饵对多元红外导引头的干扰模型，进行了干扰效能仿真分析，结果表明，面源红外诱饵对多元红外导引头具有良好的干扰作用。

多元红外导引头；面源红外诱饵；红外辐射；干扰效能

0 引言

多元红外导引头与传统的点源型导引头相比具有较强抗干扰能力，能有效地识别导引头视场内真假目标，对空中目标构成威胁。而面源红外诱饵弹是一种能模拟目标红外辐射特性、光谱特性、空间散布特征的干扰弹[1]，研究其对多元红外导引头的干扰效能十分必要。本文通过分析多元红外导引头的抗干扰能力，以及面源红外诱饵的辐射特征，仿真分析面源红外诱饵对多元红外导引头的干扰效能。

1 多元红外导引头抗干扰分析

正交四元红外导引头采用的是“圆锥扫描光学系统+正交四元探测器”的模式，它使导弹具有区分瞬时视场中多个辐射源的能力。即同轴式反射光学系统的次反射镜相对主镜光轴倾斜一个小角度，陀螺旋转时，像点在光学系统焦平面上作圆锥扫描，依此扫过四个探测臂，输出目标的脉冲信号，如图1所示。

图1 正交四元红外导引头工作原理示意图

1.1 目标识别

如图2所示，当像点扫过导引头的探测臂时，由于探测臂所接受的目标能量发生变化，可得到随时间变化的幅值幅度电信号，即为目标的波形大小。由于存在衍射和像差的原因，其像点是具有一定大小和形状的弥散圆，且辐射功率分布不均匀，H可认为是辐射源在弥散圆上的功率分布H(x)。由于位标器的圆锥扫描引起目标像点与各探测臂之间的相对运动，只有弥散圆在探测臂上有投影时，才会产生电压信号。则探测臂上的辐射功率为：

(1)

式中，S为弥散圆在探测臂上的投影面积。

图2 弥散圆通过探测臂示意图

令S1(φ1)为圆O1通过探测臂最右端的弓形面积ACB，S2(φ2)为圆O2通过探测臂最左端的超弓形面积A′C′B′，则目标弥散圆在探测臂上的实际投影面积为：

(2)

又由式(2)，得到弥散圆投射到探测臂的辐射功率[2]：

I(ωt)=∫H(x)dS1-∫H(x)dS2=I(φ1)-I(φ2) =H(x)r(x)2((φ1-cosφ1sinφ1)-(φ2-cosφ2sinφ2))

(3)

式中，φ1、φ2分别为：

(4)

(5)

通过波形宽度W从背景中识别出目标，一般情况下背景信号的宽度W大于1ms，而在距离较远时，目标的宽度W在0.2～0.8ms之间。导引头进行目标识别时，应在以上宽度范围内，通过门限和幅值的大小进行选择。

1.2 目标跟踪

1)目标的脉冲相位解算

目标红外辐射经光学系统会聚，成像于探测器的敏感面上。如图3所示，当目标正好位于光学系统的光轴上时(ε=0)，像点轨迹的圆心O′与正交四元探测器中心O重合。像点以等间隔时间扫过R、D、L、U四个探测器，探测器输出等间隔的脉冲信号，与基准脉冲信号无相位差，因此脉冲信号无调制信息，没有发出跟踪指令。当目标偏离光学系统光轴某一角度ε时，则像点圆心O′与探测器中心O不重合，O′与O之间的偏离量ρ与误差角ε的关系式为[3]：

(6)

式中，f为光学系统焦距。

图3 目标脉冲的方位示意图

此时，像点扫过四个探测器的时间间隔不相等。探测器输出的脉冲信号与各自的基准脉冲信号存在相位差，即脉冲信号包涵了脉冲调制信息，脉位信息为：

(7)

式中，ε和θ分别为目标相对于探测器的误差角和方位角。

根据脉冲的相位关系，检测出误差信号，实现对目标的跟踪。根据当前周期目标相位，设置下一周期的探测信号波门。该波门信号根据目标信号的宽度调整，一般情况下远小于整周期信号的宽度，在下一周期进行数据处理时，只对波门信号内的数据进行计算。波门宽度的选择与目标波形的宽度、每一周期目标运动的最大视线角度等有关。

2)放大和AGC(自动增益控制)

在飞行过程中，导弹接收到的目标红外辐射能量由于目标辐射特性和弹目距离的变化会有几个量级的差别，因此需要具有变增益能力以补偿这种变化，使信息处理系统能够在相对稳定和准确的输入下工作。由于弹目距离变化而导致的调制信号幅度的变化可达数百倍；目标加力或导弹大角度跟踪等状态的变化会造成视场内目标红外辐射能量的变化。但当导弹判断进入抗干扰状态时，需要冻结放大AGC的放大倍数，避免目标和诱饵分离时，由于目标红外红外辐射强度低于门限而无法检测到目标。

1.3 抗干扰能力分析

红外干扰弹开始投放时与目标重合，然后逐渐与目标分离。在跟踪过程中，如果目标波形的幅值突然增大，导引头处于可能被干扰状态，此时导引头仍然跟踪幅值增大后的波形，同时记忆幅值增大前的波形。当目标和干扰分离时，导引头检测到2个波形，通过与幅值增大前的波形相比较，波形相近的为真实目标并进行跟踪，导引头恢复到正常跟踪状态并等待下一个干扰的出现[4]，如图4所示。

图4 抗干扰识别图

结合多元红外导引头的抗干扰能力，主要分析基于辐射、脉冲宽度、运动差异的抗干扰技术，以及视场收缩的抗干扰技术[5]，并提出相应的干扰策略。

1)辐射特性差异

红外干扰弹在起燃0.5s左右达到稳定燃烧状态，此时的辐射强度最大。当目标和红外干扰弹的脉冲分开时，导引头视场内红外干扰弹脉冲信号幅值明显大于目标脉冲信号幅值，目标识别算法剔除幅值较大的脉冲信号。抗干扰分析：要求红外干扰弹在有效作用时间内辐射强度维持在一定范围内，尽可能地与目标的辐射强度变化一致。如果能够在导引头瞬时视场内形成持续干扰源，就能使多元红外导引头一直处于抗干扰模式，或者目标和干扰分离时，使导引头无法通过辐射强度差异识别出目标。

2)脉冲宽度差异

当弹目距离较近时，导引头视场内目标和红外干扰弹的像点特征明显，信号脉冲宽度差异大。导引头可以通过脉冲宽度差异，选择最接近目标脉冲宽度的信号进行跟踪。抗干扰分析：要求红外干扰弹具有一定的扩散面积，能够形成与目标辐射特征相似的像点，或者某时刻导引头视场内目标与红外诱饵弹的像点重合，导引头无法通过脉冲宽度进行识别。

3)运动特性差异和视场收缩

当输出脉冲幅值和宽度都较接近时，为鉴别红外干扰弹的存在，导引头能记忆目标上一周期的位置或识别目标和红外干扰弹位置和速度差异，然后通过脉冲相位的差别来区分目标和红外干扰弹。同时导引头采用了软件波门技术将跟踪视场缩小为1°左右，红外干扰弹只有处于缩小后的跟踪视场中才能对导弹起干扰作用。抗干扰分析：由于红外干扰弹在导引头跟踪视场内相对速度大于目标，其信号脉冲比目标信号脉冲更偏离基准信号。红外干扰弹只有选择适当的投放时间和方向，保证进入导引头收缩视场内，脉冲相位距基准脉冲距离比目标要近，才能成功干扰导引头。

2 面源红外诱饵干扰模型

面源红外诱饵是目前最有效的红外干扰手段之一。面源红外诱饵释放后其内部的大量燃烧单元迅速扩散、燃烧，形成具有一定形状和灰度分布的辐射区域，可以模拟飞机辐射分布[6-7]。首先对面源红外诱饵进行建模仿真，主要分为诱饵运动模型和诱饵辐射特性研究两个方面。

2.1 运动特性建模

本文研究的面源红外诱饵是一种有若干燃烧单元组成的扩散体。因此首先要对面源红外诱饵的运动扩散特性进行研究。

1)单个燃烧单元的质心运动学方程

设m表示单个燃烧单元的质量，a表示单个燃烧单元质心的加速度矢量，∑F为作用在单个燃烧单元上的外力矢量和。则在地面坐标系中单个燃烧单元的质心方程为：

(8)

在单个燃烧单元坐标系下，加速度a表示为：

a=dv/dt=d(vxi+vyi+vzk)/dt

(9)

vxi+vyi+vzk=(dvx/dt)i+(dvy/dt)j+(dvz/dt)k+vx(di/dt)+vy(dj/dt)+vz(dk/dt)=(∂v/∂t)+ωv

(10)

式中，ω为单个燃烧单元坐标系的旋转角速度。

将式(10)代入式(9)中，投影到三个坐标轴上分量为：

(11)

单个燃烧单元的运动要考虑转动，其转动方程为[8]：

dL/dt=Mxy

(12)

式中，Mxy为单个燃烧单元所受合力对质心产生的力矩和；L为单个燃烧单元转动时对单元质心产生的动量矩，其积分表达式为：

(13)

式中，r为单个燃烧单元上微元的受力半径。

[9]介绍的方法，得到单个燃烧单元在不同情况下所受气动力和力矩，代入以上方程式，可以求得单个燃烧单元飞行速度v随时间的变化规律。

2)单个燃烧单元的运动学方程

建立单个燃烧单元的运动学方程，表达式为：

(14)

通过坐标转换矩阵，求得单个燃烧单元的运动方程为：

(15)

由单个燃烧单元的运动学方程，求出方程右边的参数，给定单个燃烧单元的初始空间位置，就能得到单个燃烧单元的空间位置(xg,yg,zg)随时间变化的规律。

对于面红外诱饵整体的扩散运动仿真，首先设定若干燃烧单元的初始速度飞行姿态服从一定的概率分布，然后解算其运动方程，得到面源红外诱饵扩散分布。假定载机飞行高度为8km，飞行速度为200m/s。初始速度和飞行姿态服从U(25,35)的均匀分布，得到3s时刻面源红外诱饵三维分布散点图如图5所示。

图5 3s时刻面源红外诱饵三维分布散点图

2.2 辐射特性计算

面源红外诱饵的辐射模型由材料的物理性能和化学反应、空气气流的热交换以及诱饵扩散规律等决定。由于燃烧反应物质有限，面源红外诱饵的辐射随时间必然是一个先增大后减小的过程，描述这个过程的重要参数是起燃时间和燃烧持续时间。分别计算单个燃烧单元3～5μm和8～14μm两个波段下的正侧方红外辐射强度随时间的变化规律，如图6所示。

图6 不同波段下的单个燃烧单元辐射强度仿真结果

结合整体的扩散运动模型，可以得到面源红外诱饵的辐射特征，为干扰多元红外导引头提供技术支持。

2.3 干扰机理分析

面源红外诱饵被目标机投射后，能在其附近形成与被保护目标相似的红外辐射图像，诱骗多元红外导引头丢失跟踪目标。为了使面源红外诱饵能够有效对抗多元红外导引头，必须保证：控制起燃时间在0.5s以内；形成的红外辐射强度尽量与目标一致，红外辐射光谱分布相似；扩散图像保证在有效的持续时间内，形成对目标的遮挡或融合。

面源红外诱饵对抗多元红外导引头，需根据多元红外导引头的抗干扰能力和弹目距离，选择适当的时机。当导弹距离目标较远时，目标和面源红外诱饵在多元红外导引头视场内呈现点目标特征，导弹主要通过脉冲幅值和运动特性差异进行识别和跟踪。面源红外诱饵在导弹发射后，应尽可能地投放诱饵落到导引头视场内，控制投放间隔，保证诱饵的脉冲辐射和运动轨迹相似于被保护目标。当弹目距离较近时，多元红外导引头能通过辨识目标和诱饵弹的脉冲宽度，识别出干扰源。此时应通过控制面源红外诱饵的投放数量和间隔，保证诱饵的像点遮挡或融合目标像点，欺骗导引头偏离目标。

3 仿真分析

3.1 导弹导引和运动模型

导引律是指导弹按照一定规律飞行，控制导弹攻击目标的运动轨迹。常用的是比例导引法，即导弹速度矢量的转动角速度和视线的转动角速度正比关系，其比例系数为N。

(16)

导弹运动模型和目标的运动模型不是本文研究的重点，可参考相关文献。

3.2 干扰评价模型

为评价面源红外诱饵的干扰效率，用干扰情况下导弹的命中率作为干扰指标。定义导弹脱靶量R为命中率统计的性能指标[10]：

R=((xp-xm)2+(yp-ym)2+(zp-zm)2)1/2

(17)

式中，(xp,yp,zp)为目标的质心坐标，(xm,ym,zm)为导弹的质心坐标。

(18)

(19)

式中，L为飞机长度，H为飞机高度，W为飞机翼展。

3.3 仿真结果分析

仿真初始条件设为飞机飞行高度为9000m，飞行速度为200m/s，飞行方向沿x轴方向。导弹为多元红外导弹，导引头视场角为3°×3°，偏航角0°，俯仰角0°。面源红外诱饵投放速度为30m/s。设弹目距离为5000m时导弹来袭，目标机分别在不同时机投放单枚面源红外诱饵，以及投放不同数量的面源红外诱饵，仿真结果如图7～12所示。

分别对面源红外诱饵释放的每个时刻进行1000次仿真，统计结果计算导弹命中率，如表1、图13、图14所示。

图7 未投放面源红外诱饵仿真轨迹图

图8 导弹发射时投放1枚面源红外诱饵仿真轨迹图

图9 发射0.5s后投放1枚面源红外诱饵仿真轨迹图

图10 发射1s后投放1枚面源红外诱饵仿真轨迹图

图11 目标机投放2枚面源红外诱饵仿真轨迹图

图12 目标机投放4枚面源红外诱饵仿真轨迹图

枚数投放时机导弹发射后0s(5000m)导弹发射后0．5s(4500m)导弹发射后1s(4150m)导弹发射后1．5s(3450m)导弹发射后2s(2750m)09595．89696．696．9140．946．359．762．367．6218．521．1///413．215．6///612．714．1///

图13 投放时间对单枚面源红外诱饵干扰效能影响

图14 投放数量对面源红外诱饵干扰效能影响

分析仿真结果可知，从投放时机和数量上看，当目标发现导弹跟踪时立即投放面源红外诱饵干扰效果最好，随着弹目距离的逼近，面源红外诱饵的干扰成功率降低。同时随着投放数量的增加，导弹命中率越来越低，但从4枚到6枚导弹命中率降低不显著，考虑到经济性，投放4枚面源红外诱饵干扰效能最优。

在导弹发射初期，由于弹目距离较远，目标的红外辐射受大气衰减严重，多元红外导引头只能接收到微弱的目标信号，没法完全记忆目标的辐射特征。面源红外诱饵能模拟目标的辐射特征，刚开始面源红外诱饵与目标的像点重合或者部分遮挡，当目标和诱饵分离时，导引头很难分辨目标和诱饵的信号脉冲幅值，往往选择幅值强度略大的面源红外诱饵为跟踪点，造成导弹脱靶。随着弹目距离的逼近，多元红外导引头能清晰识别目标的信号脉冲，面源红外诱饵与目标分离时，也能形成诱骗干扰，但相对于导弹发射初期，面源红外诱饵干扰效率降低。

投放多枚面源红外诱饵能增大面源红外诱饵的辐射面积，保证面源红外诱饵能长时间和目标辐射特征重合，使多元红外导引头一直处于抗干扰状态，导弹无法正常跟踪目标。目标和导弹分离时，多元红外导引头视场内存在多组与目标脉冲宽度相似的干扰源信号，增大导引头处理信号的难度，使面源红外诱饵的干扰成功概率增大。

4 结束语

本文从多元红外导引头的识别和跟踪原理出发，分析对其有效的干扰策略，通过建立面源红外诱饵的干扰模型，仿真导弹、飞机和面源红外诱饵的对抗过程，验证面源红外诱饵对抗多元红外导引头的干扰策略。统计分析多次仿真结果，得出结论：面源红外诱饵对多元红外导引头具有很好的干扰效果，并且在导弹发射初期投放4枚面源红外诱饵干扰效果最佳。■

参考文献：

[1] 陈宁，万纯，黄峰，等．红外面源诱饵干扰有效性分析先进[J]．航天电子对抗，2012，28(6)：38-41．

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[3] 初学莲，吴奇峰，张元生.脉冲调制干扰源对正交四元红外干扰导引头干扰研究[J]．红外技术，2012，34(5)：301-305．

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[9] 马榜.基于红外对抗仿真的面源诱饵干扰策略研究[D]．西安：空军工程大学，2015.

[10]黄鹤松.战斗机红外系统攻防对抗最佳策略研究[D]．西安：空军工程大学，2014.

Interference effectiveness of surface-type IR decoy to multi-element IR missile seeker

Ma Bang, Wan Chun, Zhou Jianbo, Huang Feng, Wang Gang, Chen Ning

(No.8511 Research Institute of CASIC，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

The target tracking, recognition principle and typical anti-interference measures of multi-element IR missile seeker are analyzed, and corresponding strategies and methods are put forward. Jamming mechanism of surface-type IR decoy to multi-element IR missile seeker is studied, interference models of surface-type IR decoy to multi-element IR missile seeker are established, and interference effectiveness is analyzed. Analysis results show that it has good interference effect.

multi-element IR missile seeker; surface-type IR decoy; IR radiation; interference effectiveness

2016-04-18；2016-09-12修回。

马榜(1987-)，男，助工，硕士，主要研究方向为红外对抗仿真。

TN972；TN976

A