烟幕干扰对红外成像导引头命中概率影响

李 楠

(西京学院信息工程学院,陕西 西安 710123)

1 引 言

随着精确制导武器在现代战争中的广泛应用,特别是高精度红外成像末制导导弹的效能发挥,引起了军事界的极大关注。如何实现对红外成像制导技术的有效对抗,烟幕干扰技术得到重点研究,主要有烟幕干扰材料、烟幕干扰机理及效果、烟幕干扰战术等。全面理顺烟幕干扰红外成像导引头的原理及干扰效果能为烟幕技术的发展提供理论支撑。

针对烟幕干扰问题,文献[1]测试赤磷发烟剂与铜粉复合烟幕对红外热像仪的干扰性能,复合烟幕对红外波段的透过率降到6 %左右,干扰效果显著；文献[2]研究红外遮蔽地面烟幕防空阵地部署模型,最大限度发挥烟幕遮蔽红外波段效能,较好防御红外制导武器；文献[3]在野外试验烟幕施放情况,得到红外波段干扰效果和遮蔽规律；文献[4]研究烟幕云团爆炸分散模型,得到烟幕云团分散变化规律；文献[5]研究烟幕干扰的布设及烟幕弹的释放；文献[6]、[7]研究烟幕干扰对红外导引头的干扰效果；文献[8]在烟箱中对石墨烯烟幕的红外干扰性能进行测试,结果表明石墨烯烟幕对3～5 μm和8～14 μm红外辐射消光系数较高,悬浮性能良好,沉降速度不高。综上,对烟幕干扰技术有一定的探讨,但从红外成像导引系统命中率的角度研究烟幕干扰效能还不够深入。

烟幕干扰红外成像导引系统的研究涉及烟幕干扰原理、红外成像导引系统的命中概率、干扰后系统命中概率计算等内容。干扰原理重点分析透过率计算,再分析几个烟幕干扰试验的情况,而后计算烟幕干扰后红外成像制导系统命中概率,从而证实烟幕干扰是有效的红外成像导引系统对抗手段。

2 烟幕干扰原理

烟幕是由烟、雾微粒组成,是一种气溶胶。在空气中施放烟幕,可吸收、散射目标红外辐射信号,阻隔目标和导引头之间的红外辐射路径,降低红外成像导引头的探测能力,进而使导弹脱靶。烟幕对红外成像导引头的干扰主要表现:通过吸收、散射、反射辐射信号,降低目标红外成像质量；烟幕自身的辐射使得导引头无法对目标成像；烟幕遮蔽目标使得导引头探测目标概率降低。

2.1 烟幕干扰模型

烟幕干扰红外成像制导主要通过红外辐射遮蔽和衰减两个过程。红外辐射遮蔽是烟幕自身燃烧产生更强的红外辐射,使得红外成像制导系统出现更亮的图像,红外设备难以分辨目标。衰减则是将目标红外辐射信号反射、散射及吸收,使得红外成像制导系统难以发现目标。烟幕干扰的模型如图1所示。

图1 烟幕干扰模型

2.2 烟幕透过率

烟幕干扰中一个重要参量就是目标红外辐射的烟幕透过率,烟幕的透过率越低干扰效果越好。而且透过率是烟幕吸收、反射、散射的综合反映。由Lambert-Beer定律,烟幕透过率表示为:

(1)

其中,I是透过烟幕的光强度(W/cm2)；I0是入射烟幕的光强度(W/cm2)；αe是消光系数(m2/g)；C是烟幕浓度(g/m3)；L是穿过烟幕的光程(m)。烟幕浓度、透过率随时间的变化曲线[7]如图2、图3所示。

图2 烟幕浓度曲线

图3 烟幕透过率曲线

分析图2、图3可知,随着烟幕持续时间增加,浓度逐渐降低,透过率逐渐增大。

2.3 野外烟幕干扰试验

在海陆交界野外试验大气稳定度对烟幕红外干扰性能的影响[3]。采用测试装备是发烟剂为10 kg的红外烟幕药剂,测试仪器是3～5 μm红外热像仪,数码相机等系统。现场测试图片如图4所示。

图4 烟幕干扰场景

烟幕干扰试验结果表明:烟幕能有效对3～5 μm红外辐射目标进行干扰,在风速是1.5 m/s～2.5 m/s时,干扰最好；烟幕透过率随烟幕浓度增大而减小,其变化关系呈现非线性。

2.4 烟幕云团形成试验

对烟幕云团的半径进行数值计算,在野外进行测试实验[4],烟幕半径是评估烟幕遮蔽目标的重要指标,也是实现烟幕干扰的重要参数。图5是利用发烟装置进行的发烟爆炸实验过程。

图5 发烟装置爆炸试验图

试验结果表明:烟幕形成的半径符合所建模型,对评估烟幕干扰结果有重要作用。

2.5 烟幕系统试验

国内先进的烟幕施放系统主要是多管集束发射烟幕干扰弹和烟幕施放车[5]。图6给出发烟弹图片和发烟效果图。

图6 烟幕弹及施放效果

通过装药结构的优化、干扰药剂的选择等方法,可实现烟幕干扰对红外制导武器的有效干扰。

3 红外成像导引头命中概率

红外成像导引系统一般用于末制导阶段,成像制导系统利用目标和背景的红外热辐射差异对目标进行检测,根据目标的运动偏差角不断修正制导偏差。红外成像制导的坐标关系如图7所示。

图7 红外成像坐标关系图

红外成像精确制导导弹攻击目标时,命中目标概率受到的影响因素有导引头特性、风场、推力变化、干扰气流等,弹道的分布同制导误差有关,工程上利用统计规律研究导弹的散布规律。导弹在靶平面的落点概率密度函数为:

f(x,y)=

(2)

导弹误差分为系统误差和随机误差,设系统误差已经校正,即x0=y0=0,随机误差没有方向性,即σx=σy=σ,则式(2)变为:

(3)

设红外成像制导导弹对目标的毁伤半径是R,在没有烟幕干扰的条件下,目标的命中概率为:

(4)

从式(4)可见目标命中概率主要取决于导弹制导精度和毁伤半径。

导弹末制导之前一般利用惯性制导,惯性制导累计误差为:

(5)

式中,ΔK0是加速度计零次项偏差;ΔD0是陀螺仪零次项偏差;τgd是惯导飞行时间。

当末制导红外成像制导开机时,导弹按照成像制导规律飞向目标,此时若释放烟幕干扰,目标红外图像信号减弱,导弹误差增大,依据导弹命中误差示意图可得导弹随机误差为[6]:

(6)

在烟幕干扰作用下,红外成像制导系统随机误差增大,将式(6)计算出的随机误差值σ代入式(4),可计算得出红外成像制导导弹在烟幕干扰下的命中目标概率。

4 烟幕干扰下命中概率仿真分析

设导弹飞行速度190 m/s,杀伤半径20 m,ΔK0为10-4g,ΔD0为0.1°/h。在距离目标3.5 km处形成烟幕干扰,烟幕滞空时间大于导弹飞行时间,保证烟幕形成有效干扰,红外导引头波段3～5 μm,烟幕消光系数0.9。在不同烟幕浓度下计算导弹命中概率随烟幕厚度变化情况如图8所示,导弹命中概率随跟踪精度变化情况如图9所示,导弹命中概率随攻击距离变化情况如10图所示。

图8 命中概率随烟幕厚度变化

从图8可见,受到烟幕干扰后,红外成像制导导弹的命中概率急剧下降,烟幕浓度越高,导弹受到干扰越严重,成像效果越差,制导误差增大较快,最终导致导弹脱靶。当烟幕厚度达到4.5 m时,几种烟幕浓度均使得导弹脱靶。随着烟幕浓度和厚度增大,导弹命中率呈下降趋势明显。

图9 命中概率随跟踪精度变化

从图9可见,红外成像制导导弹受烟幕干扰后,随着跟踪精度的降低导弹命中概率呈下降趋势,由于烟幕浓度的不断变化,成像导弹可能还会重新跟踪目标,因此命中概率随着精度降低呈逐渐缓慢下降。当烟幕浓度达到0.6 g/m3时,可以认为导弹完全脱靶。

图10 命中概率随攻击距离变化

从图10可见,在红外成像末制导阶段,施放烟幕干扰浓度达到0.2 g/m3时,导弹就难以制导攻击目标,因此只要烟幕浓度达到一定程度,就可以实现对红外成像制导导弹的有效干扰。导弹命中概率随着攻击距离的增大呈现下降趋势。

5 结 语

烟幕干扰是对付红外成像导引头的最佳无源干扰形式,本文分析烟幕干扰红外成像导引头的机理主要是对目标红外辐射的消光作用,也即透过率的研究,给出烟幕干扰模型,简要介绍烟幕干扰的试验研究,得到烟幕干扰能有效对抗红外成像制导系统的结论,给出烟幕干扰下红外成像导引头命中概率计算方法,仿真分析命中概率受烟幕干扰的影响因素主要有烟幕浓度、烟幕厚度、跟踪精度和攻击距离。由于烟幕干扰受风速、烟幕药剂、施放方式及时机等复杂因素影响严重,干扰红外成像制导导弹的效果具有很大的不确定性,今后的研究需要考虑更多因素。