烟幕弹对制导弹药的干扰效能评估现状

2022-01-11郭爱强高欣宝李天鹏

兵器装备工程学报 2021年12期

郭爱强，高欣宝，李天鹏

(陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003)

1 引言

随着精确制导技术的快速发展，精确制导系统逐步实现智能化，其跟踪方式和计算模型不断优化，采取相关特征匹配、边缘检测跟踪、形心跟踪、神经网络跟踪、图像分割等[1-8]多种融合方式对目标进行跟踪，精确制导技术的智能化和抗干扰能力的不断提高已经对现有的烟幕提出了严峻的挑战。与之对应的烟幕干扰技术得到快速发展，烟幕已经由遮蔽可见光、近红外的常规烟幕发展为防热红外烟幕、防毫米波烟幕、微波烟幕和多频谱烟幕[9-11]。可见，烟幕干扰技术是随着精确制技术的发展而发展，在对抗与反对抗的较量中，烟幕干扰技术必须要与精确制导技术的发展相匹配才能在战场上起到有效干扰的作用。对于烟幕弹药来说，对精确制导武器的干扰效果是干扰弹药的主要技术指标，也是评估烟幕弹干扰效能的主要依据，怎样评估烟幕弹的干扰效能是现阶段比较棘手的问题之一[12-13]。本文针对美国制导弹药的研究现状、国外烟幕弹药的研究现状、烟幕弹干扰效果评估等方面研究进展进行回顾，并结合实战化角度对烟幕弹的作战效能评估方面遇到的问题和挑战进行了分析。

2 美国制导弹药的研究现状

目前，国外的精确制导武器系统呈现出大射程、高精度、高智能、多功能化的技术特点，具备全天候、全天时作战能力且抗干扰能力强[14-17]。我军当前各领域军事斗争准备中，面临的主要是美制武器装备，对美军现役精确制导武器导引头及观瞄装备的情报、文献追踪发现，美军是目前世界上光电精确制导技术应用最多、最广的国家，制导技术的应用已经遍及美军装备的几乎所有种类的导弹，并反复在战场上进行了实战检验[18-19]。其“战斧”系列巡航导弹已经发展到了第四代(如图1所示)，制导方式采用中段卫星全球定位系统/惯性导航系统+地形/景象匹配+末端红外成像制导等，这使其对陆攻击时不受夜间、烟尘、雾霾等条件的限制，弹道末端可采用垂直攻击和水平攻击2种方式。其研制的AGM-84H/K增程防区外发射导弹采用不规则四边形红外窗口(如图2所示)，使红外成像导引头有较大的视场，弹上使用了四台并行工作的每秒数十亿次的计算机、先进的算法和处理软件，具有自动获取目标和重新瞄准目标的能力。红外成像导引头在最后60 s的末制导阶段自动开机，在距离目标大约17 km的距离上开始进行搜索瞄准。美国在不断研制、更新、完善自己的精确制导武器系统，美国现有典型制导系统如表1所示。

图1 第四代战斧系列导弹实物照片Fig.1 The fourth-generation Tomahawk series missiles

图2 AGM-84H/K导弹实物照片Fig.2 AGM-84H/K missile

表1 美国现有典型制导系统

3 国外烟幕弹药的研究现状

美军在新版的《作战纲要》中，专门对烟幕弹的作用做出了具体的阐述和规定，并在作战部队大量装备了各种烟幕弹药。可以说，烟幕弹将被更广泛地应用于战场，对保障战争的胜利将发挥重要的作用。资料表明，外军特别重视对新型干扰烟幕的研发和使用，其中美国有多个部门参与干扰弹的设计、开发和管理，这些部门主要包括：美国海军陆战队系统司令部领导下的弹药项目办公室，美国陆军和国防部领导下的项目执行办公室、化学和生物防御联合项目执行办公室。1976年美国成立了“烟幕局”，投入巨资以及快速度开发、研制光电对抗干扰弹药。美国特别重视烟幕的干扰机理及基础理论的研究，早在20世纪70年代，美国陆军的科研人员就已经开始考虑烟幕的消光机理并开始了关于烟幕对电磁辐射衰减的基础研究计划，编制出多种对烟幕消光性能进行数值模拟的计算机程序，一些理论计算的结果也已经得到实验的验证。基于这些机理与理论研究，国外的新型烟幕技术层出不穷，多功能、多波段遮蔽的复合型烟幕相继出现[11-12]，并装备了多种烟幕释放装备。美军装备的M18发烟手榴弹如图3所示，国外烟幕战场使用场景如图4所示。其表2为美国烟幕弹典型装备情况。

图3 M18发烟手榴弹实物照片Fig.3 M18 smoking grenade

图4 国外烟幕战场使用场景图Fig.4 Use scenes of foreign smoke screen battle fields

表2 美国烟幕弹典型装备情况

4 烟幕干扰制导弹药的工作原理

早在20世纪70年代，美国陆军的科研人员就已经开始考虑烟幕的消光机理研究。主要研究了烟幕对电磁波是衰减的，开发了烟幕消光性能的应用程序。多功能、多波段遮蔽的复合型烟幕相继出现，并装备了多种烟幕释放装备[13]。烟幕布置在目标与制导武器的路径上，通过减少入射电磁波的传输信号、改变目标的电磁波反射特性、降低目标与背景的电磁波反射或辐射差异等实现遮蔽和保护目标的目的。研究气溶胶粒子的消光机理，有助于揭开无源干扰手段影响光电装备干扰效能的秘密。烟幕气溶胶对辐射的衰减机制主要是吸收和散射，而且散射和吸收是2种相互联系的过程。烟幕的消光机理模型如图5所示。

图5 烟幕的消光机理模型示意图Fig.5 Extinction mechanism of smoke screen

4.1 烟幕对辐射的吸收

根据沃兹(Volz)的测量，曾对烟幕气溶胶折射率提出这样的模型：对于0.6 μm它是实数，故无吸收；但对于0.6 μm时，折射率的虚部线性增加到2 μm时，烟幕气溶胶对辐射将差生吸收衰减。与所有其他物质一样，烟幕气溶胶颗粒也是由大量的分子构成的，根据量子理论，分子具有—系列的能量状态，每—种状态都对应于一定的分子能级，当分子从一种能量状态变化到另—种能量状态时，就会吸收或发射电磁辐射[20-21]。明白了这样的规律，在进行光电无源干扰系统设计的时候就可以有针对性的对不同波段辐射进行吸收衰减[22-23]。例如，当红外光人射到烟幕颗粒上时，烟幕物质的分子转动—振动跃迁如果与人射光子的能量相当，则会引起烟幕物质对人射红外线的吸收，这就是烟幕吸收红外辐射的机理[24]。

4.2 烟幕对辐射的散射

烟幕对辐射的衰减不仅源于其粒子对辐射的吸收，还源于它们对辐射的散射。气溶胶微粒如果是介质，通过辐射电磁波极化成电偶极子，电偶极子随辐射波受迫运动；如果气溶胶微粒是导体，其电子会在辐射波作用下振动，电偶极子与带电微粒的作用将覆盖原辐射波，产生散射。烟幕浓度分为质量浓度和粒子浓度，浓度越大，其散射的程度越大[25-26]。

5 干扰效果评估

烟幕对制导弹药的干扰效果评估是对实施烟幕干扰制导弹药后所产生的干扰效应的定性或定量评价。由于干扰效果直观反映了烟幕弹的干扰能力，干扰效果评估实质上是对烟幕弹干扰能力的评价，它是烟幕干扰效能评估的核心问题。烟幕干扰效果评估方法包括干扰效果试验方法和干扰效果评估准则。干扰效果试验方法解决的问题是：为客观、准确考核评价烟幕对制导弹药的干扰效果，确定出合理、可行的试验方法。干扰效果评估准则定义为在评估烟幕弹干扰效果时所遵循或依据的基本要素的总和，具体解决的问题是：确定出用于量化干扰效果的合适的评估指标和干扰效果等级。干扰手段不同，干扰对象不同，则干扰效果评估方法存在本质上的差别[27-32]。

5.1 国外烟幕对制导弹药的干扰效能评估现状

在干扰剂的干扰效果评估领域，国外专家从不同角度提出了功率准则、信息准则、概率准则和战术使用准则。一般情况下，干扰效果的评估是根据干扰弹药完成的具体任务，选定特定的干扰准则，在此基础上建立干扰模型并实施评估的[33-35]。

在对烟幕性能的测试评价方面，美国开展了一系列大型野外试验。1956年，美国空军剑桥研究中心主要利用SO2示踪剂在0.45 m高度进行点源释放10 min，通过距离50 m、100 m、200 m、400 m和800 m，高1.5 m的同心圆弧上建立观测点进行取样，测试其浓度，评估烟幕随时间和空间的变化情况。之后，在弗洛里达州、加利福尼亚范登堡空军基地、华盛顿汉福德等地区，利用示踪剂法相继开展了“海洋微风”试验、“干谷”野外试验和“绿光”野外试验。1977年，美军利用若干光接收计布设了3条观测线，同时将100个化学撞击采样器和20个烟幕光度计布设于中央观测线，测试了HC发烟罐产生烟幕的可见光、1.06 μm、3.4 μm和9.75 μm的透射率，以及浓度时空分布，同时利用试验场气象设备对风场情况进行测定。综合野外测定的透射率、浓度时空分布以及风场数据，对烟幕衰减性能及气象影响进行评价。1981年，采用同样方法，设置5条观测线，测试4个波长的透过率，对XM49和M3A3型号的烟幕进行了评估。1987年，美军在犹他州、印第安纳州和加利福尼亚州进行M3A3型发烟机、SGF-2型烟幕发生器和HC发烟罐的烟幕环境效应进行了评估试验。通过测试烟幕物理化学特征，对环境效应进行评价。同时对当时的烟幕散布模型进行了验证与优化[36-37]。

20世纪90年代，美国等西方国家将数值模拟技术应用于发烟装备的评价及使用研究领域，利用计算机程序进行模拟研究烟幕的三维扩散随机模式，为科学合理的使用烟幕器材，准确地评估军用烟幕环境影响奠定了良好基础。国外烟幕测试评价采用的方法主要包括物理化学性能法，装备效应法和数学模拟法等，通过采样、样品定性和定量分析、光电效应测试、装备效应测试、气象参数测试、高速摄影和拍照等手段实现[38-42]。

5.2 国内烟幕对制导弹药的干扰效能评估现状

干扰剂的干扰效果检测和评估是随着多种光电干扰弹药的研发和列装从20世纪90年代末发展起来的，并在本世纪初得到迅猛发展。

一般情况下，干扰效果的评估是根据干扰弹药完成的具体任务，选定特定的干扰准则，在此基础上建立干扰模型并实施评估的。比如，在考虑箔条对雷达实施压制干扰时，其干扰效果的评估可以基于信息准则建立噪声干扰模型，也可以基于功率准则建立信号功率衰减模型，还可以基于战术使用准则建立质心干扰模型。从评估手段上看，可分为3种：基于仿真的干扰效果评估、基于静态检测的干扰效果评估和基于动态检测的干扰效果评估。静态检测是在试验室进行的，其主要设备包括光波发射器、烟箱、光波接收器(辐射计)和信号输出设备。动态检测是在室外进行的，根据检测性质，可将其分为雷达定性检测和测量设备定量检测2种。雷达定性监测是通过观察雷达荧光屏上干扰信号的强弱和对目标的影响程度来检测干扰效果的；而定量检测则可通过专用测量设备对光透过率、有效干扰面积、干扰持续时间、干扰形成时间等具体参数实施检测，具有很高的精确性。定量检测有3种方法：干扰物雷达截面积的比较法、曲线比较法和定点比较法。另外，随着试验条件的改善和GPS技术的发展，检测手段得到了很大改进，其信号接收器由当初的辐射计发展到“雷达+望远镜”并发展到“雷达+GPS系统”，检测结果的准确率得到了进一步提高。

烟幕在战场环境下对制导武器导引头的干扰效能目前还没有相应的试验标准和评价体系和分类分级标准，国内相关人员已经对其展开了研究。陆斌等[43]利用多波段成像传感器对野外施放烟幕条件下的运动目标进行测量，利用成像跟踪器的实时跟踪误差确定指定类型烟幕的干扰效能。同年[44-45]，又进行了烟幕对成像跟踪干扰效能外场试验测量，采用典型跟踪算法的专用成像跟踪器，测量各种烟幕施放条件下干扰目标得到的跟踪误差。白玉栋等[46-47]提出了一种综合评估红外成像制导导弹在烟幕干扰下作战效能的方法，该方法以数字仿真为基础，结合靶场试验，运用模糊层次分析法得到导弹在烟幕干扰下的毁伤概率。高卫等[48-49]采用导引头挂飞干扰试验法，研究烟幕对电视导引头的干扰效应和干扰机理。将电视导引头吊挂在无人驾驶飞艇上(图6)，飞艇飞行过程中，利用烟幕干扰设备对电视导引头实施干扰，在动态飞行条件下获得烟幕对电视导引头干扰效应的实测数据，试验数据分析表明，烟幕干扰对电视导引头跟踪状态、跟踪误差、测量视线角、测量视线角速度等多方面性能产生影响，同时从导引头的视轴稳定原理等方面出发对干扰效应规律给出了合理解释。

图6 电视导引头挂飞准备实物照片Fig.6 Preparation of the TV seeker for flying

随着计算机仿真技术的发展，我国相关科研人员也将仿真技术应用到了烟幕的干扰效能评价中，并进行了一些探索研究。2008年，胡朝晖等[50]通过分析激光制导炸弹的攻击方式、制导原理及激光对抗系统的干扰原理，给出了一种综合评估激光制导炸弹在烟幕干扰下作战效能的方法，该方法以数字仿真结合实弹靶场试验为基础，通过规划初始试验条件，运用数学方法得到炸弹在烟幕干扰下对典型目标的毁伤概率。2008年，严晓芳等[51]在综合分析烟幕对抗红外成像制导导弹复杂过程的基础上，建立了系统仿真模型，包括作战效能主模型、基于烟幕消光机理和红外成像制导原理的对抗模型以及其他辅助模型。进一步对干扰效果进行了仿真试验，动态仿真了烟幕对抗红外成像制导导弹的态势，得出了烟幕布放战术决策的原则和方法。2010年，何友金等[52]对烟幕干扰视景仿真技术及烟幕干扰效果定量评估方法等关键技术进行了分析并给出了解决方案。2012年，杨希伟等[53]利用仿真的方法研究了烟幕干扰对光电成像末制导武器关键制导参数和运动参数的影响，进行了光电成像末制导干扰效果评估研究。

与国外相比，我国对烟幕技术的研究起步较晚相对落后、基础较弱，在干扰机理与基础理论方面的研究上有较大差距，对烟幕性能评价的试验规程缺乏统一的标准体系，烟幕对精确制导武器的干扰效果的评价体系和分类分级标准不够完善，制约了发烟装备作战效能的提升。