艦艇光電對(duì)抗裝備作戰(zhàn)效能分析

湯永濤，王國(guó)恩，陶 金

（海軍蚌埠士官學(xué)校，蚌埠233012）

0 引 言

光電對(duì)抗是整個(gè)電子對(duì)抗的重要組成部分，它實(shí)質(zhì)上是電子對(duì)抗在電磁頻譜光波段的延伸。光電技術(shù)迅猛發(fā)展并大量應(yīng)用于軍事偵察、導(dǎo)航、搜索、跟蹤、識(shí)別、火控瞄準(zhǔn)和導(dǎo)彈，極大地提高了現(xiàn)代艦艇作戰(zhàn)的威力，影響著戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)，因此，對(duì)光電對(duì)抗裝備作戰(zhàn)效能進(jìn)行深入研究是目前非常重要的課題。

1 光電對(duì)抗作戰(zhàn)效能指標(biāo)分析

光電對(duì)抗設(shè)備的功能是敵對(duì)雙方在光波段范圍內(nèi)，利用光電對(duì)抗設(shè)備和器材，對(duì)敵方光電制導(dǎo)武器和光電偵測(cè)設(shè)備等光電武器進(jìn)行偵察告警并實(shí)施干擾，使敵方的光電武器削弱、降低或喪失作戰(zhàn)效能。為了深入分析光電對(duì)抗的作戰(zhàn)效能［1］，應(yīng)從兩方面考慮：

（1）光電設(shè)備偵察探測(cè)能力受光電對(duì)抗的影響，光電設(shè)備的偵察概率和范圍下降到何種程度？

（2）光電對(duì)抗設(shè)備或器材對(duì)光電武器的削弱、甚至破壞，導(dǎo)致作戰(zhàn)毀傷概率有多大的影響？

發(fā)現(xiàn)目標(biāo)是硬武器打擊目標(biāo)的首要任務(wù)，對(duì)目標(biāo)定位準(zhǔn)不準(zhǔn)也直接影響到殺傷范圍。因此可以初步估算出作戰(zhàn)毀傷概率受光電對(duì)抗的影響。設(shè)：P（F）為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率；P（J）為擊毀目標(biāo)的概率；P（S／F）為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)條件下射擊的概率；P（Z／S）為射擊條件下命中的概率；P（J／Z）為命中條件下?lián)魵У母怕省?/p>

則命中毀傷時(shí)的擊毀概率為：

這里，P（F）、P（Z／S）與光電對(duì)抗的作戰(zhàn)效能有關(guān)，通過計(jì)算，便可得到作戰(zhàn)效能受光電對(duì)抗的影響。

由于可見光、紅外、激光等光電設(shè)備的工作方式不同，干擾方法各異，下面對(duì)艦艇主要光電對(duì)抗設(shè)備的干擾效果進(jìn)行分析評(píng)估。

2 煙幕遮蔽的干擾效能分析

往往人們通過目力光學(xué)偵察發(fā)現(xiàn)目標(biāo)會(huì)采用光電偵察設(shè)備來輔助偵察，并計(jì)算發(fā)現(xiàn)和識(shí)別概率，可以進(jìn)一步分析偵察的效果，作為計(jì)算發(fā)現(xiàn)和識(shí)別目標(biāo)的前提則是首先要知道目標(biāo)與背景的視亮度的對(duì)比影響。為了很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)偵察的干擾，采取了煙幕遮蔽的方式改變目標(biāo)與觀察者之間的光學(xué)傳輸特性，繼而影響目標(biāo)與背景視亮度對(duì)比，以影響目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)和識(shí)別概率。

2.1 煙幕遮蔽的作用原理

煙幕遮蔽的作用主要表現(xiàn)在對(duì)光的有效散射與吸收，由于光波波長(zhǎng)各不相同，當(dāng)光線進(jìn)入煙幕時(shí)，受煙粒的形狀、大小、表面粗糙程度等不同因素的影響，入射光線將表現(xiàn)為反射、折射、衍射、吸收和透過效果。隨著這些效果的影響，結(jié)果將是透出煙幕的光輻射強(qiáng)度要比進(jìn)入的光輻射強(qiáng)度小很多。光線能被有效衰減的主要原因是煙幕對(duì)光進(jìn)行了散射和吸收。

煙幕對(duì)光的散射，是指當(dāng)光線進(jìn)入煙幕時(shí)，煙幕內(nèi)部的煙粒子使光線向四處折射、衍射、反射，由于光線照射到煙幕微粒表面上會(huì)發(fā)射散射，這些散射光又被折射或反射到其他煙粒表面上，而這些光線接著被散射二次或多次，那么最終每個(gè)煙粒不僅會(huì)被入射的光線直接照亮，還會(huì)被周圍其他煙粒散射多次后照亮，因此散射型煙幕是由于光在煙幕內(nèi)部發(fā)生折射、衍射和反射等原因造成的。正是由于光線發(fā)生了散射，因此光線會(huì)被衰減，但同時(shí)煙幕會(huì)變得更亮。

煙幕既能散射光線，同時(shí)也可以吸收光線。煙幕微粒之間的分散介質(zhì)（空氣）會(huì)吸收光線，另外煙幕粒子也會(huì)吸收光線。煙幕粒子本身的原子、分子總是不斷運(yùn)動(dòng)的，按照量子力學(xué)的觀點(diǎn)，即每個(gè)分子和原子都存在一定數(shù)目的電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，由于煙幕粒子內(nèi)部原子中的電子相對(duì)原子核的運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量都是量子化的，同時(shí)每種分子、原子都有各自的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，易極化和極性分子都有幾種震動(dòng)頻率，當(dāng)這些分子、原子與其諧振頻率相同的電磁輻射發(fā)生作用時(shí)，就會(huì)發(fā)射共振，即當(dāng)入射光頻率與振子的固有頻率相等時(shí)，就吸收入射能量，使分子從較低的能級(jí)躍遷到較高的能級(jí)，即發(fā)生了選擇性吸收。

此外煙幕粒子若采用電子的良導(dǎo)體材料，也會(huì)引起自由電子運(yùn)動(dòng)的變化，主要表現(xiàn)在對(duì)電磁輻射的連續(xù)吸收和反射特性，從而在原傳輸方向上形成衰減［2］。

煙幕對(duì)光的衰減，同樣遵從朗伯－比耳定律，其透過率τS為：

式中：αS為煙幕的消光指數(shù)；RS為煙幕的有效厚度。

從上式可以看出，光線的有效衰減和吸收與煙幕的厚度成正比，煙幕的厚度越大，則對(duì)光的消光特性越強(qiáng)，衰減和吸收得也越多。

2.2 煙幕對(duì)目標(biāo)背景視亮度對(duì)比的影響

光線在煙幕內(nèi)部發(fā)生折射、衍射、反射，是煙幕亮度變亮的原因。目標(biāo)與背景的視亮度對(duì)比發(fā)生了變化，經(jīng)過觀察者進(jìn)行觀察，出現(xiàn)的現(xiàn)象是目標(biāo)與背景的亮度趨于等效，也就是說煙幕越亮，目標(biāo)與背景之間的亮度對(duì)比主要表現(xiàn)為趨于下降，同時(shí)大氣和煙幕對(duì)消光作用的影響還應(yīng)考慮在內(nèi)。

設(shè)目標(biāo)背景、煙幕、觀察者的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 觀察點(diǎn)、煙幕、目標(biāo)背景的位置關(guān)系

圖1中，R為觀察點(diǎn)與目標(biāo)背景之間的距離，R1為煙幕邊緣至目標(biāo)背景之間的距離，R2為煙幕邊緣至觀察點(diǎn)之間的距離，RS為煙幕厚度，LH為天空亮度，Lo、Lb為目標(biāo)和背景亮度，則目標(biāo)的視亮度L′o為：

式中：Ls為煙幕亮度，考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)Rs，R1?R，則R1＋R2≈R，R2≈R。

此時(shí)式（3）變?yōu)椋?/p>

同理，背景視亮度為：

由此可得煙幕遮蔽條件下目標(biāo)背景視亮度對(duì)比Kls為：

式中：rs為煙幕亮度系數(shù)。

由此可知，Kls＜Kl，當(dāng)Kls≤亮度對(duì)比閥值ε時(shí)，目標(biāo)和背景就會(huì)融為一體了。實(shí)際上煙幕遮蔽就是在光學(xué)偵察系統(tǒng)與目標(biāo)背景之間形成一道有效的、降低透過率煙霧墻，為了破壞偵察和制導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤目標(biāo)，還要考慮使目標(biāo)與背景的視亮度對(duì)比達(dá)到亮度對(duì)比閥值以下。

2.3 煙幕遮蔽對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)和識(shí)別概率

可通過參照文獻(xiàn)［1］知道，亮度對(duì)比閥值ε是正態(tài)分布的隨機(jī)變量［1］，通過下式求得視亮度對(duì)比為Kls、不同觀察距離R處的目標(biāo)在煙幕遮蔽時(shí)的發(fā)現(xiàn)和識(shí)別概率：

通過上述公式，只要確定出視角的變化規(guī)律和視亮度對(duì)比值，便可計(jì)算出在煙幕遮蔽下光電武器對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)和識(shí)別概率［3］。

3 紅外誘餌干擾效能分析

紅外誘餌是一種具有一定輻射能量和紅外頻譜特征的干擾器材，用以欺騙或誘惑敵方紅外偵測(cè)系統(tǒng)或紅外制導(dǎo)系統(tǒng)。投放后的紅外誘餌可使紅外制導(dǎo)武器在鎖定目標(biāo)之前鎖定紅外誘餌，致使其制導(dǎo)系統(tǒng)降低跟蹤精度或被引離攻擊目標(biāo)。然而紅外誘餌是一種用于對(duì)抗紅外非成像的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的點(diǎn)源式紅外有源假目標(biāo)。紅外導(dǎo)引頭的紅外探測(cè)器能探測(cè)到紅外輻射信號(hào)，從而攻擊目標(biāo)。當(dāng)被保護(hù)目標(biāo)受到紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的威脅時(shí)，根據(jù)發(fā)射時(shí)機(jī)，在一定距離上發(fā)射出紅外誘餌，由于紅外誘餌的輻射強(qiáng)度要大于目標(biāo)的輻射強(qiáng)度，從而紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈最終只會(huì)跟蹤上紅外誘餌，此時(shí)定義壓制系數(shù)K為紅外誘餌輻射強(qiáng)度與目標(biāo)的輻射強(qiáng)度之比，臨界壓制系數(shù)K＊為目標(biāo)被逐出導(dǎo)彈視場(chǎng)的輻射強(qiáng)度最小比值，顯然，要使干擾有效，必須滿足：

按比例導(dǎo)引規(guī)律跟蹤的紅外導(dǎo)引頭，實(shí)際使用時(shí)，壓制系數(shù)必須是臨界值的若干倍，攻擊時(shí)才能偏向紅外誘餌，而不是目標(biāo)本身。

在紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈跟蹤目標(biāo)情況下，紅外誘餌被適時(shí)投放到一定距離后開始燃燒，紅外誘餌與目標(biāo)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在紅外導(dǎo)引頭視場(chǎng)內(nèi)，由于導(dǎo)彈跟蹤兩者的等效輻射能量中心，而紅外誘餌的紅外輻射強(qiáng)度大于目標(biāo)的強(qiáng)度，所以等效輻射能量中心會(huì)偏向紅外誘餌；隨著目標(biāo)的機(jī)動(dòng)，紅外誘餌與目標(biāo)的距離會(huì)越來越遠(yuǎn)，紅外導(dǎo)引頭逐漸偏向能量大的一方，也就是紅外誘餌一邊；當(dāng)目標(biāo)離開紅外導(dǎo)引頭的視場(chǎng)范圍以后，紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈就只能跟蹤紅外誘餌，目標(biāo)的威脅就會(huì)消除［4］。

紅外誘餌能夠干擾紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈主要應(yīng)滿足下面幾個(gè)條件：

（1）誘餌的紅外輻射能量必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被保護(hù)目標(biāo)的紅外輻射能量；

（2）紅外誘餌與被保護(hù)目標(biāo)所輻射出的紅外光譜必須相近或一致；

（3）為了保證被保護(hù)目標(biāo)在脫離導(dǎo)引頭視場(chǎng)角內(nèi)時(shí)紅外誘餌一直都在燃燒，紅外誘餌的燃燒時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，才能保證導(dǎo)彈導(dǎo)引頭無法重新鎖定被保護(hù)目標(biāo)；

（4）為了達(dá)到引偏紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的效果，紅外誘餌與目標(biāo)的距離不能太遠(yuǎn)，必須保證與目標(biāo)均處在導(dǎo)彈導(dǎo)引頭視場(chǎng)內(nèi)；

（5）在紅外誘餌被投放出去后，被保護(hù)目標(biāo)要能夠迅速機(jī)動(dòng)，并與紅外誘餌之間形成一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)，才能將導(dǎo)彈引偏。

如圖2所示，設(shè)紅外誘餌與質(zhì)心點(diǎn)對(duì)導(dǎo)引頭的張角為θ1，目標(biāo)和質(zhì)心點(diǎn)對(duì)導(dǎo)引頭的張角為θ2，紅外誘餌與目標(biāo)對(duì)導(dǎo)引頭的張角為θ＝θ1＋θ2，導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭視場(chǎng)角為ω，紅外誘餌的輻射強(qiáng)度為Jj，目標(biāo)輻射強(qiáng)度為Js，則：

圖2 紅外質(zhì)心干擾示意圖

質(zhì)心點(diǎn)與目標(biāo)和誘餌在垂直于跟蹤軸方向的橫向距離為d1，d2，則有：

根據(jù)前面定義的壓制系數(shù)K，即：

于是當(dāng)K＜1時(shí)，導(dǎo)彈偏向被保護(hù)目標(biāo)一側(cè)；當(dāng)K＞1時(shí)，導(dǎo)彈則偏向紅外誘餌一側(cè)。

由于被保護(hù)目標(biāo)是艦艇，具有一定的實(shí)際面積，因此定義以被保護(hù)目標(biāo)的幾何中心為圓心的區(qū)域?yàn)榘踩Α＿@里設(shè)安全圈的半徑為r，當(dāng)該區(qū)域有紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈進(jìn)入或通過時(shí)，則認(rèn)為會(huì)對(duì)保護(hù)目標(biāo)形成傷害。因此，干擾成功的條件是必須使紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈偏離此區(qū)域。安全圈的大小與被保護(hù)目標(biāo)的類別、導(dǎo)彈的爆炸威力、引信的類型及目標(biāo)參數(shù)等均有關(guān)。

根據(jù)圖2所示，安全圈與目標(biāo)和紅外誘餌之間

經(jīng)分析可得出如下結(jié)論：紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈最后跟蹤到保護(hù)目標(biāo)還是紅外誘餌與壓制系數(shù)有直接關(guān)系，如果紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈最后跟蹤上紅外誘餌，則壓制系數(shù)為K≥K＊；如果紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈最后跟蹤被保護(hù)目標(biāo)，則壓制系數(shù)為K≤1；如果紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈最后跟蹤誰是等概率隨機(jī)的，則壓制系數(shù)為1＜K＜K＊。連線的交點(diǎn)為B點(diǎn)，導(dǎo)引頭與B點(diǎn)到質(zhì)心點(diǎn)的張角為θ3，則當(dāng)θ3＝ω／2時(shí)，導(dǎo)引頭恰好將安全圈（保護(hù)目標(biāo)在內(nèi)）偏出視場(chǎng)范圍內(nèi)，而臨界壓制系數(shù)K＊便是在此時(shí)定義的，當(dāng)θ3＞ω／2時(shí)，安全圈（保護(hù)目標(biāo)在內(nèi)）則偏出紅外導(dǎo)引頭視場(chǎng)角，轉(zhuǎn)向紅外誘餌，而：

4 結(jié)束語

當(dāng)然，艦艇光電對(duì)抗裝備受環(huán)境、氣候等因素的影響較大，實(shí)際作戰(zhàn)中合理使用好光電對(duì)抗裝備，使其作戰(zhàn)效能完全發(fā)揮出來很有必要。作戰(zhàn)失敗往往不是裝備技術(shù)原因造成的，而是戰(zhàn)術(shù)使用不當(dāng)造成的，因此，艦艇光電對(duì)抗裝備的戰(zhàn)術(shù)使用也很關(guān)鍵，同樣需要不斷的探索和研究。

［1］周剛.電子戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能FUZZY評(píng)判［J］.艦船電子對(duì)抗，2002，25（1）：7－9.

［2］瓦金S A.電子戰(zhàn)基本原理［M］.吳漢平譯.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［3］周剛.光電偵察對(duì)隱身目標(biāo)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別概率［J］.光電對(duì)抗與無源干擾，1992，28（3）：14－19.

［4］小哈得遜R D.紅外系統(tǒng)原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1975.