对激光近炸引信的无源干扰技术研究

苏如意，周遵宁

(1. 中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120；2. 北京理工大学机电学院，北京 100081)



对激光近炸引信的无源干扰技术研究

苏如意1，周遵宁2

(1. 中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120；2. 北京理工大学机电学院，北京 100081)

随着激光近炸引信技术的发展，其在抗外界干扰方面的性能得到了显著提高。在了解激光近炸引信抗干扰性能的基础上，研究了对其进行无源干扰的原理及方式。研究表明：虽然激光近炸引信的抗干扰性能得到了提高，但烟幕、气溶胶和水幕等对其干扰依然有效。

激光近炸引信；无源干扰；烟幕；气溶胶；水幕

0 引言

激光亮度高、方向性好、单色性好、相干性好，使得应用激光作为探测手段的激光近炸引信在探测精度、探测距离、角分辨力、抗干扰能力等许多方面有其特有的优点。它的这些特点弥补了无线电近炸引信和红外近炸引信的不足。20世纪90年代以来，激光近炸引信已被广泛应用，而有效对抗激光近炸引信的威胁也成为未来战场上的重要课题。

1 激光近炸引信

1.1 工作原理

激光近炸引信是一种主动型的引信，它本身发射激光。激光束通常以重复脉冲形式发送，光束到达目标后发生反射，有一部分反射激光被引信接收系统接收变成电信号，经过适当处理，使引信在距目标一定距离上引爆战斗部[1]。

由激光近炸引信的原理可以看出，其主要任务是测出光束从发射瞬间到遇目标后反射回来的光波返回到引信处的时间τ0。这样就可得到弹头与目标之间的距离R，即：

(1)

由式(1)可见，目标距离的获取实际上是对测距回波信号到达时间的测量。

激光近炸引信按其工作原理可分为主动式和半主动式两类，目前应用多是主动式的。主动式激光近炸引信原理图如图1所示。

图1 主动式激光近炸引信原理图

对于整个近炸引信系统而言，发射光学系统产生所要求的频率、能量的激光，并以光束的形式向空间辐射光能量，以空间形成所需的探测场，同时给出同步信号，此时的时刻记为t0；当反射光波反回到引信时，接收光学系统完成由目标返回激光的探测、目标信号的识别，此时的时刻记为t1。则：

(2)

由(1)、(2)式即可求得弹目之间的距离R。若此距离为近炸引信的启动距离，导弹就会被执行机构引爆，否则导弹将继续飞行，直至距离达到启动距离。

1.2 抗干扰性能

作用于激光近炸引信的干扰主要有两类。一类是引信内部产生的干扰，包括接收机的固有噪声、发射接收之间的光信号泄漏(发射系统中强电信号的辐射及通过电源地线耦合到接收系统中形成的干扰)。另一类是外部干扰，包括背景、海浪、雨、雾、雪及云层等自然干扰，还有人工干扰。由于本文主要研究无源干扰，所以只针对外部干扰方面进行分析。

传统脉冲体制的激光近炸引信虽然有优良的抗干扰性能和其它优越性，但它的优越性一般是在减小作用距离、提高工作信噪比、牺牲瞬时性的复杂信号处理能力等条件下取得的，所以对于外部干扰，脉冲体制没能从根本上解决抗干扰问题。于是有人提出采用可编程逻辑门阵列器件实现大视场激光近炸引信目标识别信息处理系统可有效提高抗云雾干扰性能[2]。也有人提出一种“云雾压制与边缘增强复合探测技术”。它是用相邻距离信号相减来抑制云雾杂波干扰和识别真实目标存在，消除了因悬浮微粒所引起的虚警探测[3]。还有人提出了一种通过探测回波的偏振信息来解决激光近炸引信抗悬浮粒子干扰问题的新方法[4-5]。北京理工大学在伪随机码激光引信探测系统方面对背景干扰和有源干扰的抗干扰性做了研究。研究表明其抗干扰性能比较好，尤其在有源干扰方面[6-7]。在激光近炸引信的发射脉冲宽度方面对抗干扰性能的研究表明,发射脉冲越窄，激光引信的测距精度越高，目标回波特征信息就越丰富，抗干扰能力也更强[8-10]。由于发射窄脉冲需要的高功率的电源，有人在引信发射单元的设计上做了研究[11]。另外有人对双色激光近炸引信的抗干扰性能进行了研究，研究表明该方法可应用于引信的抗干扰，在烟雾浓度大时尤为有效[12]。

2 无源干扰的可行性研究

激光近炸引信测距的实质是测定激光从发射到目标反射回来的总时间。如果改变这一时间就能起到干扰作用。显然，如果在弹目之间合适的位置进行干扰，就能改变这一时间。对激光近炸引信的对抗通常有两类：有源干扰和无源干扰。

2.1 有源干扰的局限性

有源干扰技术由一系列通过辐射、转发、发射和吸收光波能量，达到削弱和破坏对方光电设备使用性能的技术措施构成。主要有干扰机、欺骗式诱饵、致盲武器和反辐射激光武器等。有源干扰的对抗要求较多。对于欺骗系统来说，其发出的信号必须与被干扰的激光信号具有相同波长、脉宽和更高重复频率的激光信号；还须调整其输出功率，使到达敌方导引头的激光欺骗干扰信号高于导引头的阈值功率；为了配合欺骗式干扰，要对所保护的目标采取激光隐身等技术来降低目标表面的半球反射率，从而使到达敌方激光导引头的真实信号功率低于导引头的阈值功率；对于假目标而言，其距所保护目标必须足够远，使被保护目标处于敌方激光武器的杀伤半径之外等[13]。由于有诸多条件限制，研制周期长，对抗波段窄，对抗效率与可靠性不高，对预警系统的要求高等问题，所以相对于无源干扰，实现有源干扰难度较大。

2.2 无源干扰的可行性

由于目前激光近炸引信的工作波段是1.06 μm，处于近红外波段。而大气中的云雾、烟气、雨雪等很容易对光束造成影响。烟幕、气溶胶、水幕等干扰剂粒子(固体微小颗粒或水滴)对激光有显著的消光作用和后向散射作用。消光后，激光近炸引信的接收光学系统无法接收到接收阈值以上的有效回波，实现遮蔽效果，使被保护目标隐身。引信就无法测定距离完成引爆任务；后向散射后，激光近炸引信接收到的回波信号，会误认为是目标的回波，进而对测量距离产生误判，导致早炸。

由以上分析可知：无源干扰主要是将烟幕、气溶胶或水幕等人工制造的物质施放在被保卫目标与干扰目标之间的传输通道上，将被保卫目标在烟幕等无源干扰物所形成的屏障中隐蔽起来，降低其被探测与识别的机率，或干扰回波以达到干扰测距的目的。

3 无源干扰

无源干扰技术的主要因素有遮蔽波段、衰减率、有效干扰面积、持续时间、形成时间和使用环境要求等。其中遮蔽波段与衰减率是决定光电无源材料技术性能的两项最重要指标，有效干扰面积和持续时间是衡量无源干扰战术使用性能的两项重要判据[14]。对于激光还需要增加对其特定波长的后向散射率等指标。本文将对烟幕、气溶胶和水幕的遮蔽波段、衰减率和后向散射率等方面进行研究，来表征它们的干扰效果。

3.1 烟幕

烟幕是最主要的无源干扰技术，是用人工方法造成的在一定时间和范围内起迷茫或遮蔽作用的烟云。它是靠悬浮于空气中的固体微粒反射和折射光线而起到干扰作用的。通常的激光干扰材料是碳基(石墨等)干扰粉剂、铜基干扰粉剂和组合型干扰粉剂。组合型干扰粉剂具有干扰波段宽、体积消光系数大、不导电、相容性好、滞留时间长等特点，对激光的遮蔽率达到90%以上[15]。由于铜基干扰粉密度大，沉降速率大，一般不单独使用。

单位体积内烟幕微粒多，对入射激光的反射、散射和吸收就越多，激光的透射能力就越弱，不仅会造成目标的遮挡和模糊，也会造成激光近炸引信误输出目标信号的发生[12]。当微粒直径显著大于入射光波波长时，微粒使光只产生反射和折射，光入射到烟幕上，一部分由其表面反射，另一部分被折射。当微粒直径显著小于入射光波波长时，发生分子散射(瑞利散射)。当微粒直径增大时，微粒对入射光的散射强度迅速增大，便形成粒子散射(米氏散射)。实验证明：当粒子直径大约与光波波长相当时，产生的散射最大。当烟幕微粒直径接近于可见光波长时，烟幕微粒不仅能散射，而且能吸收一部分光。烟幕微粒将光能转化成其他形式的能。所以烟幕微粒对激光传输的影响是：随着波长的缩短，造成的散射和衰减吸收会加大。分子散射和粒子散射会具有显著的区别，波长较长的光波在烟中的散射和衰减吸收会小很多[16]，远红外波段的激光的散射远远小于近红外波段的激光。所以烟幕粒子的粒度应该根据所对抗的激光波段来选择，以达到最佳的散射和衰减吸收效果。

由于1.06 μm波段的激光对烟幕的抗干扰性先天不足，近来各国都在加紧研制远红外波段的激光近炸引信。10.6 μm的激光对烟幕的穿透能力明显高于1.06 μm的激光。但浓厚烟雾对各波段激光的遮蔽作用都很大，使其透射性大大降低，所以研究高密度的烟幕是的研究方向之一。另外的对抗10.6 μm激光的途径是寻找其它干扰材料。如含P-O-C键的磷酸锆在9.5 μm～20.5 μm，含Si-O-Si键的硅氧烷、硅酸盐在8.7 μm～10.0 μm都有较强的吸收[17]。AI粉、Cu粉和石墨粉等，由于受红外辐射的激发而引起自由电子的运动，从而在8 μm～14 μm大气窗口区的红外活性比较显著[18]。10.6 μm的激光在红磷烟幕中透过率较低。石墨烟幕对10.6 μm波长的激光也具有非常优异的衰减效果。另外在雾油烟幕中添加石墨发烟剂以后对10.6 μm激光的消光系数增加更加显著[19]。

目前，烟幕装备系统在主要有发烟火箭车、烟幕弹和直升机烟幕系统。发烟火箭能在10s内50～200m的空间内形成一道能够持续不短于1min的烟幕，能够完全遮避目标。

3.2 气溶胶

气溶胶是以人工方法造成的雾云。它是靠悬浮于空气中的小液滴反射、折射、吸收和散射光线而产生干扰效果的。它属于液体烟幕的一种，是一种非烟火型的宽波段干扰材料。其干扰波段从可见光到毫米波和雷达波段，以及1.06 μm和10.6 μm的激光波段。由于水等小液滴的后向散射对激光的影响难以消除，所以是目前对抗激光近炸引信武器的有效手段。气溶胶不产生任何烟火，且无毒无腐蚀，所以特别适合于在已方阵地上运用。

如图2所示：设功率为P0的激光辐射在大气气溶胶中传输距离L后功率衰减为P并且未出现非线性效应，则其透过率服从描述单色光辐射在大气中衰减的Lambert-Beer定律，即：

(3)

式中，T为传输距离L后激光的透过率，P0为激光辐射通过气溶胶前的功率，P为激光辐射通过气溶胶后的功率，β为气溶胶衰减系数(包括散射和吸收)。

图2 气溶胶对电磁辐射的衰减机理[19]

式(3)表明激光功率随传输光程的增加呈指数规律衰减，因此，如何增加气溶胶的浓度与厚度是研究的主要内容；另外衰减系数与气溶胶液滴的粒度和激光的波长有关，选择合适粒度的气溶胶是有效对抗激光的另一项内容。美国研制的无色无毒的406B气溶胶据称能有效衰减1.06 μm和10.6 μm波段的激光，对CO2激光的衰减高达77%。

3.3 水幕

水幕是指水在高压喷射状态下形成的水雾。水分子对激光的吸收作用十分显著，可造成激光的严重衰减。当水雾粒径在5 μm～15 μm之间时，不仅水雾可保持较长时间，而且对可见光、近红外以及中红外波段的隐身效果也好[14]。它对激光的干扰原理与气溶胶基本相同，但由于水雾一般在目标附近施放，所以可以吸收目标散发的部分热量，减少目标红外辐射强度。这是气溶胶所不具备的。现在的水幕可达几米或几十米，但由于激光应用波段将向远红外波段发展，由Lambert-Beer定律可知：更厚的水幕才能起到更好的干扰和隐身的作用。

现代战争中，水幕主要用于海面舰艇和大型地面目标的保护。王吉心等通过实验定量模拟了甲板和空气中施放泡沫-水两用幕厚度对光衰减效果的影响，研究表明，衰减幅度最高可达95.8%(空中)与98.4%(甲板表面)[20]，因此，水幕可以对激光近炸引信产生有效的干扰效果。

4 结束语

虽然激光近炸引信的作战效率、作战距离和抗干扰能力都得到了提高。但烟幕、气溶胶和水幕等光电无源对抗以其成本低、宽波段的遮蔽效果、易于实现等优点，在现代战争中应用日益广泛。发展高性能的光电无源对抗技术有很高军事意义。未来的激光近炸引信将向着准纳秒的超窄激光脉冲、多维成像、远红外波段(如10.6 μm)抗干扰、360°全视角和数字化(DSP)方向发展，而光电无源对抗技术将向着面源化、更宽波段干扰、新型干扰材料(以获得长时间大面积干扰)等方面发展。■

[1] 崔占忠, 宋世和, 徐立新. 近炸引信原理 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2005.

[2] 吕华, 姚宏宝, 陈平. 大视场激光引信目标识别方法研究 [J]. 红外与激光工程, 2005 (4): 427-429.

[3] 梁冬冬. 数字化激光引信回波波形处理算法仿真研究 [D]. 哈尔滨工业大学, 2006.

[4] 孟祥盛. 基于偏振探测的激光引信 [J]. 航空兵器, 2008 (1): 42-45.

[5] 刘健, 柯熙政, 胡淑巧, 等. 激光偏振特性在近炸引信中的应用 [J]. 西南大学学报(自然科学版), 2010 (5): 162-165.

[6] 闫晓鹏, 栗苹, 陈慧敏, 等. 伪随机码激光引信探测系统设计 [J]. 光学技术, 2008(S1): 292-294,296.

[7] 王伟, 邓甲昊, 黄艳, 等. 基于伪随机码的激光引信探测技术 [J]. 北京理工大学学报, 2003 (6): 754-758.

[8] 李合新, 张京国, 高宠. 激光引信脉冲宽度对目标回波的影响研究 [J]. 航空兵器, 2011(3): 52-55.

[9] 胡俊雄, 张艳. 激光引信抗干扰技术综述 [J]. 制导与引信, 2009 (4): 6-13,18.

[10]王广生. 激光引信云雾后向散射的特征与识别 [J]. 探测与控制学报, 2006(6): 20-24.

[11]唐敏, 李加庚, 韩海, 等. 激光引信中发射单元的设计[J].电子测试, 2008 (4): 65-69.

[12]张好军,赵建林. 采用双色技术的激光引信抗干扰技术[J]. 红外与激光工程, 2011 (6): 1070-1074.

[13]侯振宁. 激光有源干扰原理及技术 [J].光机电信息, 2002(3): 22-26.

[14]刘京郊. 光电对抗技术与系统 [M]. 北京: 中国科学技术出版社, 2004.

[15]常怀东. 宽波段烟幕干扰战斗部装药结构研究 [D].南京理工大学, 2009.

[16]彭双春, 刘光斌, 张健. 烟雾干扰下的实时图滤波方法研究 [J]. 红外与激光工程, 2005(4): 478-480.

[17]翁诗甫. 傅立叶变换红外光谱仪 [M]. 北京: 化学工业出版社, 2005.

[18]陈兵, 李澄俊, 徐庆红. 红外烟幕消光性能及选材途径分析 [J]. 解放军理工大学学报(自然科学版), 2004(6): 58-61.

[19]王玄玉. 烟幕对10.6μm激光的衰减规律及应用计算研究 [D]. 南京理工大学, 2007.

[20]王吉心，金良安，迟卫，等.泡沫-水两用幕厚度与光衰减效果的关系[J].应用光学，2013(5)：758-763.

Research on passive jamming technology of laser proximity fuze

Su Ruyi1, Zhou Zunning2

(1. China Aviation Planning and Design Institute (Group) Co. Ltd., Beijing 100120,China;2. School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China)

With the development of laser proximity fuze technology, anti-jamming performance of laser proximity fuze has been greatly improved. Based on the research of anti-jamming performance of laser proximity fuze, the principle and method of passive jamming are studied. The results show that it is still effective to use smoke, aerosols and water curtain as jamming, although the laser proximity fuze anti-jamming performance has been improved.

laser proximity fuze;passive jamming;smoke;aerosols;water curtain

2016-07-04；2016-09-01修回。

苏如意(1986-)，男，硕士，从事无源干扰技术研究。

TN972

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