激光半主動制導武器角度欺騙干擾效果評估方法研究*

劉尊洋,沈 陽,李修和,冉金和

(電子工程學院,合肥 230037)

0 引言

激光角度欺騙干擾是激光半主動制導武器的主要對抗手段,其干擾效能直接關系到被保護目標的生存概率,準確評估激光半主動制導武器的角度欺騙干擾效果,可以為干擾設備設計、干擾方案優(yōu)化等工作提供重要參考,因而具有重要軍事價值。近年來,相關學者針對這一問題開展了一系列的研究,并取得了重要進展[1-8]。但現有研究一般主要針對干擾效果的部分影響因素進行理論分析,考慮因素尚不夠全面。例如,尚未見關于干擾延遲時間以及能量對比度對干擾效果影響的建模分析,在計算欺騙干擾引偏成功率時僅考慮了超前同步干擾對首脈沖制導的干擾的成功概率,未考慮導引頭采取其他制導模式時的干擾效果,而且尚未見關于角度欺騙干擾效果評估指標體系建立的研究報道。

文中結合激光半主動制導武器攻擊及欺騙干擾原理,建立了激光欺騙干擾引偏成功率評估指標體系以及計算模型,進一步綜合各指標計算激光欺騙干擾的引偏成功率,以及激光欺騙干擾對激光半主動制導攻擊殺傷概率的影響。然后,介紹了干擾效果評估的基本流程并結合具體的實例利用文中方法分析了主要干擾因素對干擾效果的影響。

1 干擾效果評估指標與計算模型

1.1 評估指標體系

激光半主動制導干擾主要涉及威脅告警、編碼識別、干擾時機、模式匹配以及波長、空域、能域等因素,因此為了綜合評估激光欺騙干擾的效能,建立了激光欺騙干擾效果評估指標體系如圖1所示。

1.2 指標含義及計算模型

1.2.1 告警成功率

制導激光一般直接照射攻擊目標,告警系統(tǒng)主要通過探測制導激光的離軸散射光實現告警,因此當告警系統(tǒng)距離敵攻擊目標超過一定范圍時將無法實施有效告警,此處做一定簡化,假設告警頭在距離敵攻擊目標r0之內可以有效告警,否則無法告警,則告警成功率指標Sa為：

(1)

1.2.2 時域相關度

欺騙干擾的時機對干擾效果有較大影響,且隨著延遲時間越長對干擾效果影響越嚴重,文中使用時域相關度St指標評價干擾時機對干擾效果的影響。假設目標指示器發(fā)光時間為0時刻,干擾機實施干擾的時間區(qū)間為t(通常情況下t>0)。因此僅考慮時間因素,干擾激光延遲時刻越短干擾效果越好。假設激光半主動制導武器在指示激光發(fā)出后T到達攻擊目標,則時域相關度指標可表示如下:

(2)

1.2.3 波長一致性

光學系統(tǒng)的選擇透過性以及探測器的選擇響應性決定只有干擾波長λj與目標指示激光波長λg相同才能夠產生干擾效果。因此波長一致性指標可以表述為:

(3)

1.2.4 空域相關度

空域相關度指標主要用于判斷干擾激光能否進入導引頭視場,主要和假目標距離保護目標的距離相關[9]。假設導引頭半視場角為φ,視場中心正對攻擊目標,導引頭距攻擊目標L,則為滿足空間匹配條件激光欺騙假目標距離敵攻擊目標最大距離d0需要滿足:

d0=L·tan(φ)

(4)

干擾空域相關度指標Sd可以用下式計算:

(5)

1.2.5 碼型匹配度

干擾激光與目標指示激光碼型是否匹配是決定干擾成功與否的重要因素,干擾激光與目標指示激光碼型匹配度主要由告警系統(tǒng)的解碼成功率決定,碼型匹配指標可以由下式決定。

Sc=kcSec

(6)

式中:Sc為碼型匹配度,Sec為解碼成功率,可以根據解碼結果與接收到的指示信號匹配程度計算;kc為比例系數。

1.2.6 模式匹配度

激光導引頭內部信號處理部件普遍采用時間波門技術來提高導引頭的抗干擾性能[10],此外,為了減少干擾光對制導的影響,導引頭會采取一定的檢測模式對時間波門內的信號進行取舍,常用的有首脈沖檢測和末脈沖檢測兩種模式。相應的激光欺騙干擾模式可分為首脈沖干擾、末脈沖干擾和雙脈沖干擾3種模式。需要說明的是,由于激光器重頻抖動等原因,干擾激光只能以一定概率實現超前或滯后目的。

模式匹配度指標計算的就是不同干擾模式對各種制導模式的模式匹配度及其對干擾效果的影響程度,文中根據經驗,設定干擾模式匹配指標為:

(7)

式中:mg為導引頭檢測模式,取值1和2分別表示導引頭采用首脈沖檢測和末脈沖檢測模式;mj為干擾機工作模式,取值1、2和3分別表示干擾機采用首脈沖干擾、末脈沖干擾和雙脈沖干擾模式。

1.2.7 能量對比度

由于激光制導武器導引頭采用自動增益控制(AGC)電路進行信號處理[11],所以如果干擾激光能量大于目標指示激光回波能量,則導引頭收到干擾信號后根據干擾激光能量降低系統(tǒng)增益,則可能導致在增益回復之前都無法檢測目標指示激光信號。假設導引頭表面接收到的干擾激光的照度為Ej,導引頭表面接收到的目標回波照度為Es,則干擾與指示信號照度比Ec如式(8)所示,能量對比度指標Sp如式(9)所示:

Ec=Ej/Es

(8)

(9)

式中,Kj為干擾系數。

1.3 綜合干擾效果評估

1.3.1 引偏成功率

由于各指標為串行關系,使用加權積方法計算綜合干擾效果,即引偏成功率:

(10)

式中:wa為告警成功率相關指標Sa的權值;wt為時域相關指標St的權值;wλ為波長一致指標Sλ的權值;wd為空域相關指標Sd的權值;wc為碼型匹配指標Sc的權值;wm為模式匹配指標Sm的權值;wp為能量對比度指標Sp的權值。

1.3.2 殺傷概率下降程度

以制導武器殺傷概率下降程度為指標,則干擾效果可表示為:

(11)

式中:P為干擾效果,P0為無干擾時激光半主動制導武器對目標的殺傷概率,Pj為實施干擾后激光半主動制導武器對目標的殺傷概率,可用下式計算:

Pj=(1-Pcs)P0+Pcs·P1

(12)

式中:Pcs為引偏成功率,P1為制導武器被引偏后對真實目標的殺傷概率。

2 干擾效果評估流程及典型案例分析

2.1 干擾效果評估流程

干擾效果評估流程如圖2所示。首先獲取干擾效果評估計算所需的參數并完成參數的預處理等計算準備工作;然后分別計算干擾效果評估的各項指標,設定指標權重;最后綜合計算引偏成功率和殺傷概率下降程度等指標評價角度欺騙干擾效果。

2.2 干擾效果評估案例分析

2.2.1 典型條件下干擾效果計算

假設典型條件下角度欺騙干擾效果評估的輸入參數如表1所示。則根據指標計算模型可得典型條件下效能評估基本指標值如表2所示。根據各干擾效果評估指標對對干擾效果的影響的程度,結合專家經驗設定權值如表3所示。

圖2 激光欺騙干擾效果評估基本流程

參數參數值物理意義r/m50告警頭與保護目標距離r0/m70有效告警范圍T/s20武器打擊時間t/s2干擾延遲時間λg/μm1.06指示激光波長λj/μm1.06干擾激光波長L/km10開始干擾時導引頭距離φ/(°)10導引頭視場角d0/m80假目標與保護目標距離Sec/%92激光告警設備解碼成功率kc1比例系數mg1導引頭檢測模式mj1干擾模式Ec2.3干信比(干擾與指示信號照度比)Kj0.95干擾系數

表2 效能評估基本指標

表3 效能評估權重設置

利用論文指標聚合模型,計算得到在上述條件下引偏成功率為70.4%。假設無干擾時激光半主動制導武器對目標的殺傷概率P0為90%,實施干擾后激光半主動制導武器對目標的殺傷概率Pj為2.6%,則干擾效果為68.3%。

圖3 主要指標變化對干擾效果的影響

2.2.2 主要影響因素分析

實戰(zhàn)過程中一般按照一定戰(zhàn)術要求部署告警頭和假目標以確保告警成功率和干擾目標與保護目標能夠同時進入導彈導引頭視場,而且激光半主動制導武器所使用的波長比較固定。一般情況下,對干擾效果影響比較多的因素主要是時域相關度、碼型匹配度、模式匹配度和能量對比度4個指標,下面以針對上述主要影響指標,分別分析其對干擾效果的影響。分析時,假定其他輸入條件同表1,權重設置同表3,分別分析上述4個指標對應參數變化時干擾效果的變化規(guī)律,如圖3所示。

首先結合4個子圖分析具體指標變化對干擾效果的影響情況:觀察圖3(a)可以發(fā)現,隨著干擾時間延遲增大,干擾效果逐漸下降,且下降速度呈現先慢后快規(guī)律,在時延接近導彈攻擊時間時干擾效果迅速下降為0,說明在實施干擾時應當盡可能減小干擾時延,因此需要盡可能提高系統(tǒng)的告警和解碼效率;觀察圖3(b)可以發(fā)現,干擾效果隨碼型匹配度增大而增加,因此提高情報處理部分的解碼能力可以有效提高干擾效果;觀察圖3(c)可以發(fā)現,干擾效果隨模式匹配度增大而增加,所以,在實施干擾時,采取正確的干擾模式對干擾效果有較大影響,另外,由于難以直接通過偵察掌握導引頭的工作模式,可以在條件允許時通過采取雙脈沖干擾方式來提高干擾成功率;觀察圖3(d)可以發(fā)現,干擾效果隨干信比的增大呈分段變化規(guī)律,在干信比小于0.5時和大于2.0時均恒定不變,在二者之間時,則隨干信比增大而增大,據此在實施干擾時,如果可以控制干擾激光能量,使干信比稍大于2.0則可以達到較好的干擾效率,如果無法獲取準確的干信比,則應盡可能提高干擾激光能量。另外,綜合圖3的4個子圖可以發(fā)現,殺傷概率下降程度與引偏成功率呈正相關關系,且始終稍低于引偏成功率,說明引偏成功可以降低敵激光半主動制導武器的殺傷概率,同時由于成功引偏后也存在對真實目標毀傷的可能,所以殺傷概率下降程度始終低于引偏成功率。

3 結束語

文中結合激光半主動制導武器打擊和激光角度欺騙干擾的原理,建立了比較系統(tǒng)全面的激光欺騙干擾效果評估指標體系和計算模型,介紹了干擾效果評估基本流程,并結合典型數據分析了主要指標對干擾效果的影響,結果表明,縮短干擾反應時間、提高碼型匹配度、增加干擾功率以及提高模式匹配度或使用雙脈沖干擾方式都可以提高干擾效果。該研究結論對綜合評估角度欺騙干擾效果和有效實施激光角度欺騙干擾具有一定的參考價值。

此外,該項研究重點在于構建角度欺騙干擾效果評估指標體系與綜合評估方法,因此對于部分指標的計算采取了一定的簡化措施,下一步工作可以針對告警成功率、空域相關度、模式匹配度等具體指標的計算模型開展深入研究,建立更加準確可靠的計算模型,提高干擾效果評估的精確度。