激光對(duì)紅外成像反艦導(dǎo)彈的對(duì)抗能力分析＊

何 康 陳 翾 趙世明

（91336部隊(duì) 秦皇島 066326）

1 引言

紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈是一種采用被動(dòng)制導(dǎo)模式的飛航武器，是根據(jù)目標(biāo)與背景的表面溫度或發(fā)射率差異從對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景所成的紅外影像中識(shí)別、跟蹤以及鎖定目標(biāo)，并最終對(duì)目標(biāo)實(shí)施打擊，具有打擊精度高、隱蔽性強(qiáng)、抗電磁干擾性強(qiáng)、受天氣狀況影響小、全天候作戰(zhàn)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)海面艦船目標(biāo)形成了日益嚴(yán)峻的威脅。傳統(tǒng)的點(diǎn)源型紅外誘餌干擾彈已無法對(duì)抗紅外成像制導(dǎo)武器，迫切需要一種新的光電對(duì)抗手段來降低紅外成像制導(dǎo)武器對(duì)艦船目標(biāo)的精確打擊威脅。

低能激光技術(shù)的逐漸成熟為艦船對(duì)抗紅外成像制導(dǎo)武器開辟出了一條新的有效途徑，已引起了眾多學(xué)者及科研機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注［1～4］。低能激光武器對(duì)抗紅外成像制導(dǎo)武器的方式分為軟破壞和硬破壞兩種［5］。軟破壞是針對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭的一種暫時(shí)性的干擾方式，是利用激光的光學(xué)效應(yīng)使得制導(dǎo)裝置中的光敏元件受到激光照射后產(chǎn)生光飽和效應(yīng)及記憶效應(yīng)，致使導(dǎo)引頭性能下降無法準(zhǔn)確跟蹤與鎖定目標(biāo)。硬破壞是針對(duì)導(dǎo)引頭的一種永久性的、無法恢復(fù)的破壞方式，是利用激光的熱效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)致使導(dǎo)引頭中的光敏器件發(fā)生熱熔融、龜裂、斷裂、擊穿等現(xiàn)象，致使導(dǎo)引頭徹底喪失制導(dǎo)能力。

本文將首先對(duì)激光對(duì)反艦紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的對(duì)抗距離范圍進(jìn)行推導(dǎo)；然后對(duì)影響激光對(duì)抗距離范圍的各個(gè)因素分別進(jìn)行分析；最后對(duì)激光對(duì)抗武器系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行規(guī)定。

2 艦載激光武器的對(duì)抗距離范圍

激光武器對(duì)抗反艦紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈是只有在一定的距離范圍內(nèi)才有效的，這個(gè)距離范圍的大小能夠在一定程度上反映出激光對(duì)反艦導(dǎo)彈對(duì)抗能力的強(qiáng)弱。定義Rmax和Rmin分別表示激光對(duì)抗距離范圍的上下限。

2.1 激光對(duì)抗距離上限Rmax

Rmax表征的是艦載激光武器對(duì)抗反艦紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的最大距離，它主要由以下兩個(gè)因素決定。一是導(dǎo)引頭光敏元件接受到的激光功率密度要大于其飽和閾值；二是激光器與導(dǎo)引頭間的距離要小于激光器的直視距離。滿足上述兩個(gè)條件的最大激光器與導(dǎo)引頭間距即是Rmax。

當(dāng)激光照射導(dǎo)引頭，其光敏元件接收到的激光功率密度等于飽和閾值ρ0時(shí)，無法正常跟蹤與鎖定目標(biāo)，此時(shí)激光器與導(dǎo)引頭間的距離定義為最大激光干擾距離R0。激光器距離導(dǎo)引頭R時(shí)，導(dǎo)引頭中的光敏器件接收到的功率密度Pe為［5］

式中，0.84為分布在Airy斑第一暗環(huán)內(nèi)部的光能百分比；P0為激光器輸出功率；τ1為激光在R距離內(nèi)傳輸?shù)拇髿馔高^率；τ2為導(dǎo)引頭整流罩透過率；τ3為光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)效率；θ為激光武器瞄準(zhǔn)跟蹤的精度；D為導(dǎo)引頭光學(xué)鏡頭直徑；Φ為光敏元件尺寸；d為導(dǎo)引頭表面激光光斑半徑，表示為

式中，θs為激光光束發(fā)散角，包括光束衍射發(fā)散角θy，大氣湍流引起的發(fā)散角θt以及激光光源抖動(dòng)引起的發(fā)散角θd，即

θy與激光波長λ、激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑D0以及光束質(zhì)量因子β相關(guān)，表示為

θt可以由下式計(jì)算：

式中，b＝1.22；r0為大氣相干長度；k＝2π／λ；ε為目標(biāo)天頂角（h）為大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，見文獻(xiàn)［6］。

θd與激光武器跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)相關(guān)，在近似估算時(shí)，可以假定：

將式（2）代入式（1）并令Pe＝ρ0，即可得出激光最大干擾距離R0，為

圖1 直視距離示意圖

由觀測(cè)點(diǎn)和目標(biāo)的高度以及大氣折射效應(yīng)決定的觀測(cè)目標(biāo)的最遠(yuǎn)距離稱為直視距離。艦載激光武器的對(duì)抗距離范圍的上限還受到直視距離d0的影響，如圖1所示。A點(diǎn)代表激光器，B點(diǎn)代表激光光束與地表的切點(diǎn)，C點(diǎn)代表導(dǎo)彈，O點(diǎn)表示地心，h1為激光器高度，h2為導(dǎo)彈飛行高度，ae為考慮大氣折射效應(yīng)后的等效地球曲率半徑。

式中，a0為地球平均曲率半徑，6370km；dn／dh為大氣的折射系數(shù)n隨海拔高度h的變化率。當(dāng)R＞d0時(shí)，激光無法到達(dá)導(dǎo)引頭。所以激光對(duì)抗距離范圍的上限Rmax應(yīng)該在R0與d0間取小，即

2.2 激光對(duì)抗距離下限Rmin

艦船利用艦載告警裝置發(fā)現(xiàn)紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈來襲時(shí)，即刻采用激光對(duì)其實(shí)施干擾，同時(shí)艦船自身一般采取小角度轉(zhuǎn)向以及加速機(jī)動(dòng)的方式來進(jìn)行規(guī)避。假設(shè)導(dǎo)引頭受激光干擾后失效，此時(shí)導(dǎo)彈將沿受干擾前的記憶方向慣性飛行。如果目標(biāo)位置不變，導(dǎo)彈對(duì)其仍然具有威脅。為了避免受干擾后的導(dǎo)彈仍然威脅艦船目標(biāo)，要求艦船進(jìn)行加速規(guī)避。定義艦船要求的最小規(guī)避距離為Dm，而在艦船行駛Dm距離的時(shí)間t內(nèi)導(dǎo)彈的飛行距離即是激光對(duì)抗距離范圍的下限Rmin。當(dāng)R＜Rmin時(shí)，即使對(duì)紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈實(shí)施激光干擾，導(dǎo)彈仍有可能威脅目標(biāo)。假定艦船的最小規(guī)避距離為一倍艦船長度L；導(dǎo)彈勻速飛行，速度為vm；艦船勻加速度直線規(guī)避，初始速度為v0，加速度為a，則Dm為

由式（11）可以解得：

則Rmin為

所以，激光對(duì)抗紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的有效距離范圍為［Rmin，Rmax］。當(dāng)Rmin＞Rmax時(shí)，激光無法對(duì)抗反艦紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈。

3 激光對(duì)抗距離下限影響因素分析

激光對(duì)抗紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈距離范圍的下限Rmin主要由來襲導(dǎo)彈的速度vm、艦船的初始航速v0以及艦船發(fā)現(xiàn)來襲導(dǎo)彈后的規(guī)避加速度a決定。當(dāng)艦船規(guī)避加速度a一定時(shí)，vm和v0對(duì)Rmin的影響如圖2所示。當(dāng)艦船初始航速v0一定時(shí)，a和vm對(duì)Rmin的影響如圖3所示。

圖2 vm和v0對(duì)Rmin的影響（a＝1m／s2）

圖3 a和vm對(duì)Rmin的影響（v0＝5m／s）

從圖2與圖3中可以看出，激光對(duì)抗距離的下限Rmin與導(dǎo)彈的突防速度vm成正比，與艦船的初始速度v0以及加速度a成反比。從激光對(duì)抗的角度考慮，希望盡量減小激光對(duì)抗距離的下限值以拓寬激光對(duì)抗反艦紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的距離范圍。所以，提高艦船的機(jī)動(dòng)性（提高航行速度與瞬時(shí)加速能力）有助于增強(qiáng)激光對(duì)反艦紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈，特別是制導(dǎo)末段采取超音速突防的導(dǎo)彈的對(duì)抗能力。

假定反艦紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的制導(dǎo)末段以2.3Ma的速度攻擊艦船目標(biāo)，艦船長度為140m，艦船的初始航速為8m／s，艦船以0.8m／s2加速度進(jìn)行規(guī)避。將以上數(shù)據(jù)代入公式（13），計(jì)算出Rmin為8.77km。也就是說，在滿足上述條件的前提下，要想艦載激光武器對(duì)紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈具備對(duì)抗能力就必須在導(dǎo)彈距離艦船8.77km以外對(duì)其導(dǎo)引頭實(shí)施有效激光干擾。

4 激光對(duì)抗距離上限影響因素分析

激光對(duì)抗距離的上限主要由直視距離d0和最大干擾距離R0決定。在激光器高度與導(dǎo)彈飛行高度一定時(shí)，d0主要受大氣的折射系數(shù)隨海拔高度的變化率dn／dh影響，而R0由激光器性能、導(dǎo)引頭性能以及環(huán)境因素共同決定。對(duì)于激光對(duì)抗來說，導(dǎo)引頭的性能是固定的，所以本文主要分析激光器性能以及環(huán)境因素對(duì)激光最大干擾距離的影響。紅外成像導(dǎo)引頭中的探測(cè)器材料采用光導(dǎo)型HgCdTe紅外焦平面器件，工作波段8～12μm，像元數(shù)為320×240，光敏器件元尺寸為30μm，導(dǎo)引頭光學(xué)鏡頭直徑為150mm，焦距為50mm，導(dǎo)引頭整流罩透過率為0.8，光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)效率為0.5，光敏器件飽和閾值為20.5W／cm2。

4.1 激光直視距離估算

地球周圍大氣環(huán)境非常復(fù)雜，時(shí)刻都在發(fā)生變化。大氣折射率n是光波長λ、大氣溫度T、氣壓P、水氣分壓PH2O等的復(fù)雜函數(shù)，要想實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取大氣折射率分布狀況非常困難，通常采用統(tǒng)計(jì)分析的方法總結(jié)得出大氣折射率的分布公式。由Lorentz-Lornz公式可知大氣折射率n為［7］

式中，dP／dh為大氣壓力隨高度的變化率；dT／dh為大氣溫度隨高度的變化率。

在對(duì)流層內(nèi)，大氣壓力與溫度隨海拔高度的變化關(guān)系分別為［8］

式中，P0為海平面大氣壓力；T0為海平面大氣溫度；β為高度溫度變化率，－0.0065k／m；M 為干燥空氣分子量，28.966；g 為 重 力 加 速 度，9.81m／s2；R＊為 萬 用 氣 體 常 數(shù)，8314.36J／（K·Kg）。由式（16）～（18）可得：

本文中，假定導(dǎo)彈飛行高度（h2＝15m），激光器高度h1＝12m。由于導(dǎo)彈與激光器高度都在海平面附近，所以可以假設(shè)在這一高度上的大氣溫度和壓力與海平面上的大氣溫度和壓力相比沒有太大變化。將T＝T0＝293K，P＝P0＝1.01×105Pa，λ＝10.6μm，h＝（h1＋h2）／2代入公式（19）得出，dn／dh＝－2.531×10－8m－1并代入式（8）和式（9）可以得出激光直視距離d0＝28.613km。

4.2 環(huán)境因素對(duì)最大干擾距離的影響

激光光束在大氣中轉(zhuǎn)播時(shí)，由于大氣分子和氣溶膠粒子的吸收和散射作用，其能量會(huì)出現(xiàn)衰減，這將會(huì)對(duì)激光武器對(duì)抗紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的能力產(chǎn)生極大地影響。通常采用大氣透射率來描述大氣對(duì)激光光束的衰減作用。本文利用MODTRAN通用大氣傳輸計(jì)算軟件對(duì)大氣透射率進(jìn)行計(jì)算。在MODTRAN軟件中，大氣透射率τ1與氣象模型、大氣路徑類型、傳輸距離Rtr、氣溶膠模型、氣象距離VIS、海拔高度h、光波長λ等因素相關(guān)。不同氣象距離（VIS）下的激光傳輸?shù)拇髿馔干渎嗜鐖D4所示。

圖4 大氣透射率τ1與傳輸距離Rtr的關(guān)系

從圖4中可以看出，激光傳輸?shù)拇髿馔干渎师?與氣象距離VIS成正比，與傳輸距離Rtr成反比，VIS越小、Rtr越大，激光能量衰減越嚴(yán)重。所以在激光器性能固定的情況下，VIS決定激光最大干擾距離R0的大小，見表1。其中，激光器輸出功率P0＝10W，激光武器瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)的精度θ＝10μrad，激光波長λ＝10.6μm，激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑D0＝50cm，光束質(zhì)量因子β＝3。從表1中可以看出，氣象距離越大，激光的最大干擾距離越大。

表1 不同VIS下的R0

4.3 激光器性能對(duì)最大干擾距離的影響

圖5 P0和D0對(duì)R0的影響

圖6 P0和β對(duì)R0的影響

激光器的性能參數(shù)包括激光器的輸出功率P0、激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑P0以及光束質(zhì)量因子β都將決定R0的取值。不同的激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑下，最大干擾距離與激光器輸出功率的關(guān)系如圖5所示。不同的激光光束質(zhì)量因子下，最大干擾距離與激光器輸出功率的關(guān)系如圖6所示。從圖中可以看出，提高激光器發(fā)射功率、增大激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑以及減小光束質(zhì)量因子有助于增大激光對(duì)紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的最大干擾距離，提高激光武器的光電對(duì)抗能力。

5 激光武器系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求

滿足上述條件Rmax＞Rmin時(shí)，并不能完全認(rèn)定激光武器系統(tǒng)對(duì)紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈具備對(duì)抗能力，它還受到該武器系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的影響。艦載激光對(duì)抗武器系統(tǒng)是集導(dǎo)彈告警、跟蹤、瞄準(zhǔn)和干擾為一體的武器防御系統(tǒng)。當(dāng)該系統(tǒng)中的告警裝置發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈來襲時(shí)，立即向跟蹤以及瞄準(zhǔn)裝置發(fā)出指令并最終命令激光器對(duì)威脅導(dǎo)彈發(fā)出干擾激光光束。從告警裝置發(fā)現(xiàn)異常到激光器接到指令發(fā)出干擾光束的這段時(shí)間稱為激光對(duì)抗武器系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間Rmin。激光對(duì)抗武器系統(tǒng)對(duì)反艦導(dǎo)彈要想形成有效對(duì)抗，必需在導(dǎo)彈距離艦船Rmin以外即發(fā)出干擾光束，則系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間tr：

式中，Ra為系統(tǒng)告警裝置對(duì)導(dǎo)彈的作用距離。

6 結(jié)語

通過本文的分析與計(jì)算主要可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：

1）要想激光對(duì)抗武器系統(tǒng)對(duì)紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈具備對(duì)抗能力必需滿足三個(gè)條件：（1）滿足tr＜（Ra－Rmin）／vm；（2）滿足Rmax＞Rmin；（3）激光波長處于光電導(dǎo)引頭工作波段內(nèi)。

2）在滿足艦船對(duì)裝備體積、重量等要求的前提下，提高激光器發(fā)射功率、增大激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑、增強(qiáng)激光光束品質(zhì)、加強(qiáng)艦船機(jī)動(dòng)性能、增大系統(tǒng)告警裝置作用距離以及縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是提高激光武器系統(tǒng)對(duì)紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈對(duì)抗能力的有效途徑。

［1］李海燕，朱敏，何友金，等.激光對(duì)紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈干擾仿真與效果評(píng)估［J］.紅外與激光工程，2008，37（6）：1034-1037.

［2］王世勇，付有余，郭勁.遠(yuǎn)場(chǎng)光電探測(cè)器系統(tǒng)受激光干擾與損傷效果估計(jì)［J］.光學(xué)技術(shù)，2002，28（1）：28-30.

［3］高桂清，向進(jìn)，李勇翔，等.激光對(duì)天基紅外系統(tǒng)預(yù)警衛(wèi)星光電探測(cè)器的干擾效能研究［J］.激光與紅外，2010，40（2）：174-177.

［4］王思雯，李巖，郭立紅，等.CO2激光對(duì)長波紅外HgCdTe探測(cè)器干擾的分析［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2010，29（2）：102-104.

［5］李海燕.激光對(duì)紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)干擾效能研究［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005.

［6］朱文越，馬曉珊，饒瑞中.大氣光學(xué)湍流對(duì)光電探測(cè)器性能的影響［J］.紅外與激光工程，2006，35（3）：354-358.

［7］萬敏，蘇毅，張衛(wèi)，等.大氣色散效應(yīng)對(duì)信標(biāo)應(yīng)用的影響研究［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2000，12（6）：776-778.

［8］李雙剛，聶勁松.大氣折射對(duì)光電探測(cè)定位的影響［J］.紅外與激光工程，2008，37（S3）：170-173.

［9］閻吉祥.激光原理與技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［10］王學(xué)偉，李珂，王世立.紅外成像系統(tǒng)建模仿真方法研究［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2012，40（6）.

［11］李珂，王學(xué)偉，王世立.紅外傳感器模型的成像仿真效果分析［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2012，40（7）.

［12］付小寧，王炳健，王荻.光電定位與光電對(duì)抗［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.