海环境下空靶毁伤检测技术现状及发展

丁军辉

(中国人民解放军 91851部队，辽宁 葫芦岛 125000)

0 引言

实弹拦截试验是反导武器系统必须开展的测试科目，弹靶高速交汇瞬间，反导战斗部引爆，命中目标或脱靶。为可靠支撑防空武器系统拦截性能鉴定，并为防空导弹的飞行导引、引信触发、引战配合等性能改进提供进一步的支撑，在空靶上通常配备毁伤检测设备，探测弹靶交汇和破片杀伤情况。

陆上条件下，依托目前成熟的实时高速数据存储技术，态势信息可靶上存储，坠地后回收分析。海上试验时，因弹、靶坠海，靶上存储、搜索打捞方案技术难度大，成本高，不确定性大，基本不具备可实施性，海上反导试验较陆上试验对毁伤探测技术、数据实时传输技术要求明显偏高。

公开文献显示，目前海环境下多采用无线电测量方法探测弹靶交汇态势，从实际使用效果看，该方法存在应用局限大、频谱冲突、支撑毁伤评估效果不明显等问题。本文结合相关资料和具体实践，对比探讨高速摄像、无线电测量、光纤网络、导电涂料网络四种测量方案的技术特点与能力，数据传输需求及效费比等，明晰各方法的适用环境、应用条件和前提要求，给海上反导拦截试验空靶毁伤检测技术的研究和工程应用提供参考。

1 高速摄像方法

高速摄像是高动态环境下优先考虑的信息录取手段，在爆炸毁伤、导弹出筒等场景中广泛使用[1-5]。对防空导弹拦截高速空靶场景，方法有一定的适用性：小型化、集成化的高速摄像设备装载在空靶前后某一端，根据可能的导弹来袭方向预置视角，高速采集弹靶交汇、空靶毁伤情况。

以法国V5S型海响尾蛇防空导弹拦截高亚声速空靶为例，导弹最大飞行速度750 m/s，战斗部杀伤半径6～8 m，考虑引战配合、战斗部起爆正常，空靶被击中后毁伤严重、全系统瞬间断电情况。前述条件下态势信息采集窗口为战斗部破片飞抵空靶时间，V5S型导弹采用破片聚焦型战斗部，内部预装曲线形破片壳体，根据相关文献[6-12]，破片飞射速度因用途、装药、飞行距离等不同而变化，通常集中在1 700～2 500 m/s之间，叠加弹、靶速度后，破片与空靶的相对速度不小于3 000 m/s。导弹引信作用距离因目标RCS变化而不同，对典型飞航导弹作用距离按照6 m进行分析，则战斗部引爆至空靶被击中最大时长约2 ms。

战斗部破片击中空靶后，结构件发生形变、破损、脱落等，飞行失控直至坠毁，从动量守恒角度分析，小质量破片和大质量弹体或残片相互作用后，几十克的破片速度大幅降低，因弹体或结构残片质量远大于破片质量，弹体结构的变形速度、运动变化速度等会远小于破片变化速度，即以采集战斗部破片飞行窗口为目的来设计毁伤检测用高速摄像设备，对采集弹体结构变形、残片脱落等场景同样适用。由以上分析，在2 ms内获取6 m内的动态信息，按照0.5 m的距离分辨精度，空靶需搭载最低6 000 帧/s性能的高速摄像设备并稳定可靠拍摄。

高速摄像机视场越宽、帧率越高，数据量就越大，某微小型高速摄像设备基本性能见表1，模式3下，压缩数据率已经达到3.21 Gb/s，数据量巨大，数据传输需求远远超过目前空靶下行无线数据传输能力，很难通过无线传输方式将数据实时、远距发送至地面接收系统。

表1 某微小型高速摄像性能简表Tab.1 A brief description of the performance of a micro-miniature high-speed camera

综合来看，受当前无线传输能力限制，高速摄像设备存在较大的使用局限性，目前只能以类似民航客机“黑匣子”方式工作，海上应用需要空靶具备回收功能且可安全返回，对飞行稳定性较好的低速可回收飞行器中较为适用，对于一次性使用的导弹类空靶，由于同时存在回收投入大、图像抖动处理技术复杂、成本偏高等因素，该方式使用较少。

2 无线电测量方法

无线电测量亦即雷达脱靶量测量，是弹靶交汇态势测量应用早，使用广泛的一种测量方式。测量设备本质上通常是小型化的小功率测距或小功率三坐标精密测量雷达，基于单脉冲测距、多普勒测距或调频连续波测距等具体技术途径开展工作，各有特点[13-15]。

单脉冲方法通过测量目标回波延迟换算出弹靶距离，测量相对误差与间距呈反比，间距越近时间分辨率要求越高，弹靶间距每1 m对应延迟约6.67 ns。对于近距测量，大信号带宽对信号处理设备的时间采样速率提出了很高的要求，难度和成本均较高。多普勒测量方法首先测量防空导弹回波多普勒频率随时间变化的曲线，而后进行最优拟合，计算出弹靶相对距离，该方法具有测量速度范围宽的优点，但缺点是需较为准确地预知弹靶相对运动规律，以利用最小二乘等算法进行最优分析，计算量大，实时性要求高，适用于理论遭遇态势较为明确的试训场景，尤其是反导武器拦截相对低速的靶机等态势。调频连续波雷达测距基本原理是利用发射信号与目标回波信号之间的差频来确定目标距离，与其他方法相比，该方法具有不存在测距盲区，测距精度高，辐射功率小，设备集成度高等特点，适用于反导武器拦截亚音速、超音速等目标态势。

近几十年来，雷达脱靶量测量技术在国内外发展迅速，使用广泛，国内外使用的脱靶量测量系统典型性能见表2[16]。

表2 典型测量设备性能表Tab.2 Performance table of typical measuring equipment

对比战斗部有效杀伤半径，探测视场合适条件下，空靶脱靶量测量设备能够在导弹战斗部爆炸前捕获来袭导弹并稳定测距，战斗部爆炸后因多目标测量和测速能力限制、设备损毁或系统断电等缘故，测量设备失效，不能直接探测空靶毁伤情况，因此无线电测量属毁伤检测间接检测手段，评估毁伤效果时，需综合利用空靶和导弹的姿态及位置信息、时统信息、脱靶量测量信息、战斗部爆炸模型、空靶外形尺寸信息等间接推算中靶毁伤情况。

无线电测量方法的突出优点是数据量小，只输出相对距离、相对方位和高低角等信息，可基于空靶既有无线传输链路及时发送至地面测控设备，有效支撑毁伤态势实时研判，缺点是需根据拦截方案预估导弹来袭方位，提前预置测量天线朝向，该方法更适用于弹靶交汇态势测量，辅助空靶毁伤评估。

3 光纤网络检测方法

光纤网络测量是近些年发展和应用的一种中靶毁伤检测方法，该方法将光纤网络以平行线或较复杂纹理方式嵌入弹身，利用光纤的通断作为是否被击中的判决依据，具有敏感度高、虚警率低的优点，能可靠感知布设部位是否有物理损伤。受成本、加工工艺影响，光纤网络方法同时存在较多应用限制，需根据光纤规模配套多路光电转换组件和数据采集设备，成本偏高；光纤网络嵌入至弹体外表层，其布设加工需要依托专业化设施设备完成，通常需要在空靶结构组件生产阶段开展，总装完成后的应用阶段调整、更改困难。上述特性与靶标经济性、适用性、灵活性要求存在较大冲突。目前，光纤网络检测方法一般在应用场景明确早，毁伤态势测量需求强烈，其他测量手段难以有效保障的重大任务中使用，中小型任务受制于经费、生产安排等因素鲜有使用。

4 导电涂料检测方法

4.1 导电涂料方法及应用现状

导电涂料是功能涂料的一种，在装设备抗静电、电磁屏蔽、宽频段吸波隐身等领域应用广泛[17-19]，工业生产中，掺合型导电涂料制备工艺简单、性能优异，实际应用最多。根据相关文献和涂层实测，掺合型银系涂层在微米量级厚度内即可导通，阻值稳定(见表3)，对于信号采集用途，其导电性能与直通金属导线相当。

导电涂料网络附着在弹体绝缘层表面，采用十分稀疏的网络结构，网格间距远离C、X、Ku、Ka等反导系统常用频段波长，对空靶自身的气动特性、电磁屏蔽特性和雷达散射特性影响可忽略不计。检测网络的工程实施工作可安排在飞行器生产、使用、改装等各个阶段，可根据拦截方案灵活选定网格区域，具备极大的使用灵活性。查询相关文献，目前仅在缝隙监测中有类似应用[20-22]，未发现高动态毁伤检测应用研究相关内容，为推动毁伤检测技术发展进步，本文详细探讨检测网络相关问题。

表3 不同银系涂层电阻率Tab.3 Resistivity of different silver coating

4.2 检测网络总体结构

从全面感知毁伤态势出发，导电网络需连续、完整覆盖空靶表面，实际上空靶外形是由翼面、舵面、机体或舱段、进气道、天线、操作舱口等多种组件拼接而成，组件间存在诸多接缝、活动机构，全机身连续铺设不具备可行性，检测网络需根据机身情况、导弹来袭方向等分区，重点铺设，尽可能完整感知中靶态势，同时兼顾工程实施方便、信息采集简单的需要。满足上述要求的网络结构有多种，不同的结构形式对穿舱布线规模、数据采集规模和检测算法复杂度等要求不同，可行的形式包括直通网络结构、环形网络结构、组合网络结构等。

4.2.1 直通网络结构

直通网络结构采用相互平行的经纬线形成检测网络，通过经纬线的通断感知击中部位，该方法逻辑简单，可以实现面区域均匀检测。

图1 直通网络结构Fig.1 Straight-through network structure

直通检测网络可实现面检测和点检测，适合大面积平整区域铺设，信号独立成路，检测直观方便，但存在狭窄区域展开铺设困难，网络规模增大后检测路数多的问题。出于信号采集需要，机(弹)体表面的检测网络最终都需要引入到空靶内部的信号采集设备上，检测路数越多，需要穿舱的线路越多，对于要求良好密封性的高速空靶，对机体外形整流、布网工艺、网络防护要求就越复杂，给飞行器应用阶段开展布网工作带来困难，同时增加了无线数据传输系统的工作压力。

4.2.2 环形网络结构

环形网络结构与轻武器射击用胸环靶类似，采用多路嵌套、路内支路并联的检测线路感知击中态势，通过由内向外分布的检测环感知毁伤散布情况，在并联支路中的检测端串入大小不等的标识电阻Ri0、Ri1，信息采集设备设备利用第i路电阻值只可能在∞、Ri+Ri0、Ri+Ri1、Ri+Ri0/(Ri+Ri1)间变化的特性，检测网格区域毁伤情况。

图2 环形网络结构Fig.2 Ring network structure

环形检测网络具体形状可为方形、圆形、不规则环状结构等，随飞行器表面形状不同灵活布设，与直通网络结构相比，该方法只能分辨出位于某条检测环路的哪一个支路上，无法实现点击中感知。该结构形式区域适应性强，可铺设于平整、狭长、不规则等多种飞行器表面上，较为适合破片战斗部毁伤分布定性探测，同时，有效减少信号检测路数，降低了对无线数据传输系统的压力。

4.2.3 组合网络结构

组合网络结构在网络形式上与直通网络类似，但检测经纬线非独立成路，而是经线为一路，纬线为一路，采用检测算法分析网络电阻来感知击中态势。图3中，所有检测经线或纬线均为检测支路，以检测经线为例，通过合理配置检测电阻R1、R2、…、RN，使N个检测支路中任意1路或M路断开都会使检测经线总电阻R发生明显变化，且互不相同，检测设备通过分析回路电阻的差异，仅一路信息采集即可完成全部经线网络击中态势感知。

图3 组合网路结构Fig.3 Composite network structure

图3中，未击中无毁伤，线路完好状态下，经线回路总电阻R满足：

(1)

为可靠测量，任一种断裂情况形成的电路电阻在M种组合中具备明显的可识别性，即M种情况下的电路总电阻互相显著可区分，同时为降低测量电路设计难度和复杂性，方便测量，任一状态下电路总电阻值应位于合理区间内，电路总电阻RXI表示为：

1) 全网完好未断裂：

(2)

(3)

i，j∈[1，N]。

(4)

j，k，…，p∈[1，N]。

4) 全部断裂时，电路阻值：

(5)

实际应用中，检测经线或纬线的支路数总为确定有限数，合理设计每一支路检测电阻Ri并归纳成表，检测算法通过查表能快速识别出毁伤态势。组合网络结构大幅降低数据采集路数，基于常规使用的无线传输链路即可将数据实时下传，极大降低数据传输设计和成本压力。

4.3 检测网格线

布网间隔主要考虑两个因素，一是毁伤检测需求，检测经纬线间隔需与战斗部破片物理尺寸相适配，以大概率敏感轰击态势，断裂结果能较好反映毁伤分布与轮廓；二是电磁屏蔽效果，雷达反射特性是空靶装备的核心指标，过密的检测网络会形成较强的电磁屏蔽效果，可能影响其雷达反射特性，与逼真模拟作战对象目标特性的使用目的相悖。

当前警戒、跟踪、制导雷达的工作频段从S波段至Ka波段均有使用，波长范围150～7.5 mm(2～40 GHz)，典型巡航类战术导弹的弹径位于300～500 mm之间，考虑战斗部拦截只可能击中空靶一侧的现实，检测网络只需周向覆盖75%外廓即可，对应周向长度706.5～1 177.5 mm。以常用的破片式战斗部为例进行分析[23-24]，预制破片物理尺寸通常4～6 mm，数量有数万粒之多，爆破时在一定出射角内均匀分布，从检测中靶部位和毁伤轮廓目的出发，检测网络可以不必受限于预制破片物理尺寸约束，只需在概率层面上捕获破片分布即可，基于避免电磁屏蔽效应、毁伤态势概率检测目的，弹体表面的经纬线间隔可选择在20 mm及以上，在300～500 mm外径机身表面，对应布设经线数约35～60根，纬线数量则依据弹体长度而定。

5 结论

本文详细论述了海上反导拦截试验空靶毁伤检测技术四种测量方案的技术特点与能力、数据传输需求、效费比等，适用性各不相同。高速摄像和无线电测量方案更适用于交汇态势测量，由交汇态势进一步推算中靶毁伤情况，两种方案都存在视角预置问题。光纤网络和导电涂料网络方案为中靶毁伤直接测量手段，都具备虚警率低、可靠性高的特点，但在工艺复杂度、成本等方面存在较大差异。

近年来，以无线电测量为代表的检测技术研究和应用发展较快，受各种因素影响，实际测量效果一般。长远看，以导电涂料、柔性传感器等为代表的直接测量手段因具备数据量小、布设灵活、经济性好的优点，是今后主要的毁伤检测技术发展方向。