海洋环境对激光制导炸弹的影响分析

2021-12-20罗艳伟

指挥控制与仿真 2021年6期

帅欢,张婷,罗艳伟,闫妍

(湖南云箭集团有限公司,湖南长沙 410000)

1 概述

激光制导炸弹以其较高的制导精度、较优的效费比、较强的抗干扰能力等优点,成为现代战争中一种重要的空对地精确制导武器[1],受到了各军事强国的重点关注,成为夺取制空、制海权的主要武器。随着我国建设“海洋强国”战略的确立,对海上军事力量提出了更高的要求。为实现国家的海洋发展战略,必须依靠强大的海上力量做后盾,而海上军事活动的实施以及现代化武器装备的研制和使用,都离不开对海洋环境的研究分析。目前，我国已装备的各种型号激光制导炸弹均能够实现对陆地目标的精确打击,而如何让激光制导炸弹更好地适应海上作战,发挥其最大的作战效能,成为目前急需解决的关键问题。

本文根据激光制导炸弹的工作原理,分析海洋环境中影响激光制导炸弹作战使用的多种因素,并针对激光导引头适海性问题,对相关重要性能指标提出更高要求,为更加有效使用激光制导炸弹、提高命中概率提供理论支撑。

2 激光制导炸弹工作原理

激光导引头的工作波段为1 064 nm,属于短波红外,接近可见光。激光制导炸弹工作时一般使用半主动制导体制[2]。工作时,需要激光照射器将激光束投射到目标上,具有特定编码的激光脉冲在目标表面会产生反射,形成激光回波信号,其中，一部分激光回波信号被激光半主动导引头视场接收,经过导引头探测系统和信息处理系统的处理,传送至控制系统并形成制导信号,控制炸弹舵面偏转,以此来不断修正弹体航向及姿态,直至准确照射目标。

激光指示器主要工作在中、末制导过程中。中制导照射指示目标,便于让导引头识别并捕获目标,末制导照射便于导引头跟踪目标,整个过程须保证激光束照射目标并使光斑稳定在固定部位,防止反射光束被遮挡且能量满足导引头入瞳最小的需求,以此保证导引头的正常接收[3]。

如图1所示激光照射分为地面照射和本机照射。地面照射仅能在与目标相对距离较近的区域作用,是一种借助于激光照射器对目标进行近距离照射指示的方式;本机照射则是以载机光电吊舱为依托,由载机完成对目标的搜索和识别,并指示炸弹对目标进行打击[4]。本机照射投放方式,方便快捷,潜力大,但对载机装备吊舱有要求。另载机执行投放炸弹操作后,须对目标进行持续稳定照射,这就要求载机须在适当机目距离处对目标持续稳定照射,而载机滞留的将会增加其安全风险隐患。故选择何种照射方式与作战方式、作战环境、目标特性及炸弹性能等息息相关。

图1 激光制导炸弹工作方式

3 目标特性分析

激光制导炸弹应用于海战场作战一般适配于舰载机。舰载机对恶劣海情的适应能力使之成为海上作战的主力军。海战场环境中，目标不仅包括海上目标,还包括敌海军基地、港口、码头等海岸目标，以及靠近沿海的岛屿岛礁的防御工事等军事目标。海上目标包含航空母舰、导弹护卫舰、导弹驱逐舰、巡航舰、小型快艇、两栖登陆艇等水面舰船和潜艇类水下舰船。

除激光外,雷达、红外、可见光及声呐等也是常用的海上目标探测手段。衰减过大导致的传播距离受限是电磁波和光波适应水下作战的主要不利因素[5],水声信号是水下目标探测最有效的方法,而雷达、红外、激光等探测手段多用于水上探测。

导引头接收到的目标反射激光信号能量大小主要与舰船等目标反射能力特性、激光照射器照射能量大小、大气衰减等因素有关[6]。目标材质不同导致对激光束反射率不同、目标与背景的对比度不同导致导引头对目标的识别速率不同,都将对导引头识别捕获跟踪目标效率产生影响,从而对炸弹命中率产生直接影响[7]。

目标的材质决定其光辐射特性,材料不同,光辐射性能也会不一样。一般根据材料反射率将物体分为白体、黑体、灰体三类。白体可将其定义波段光能完全反射,即反射率为1,吸收率为0;黑体与白体相反,可将其定义波段光能完全吸收,即反射率为0,吸收率为l;灰体介于白体与黑体的中间特性,其吸收和反射幅度随物体的材料、表面的状态和它所处的环境不同而变化[8]。

本文研究的海上目标,如舰船,基本可视为灰体,其表面对激光的反射性能呈余弦辐射特性,如图2所示。

图2 灰体的漫反射特性

4 背景环境的影响

海洋本身及其相关的海峡、海岛和沿海陆地共同构成了海洋背景环境。激光半主动制导体制采用照射与接收系统分离的模式,若其通路中光程受到外界因素阻挡或干扰,将会直接影响炸弹打击效能。激光制导炸弹实现有效打击需满足传输和接收都不受阻的条件,而海洋环境中海面反射、散射、海浪、海杂波以及气候环境等都将对激光的传输或接收产生影响,必须深入分析其影响因素。

4.1 海面反射、散射

海面对激光及阳光的部分漫反射和散射都会形成背景干扰信号,影响武器的制导精度。当光束射向海水表面时,其在海平面的反射和折射与入射角有关,入射角为布儒斯特角(即入射角+折射角=90°)时,折射与反射比达到17∶3,折射光最强,反射光最弱。这就对炸弹投放过程中激光照射器相对目标的照射方位提出了不能以布儒斯特角照射海平面目标的要求[9]。

海面反射率除与入射角相关外,还与风速有一定的关联性。2017年,刘鹏等采用Monte Carlo 统计方法对Jonswap海谱进行模拟研究,得出“当风速较小时,与平面反射相似,反射光镜像于入射光,海面的粗糙度随着入射角的增大而增大,不平整的海面使反射光向各个角度散射,呈现出较为散乱的状态。另，当入射角较大接近掠入射的状态时,入射光线会因海浪的遮挡使反射光线呈漫反射状态似的四处发散”[10]。同时，风速增大导致的海面起伏增大,会遮挡部分入射光。因此,反射光呈逐渐向四周各个角度发射,且能量逐渐减弱的状态。国内有学者研究指出,海面的总反射率在入射角超过40°后,将会快速增大[11]。

激光在海面传播,遇到与光波长相仿的固体颗粒,部分光会发生散射现象,从而使传播方向发生改变,但对能量大小并无影响,也就是说，海水散射改变的只是光场的能量分布而已。空军工程大学学者仿真实验得出以53°入射角为界,散射光强随入射角的增加呈现上开口抛物线趋势[12],光强先随角度增大而减小后随角度增大而增大。在研究海水对激光的散射特性时,要充分考虑不同区域、不同时间、不同水质对散射函数的影响差异,并结合具体实际情况,选择恰当的散射函数来进行模拟。

海面反射、散射不仅对照射器提出了较高的要求,同时也将对导引头的性能产生影响。当导引头接收到起伏或受遮挡反射光线,会影响其作用距离及输出视线角速率精度等,由散射导致方向改变的光线被导引头接收后会增加其虚警率,进而影响整个制导武器命中精度。

4.2 海情、海浪

海浪是一种随机粗糙界面,其表面粗糙度会随风速的增加而增大,同时将发生遮蔽效应,影响海浪对光束方向的反射率分布。据相关研究表明,海面风速较大时,风浪破碎会产生大量泡沫[13],且频繁的风浪破碎能持续产生泡沫。泡沫寿命在风速小于7 m/s(3级海情)时随风速变化影响很小；在风速大于7 m/s时,其寿命随风速增大而急速增加,而在风速大于14 m/s(6级海情)时会稍微减小并逐渐趋于平稳[14]。究其原因,高风速极易导致泡沫扩散,故高风速下,泡沫寿命随着风速增加反而会减小。泡沫也具有反射激光的能力,其反射率大小与其厚度和激光波长有关。激光制导炸弹所使用激光波长为1 064 nm,工程应用上一般认为泡沫的反射率为0.22。

(1)

海情的恶劣对制导炸弹控制系统稳定性提出了更高的要求,海浪的高低也会对目标造成不同时间、不同范围的遮挡,影响导引头对目标的捕获时间及跟踪效果。

5 气候环境的影响

气候环境中对战场效能的影响因子有很多,如大气环流、海洋洋流、地形地貌、太阳辐射等,而对激光制导炸弹的飞行状态及命中精度有较大影响的因素主要是风、雨、云、雾等大气物理现象。风能影响弹的飞行轨迹;雨、云、雾等则能降低战场能见度,进而影响激光传播及能量衰减,缩短其作用距离,降低炸弹的命中概率。

5.1 风速

风速对激光制导炸弹命中率和攻击区有重要的影响。它作为矢量,既有大小也有方向,通常将风速以炸弹速度方向为参考,分为垂直和平行风,即所谓的顺逆风及阵侧风。顺逆风将会使炸弹在飞行过程中产生攻角,引起升阻力变化；阵侧风将会使炸弹在飞行过程中产生侧滑角,引起侧向力变化,两者的变化将对炸弹的飞行速度、方位、距离产生影响。非均匀风速对各飞行参量都将产生影响,其中影响最为明显的是飞行方位角。

5.2 雨、云、雾等

烟幕弹释放的烟幕、弹丸爆炸产生的硝烟尘土和云雨冰雹等天气状况,都将会对战场上的能见度产生影响。海洋环境中,雨、云、雾等气候环境因素则是主要影响能见度的气候因素。本文中目标的能见度是以激光为对象论述的,也就是激光的透射率极大地影响激光的传输距离及激光导引头的性能。其照射器与目标、载机与目标以及炸弹与目标通道上,若能见度低,照射激光透光率很低,能量衰减过快,照射目标后经过反射再衰减,到达导引头入瞳处的能量若无法满足导引头入瞳要求,则激光制导系统将无法正常工作,影响制导炸弹作战使用。

大气衰减与气溶胶类型及能见度密切相关,这两个参数取决于地域和气候。海盐气溶胶是海洋气溶胶的主要成分[17],其对1 064 nm激光的衰减要大于内陆。海洋环境会增加激光在大气传输中的衰减,进而降低激光导引头接收到的能量,直接影响导引头的作用距离。相对于内陆条件,在海洋气溶胶影响下,激光在大气传输过程中的衰减相对较大,激光导引头在海洋环境的作用距离小于陆地环境。

我国近海，特别是东南沿海常年高温、高湿、高盐雾,虽较陆战场环境空气灰尘等构成的气溶胶较少、大气能见度相对较高,但高湿热导致的高浓度水蒸气含量也将会影响激光束的传输距离。标准晴天一般指大气能见度为23.5 km,相对湿度小于20%的大气状态[18]。

气象学上将标准大气能见度V定义为:对比度阈值取0.02时识别白背景上的理想暗物体的可视距离[21]如公式(2)所示。

目前秦淮河水质改善以引江换水为主体，在丰水期降水较多时，可利用降雨径流及上游来水对外秦淮河补水；在长江水位高于秦淮新河水位时，实施长江自流引水；在不满足以上条件下实施翻水，利用秦淮新河抽水站抽引长江水入秦淮河。枯水期和平水期，上游水量较小，长江水位也较低，不能实现自流，则继续采用秦淮新河站抽引江水入秦淮河。

V=-ln(0.02)/β=3.912/β

(2)

其中，V为大气能见度,β为消光系数。

目前，大气能见度探测最常用的两种方法：目测法和器测法。人工测量存在主观性且误差较大,气象观测及航空等实际应用领域以器测法为主。由公式(2)可知,大气能见度的关键是如何精确测量大气的消光系数β。目前，美国Belfort公司、Novalynx公司及HSS公司，芬兰Vaisala公司在能见度探测器这块引领国际先进水平,国内的长春气象仪器研究所及凯迈测控有限公司在该技术领域也发展迅速。

激光在大气中的衰减与很多因素有关,其中，最主要的因素是激光强度、激光波长、大气结构、传输距离等。激光在大气中传输的透过特性由朗伯-比尔定律确定[19],由该定律可知,当激光的波长固定时,激光大气透过率只与大气能见度有关,通过对海洋大气的具体参数实际测量,最终拟合可以得到激光大气透过率的经验公式。具体到海战场环境中,1 064 nm激光的大气传输透过率一般通过经验公式(3)来计算:

τA=exp(K·R·exp(-0.835h)-1)/(V·h)

(3)

式中各变量含义如下:τA为大气透过率;K为气溶胶系数;R为激光大气传输距离;h为导引头接收高度;V为大气能见度,如公式(2)所示。

激光导引头接收目标反射的激光脉冲,导引头入瞳的激光回波能量密度可以通过公式(3)来衡量。

(3)

式中，各变化量含义如下:Em为导引头入瞳的回波能量密度;ET为照射器的脉冲能量;τD为接收路径上的大气透过率;τR为照射路径上的大气透过率;ρ为目标漫反射率;D为导引头距离目标距离;φ为弹目视线与靶面法线夹角。

根据导引头所需入瞳的激光回波能量密度及上述公式,可知作用距离、激光照射器能量、大气透过率等之间的关系。大气能见度的高低直接影响照射系统激光探测距离及导引头捕获距离的远近,从而对投放准备时间及捕获概率产生影响[20]。

6 激光导引头适海性分析

针对激光制导炸弹在海洋环境下使用要求及海环境与陆环境的差异性,需对激光导引头的适海性进行分析。工程上往往通过试验的方法测试激光导引头适海性指标,为激光制导炸弹在海洋环境条件下的使用提供支撑。

激光导引头的作用距离受限于照射器能量、照射和接收路径上的大气衰减、靶面漫反射率、接收距离和目视线与靶面法线夹角。海洋环境会增加激光在大气传输中的衰减,进而降低激光导引头接收到的能量,直接影响到导引头的作用距离;随机波动的海浪对目标会造成不同时间长度的遮挡,无法稳定照射目标,导引头就会丢失目标,对导引头抗目标丢失能力提出了较高的要求。激光与可见光波段接近,阳光对导引头的直接照射以及海面反射、散射回的部分光信号,都将干扰导引头捕获激光信号,势必对导引头抗干扰能力提出了更高的要求。海面作为一种特殊的光学环境,顺光、逆光、不同太阳天顶角都与激光制导炸弹的使用密切相关,阳光辐射主要考虑太阳光线以平行光的形式照射到海面上这部分光线,遇到阳光干扰,特别是逆光射击目标时尤为严重,故对导引头抗太阳夹角能力,即激光导引头能够正常跟踪目标的最小太阳夹角提出了更高的指标要求。

针对上述要求,须对激光导引头作用距离、盲距、抗太阳夹角、抗目标丢失能力等受环境影响较大的指标,进行适海性试验分析,以此全面考核导引头的性能。

图3激光导引头性能测试时设备布局图,通过调整激光器能量,以及导引头与靶标，激光照射器与靶标以及光斑监测仪之间的距离与角度,能将导引头适海性相关指标进行测量,可为后续指导作战提供数据支撑。