激光干擾紅外成像型導(dǎo)引頭的效能研究

李林林

中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所,河南 洛陽 471009

0 引言

激光定向?qū)瓜到y(tǒng)通過定向發(fā)射高能量的紅外激光干擾紅外導(dǎo)引頭,是目前最有效的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈對抗措施[1-2]。第1代、第2代紅外導(dǎo)引頭采用紅外點(diǎn)源制導(dǎo)方式,通過對目標(biāo)的紅外輻射信號進(jìn)行調(diào)制得到目標(biāo)角度信息,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對其的跟蹤,這一固有特性使得點(diǎn)源制導(dǎo)式導(dǎo)引頭在面對激光干擾時顯得十分脆弱[3-4]。激光定向?qū)瓜到y(tǒng)成功干擾此類型導(dǎo)引頭只需滿足以下2個條件:①運(yùn)用調(diào)制技術(shù)使干擾激光脈沖頻率與導(dǎo)引頭調(diào)制頻率一致[5];②干擾與信號能量比在100～1 000。條件①所需的激光調(diào)制技術(shù)比較成熟,且調(diào)制干擾參數(shù)在實(shí)驗(yàn)室即可獲得,條件②中的干擾與信號能量比在目前技術(shù)條件下也易于達(dá)到。因此,激光定向?qū)瓜到y(tǒng)能夠成功干擾第1、第2代紅外點(diǎn)源制導(dǎo)導(dǎo)引頭,實(shí)現(xiàn)對該類紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的有效對抗。然而,最新一代的紅外成像型導(dǎo)引頭不再通過點(diǎn)源調(diào)制的方式獲取目標(biāo)位置信息,而是先通過對目標(biāo)成像,然后利用多幀圖像處理的方式檢測目標(biāo)在圖像中的像素位置得到目標(biāo)角位置信息,實(shí)現(xiàn)精確跟蹤[6-7],其跟蹤和抗干擾措施均依靠內(nèi)置的圖像處理軟件算法實(shí)現(xiàn),對干擾信號本身調(diào)制與否并不敏感,這就導(dǎo)致針對點(diǎn)源制導(dǎo)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)的激光干擾方法對紅外成像型導(dǎo)引頭的干擾效能大幅下降。因此,有必要對激光干擾紅外成像型導(dǎo)引頭的干擾效能進(jìn)行分析和研究,得到激光成功干擾紅外成像型導(dǎo)引頭的條件和能量等要求,指導(dǎo)激光定向?qū)瓜到y(tǒng)的針對性設(shè)計(jì),提升系統(tǒng)的干擾效能,達(dá)到對紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的防護(hù)要求。

1 紅外成像型導(dǎo)引頭工作原理

紅外成像型導(dǎo)引頭的基本組成如圖1所示。

圖1 紅外成像型導(dǎo)引頭的基本組成

目標(biāo)跟蹤機(jī)制如下:在導(dǎo)彈發(fā)射后,紅外探測器對目標(biāo)紅外輻射能量進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,得到數(shù)字化的紅外圖像,經(jīng)過圖像濾波、目標(biāo)檢測與識別,區(qū)分出目標(biāo)、背景和干擾信號,再按多幀圖像序列檢出方式進(jìn)行目標(biāo)跟蹤,得到目標(biāo)的角度信息,進(jìn)而得到導(dǎo)引頭的瞄準(zhǔn)指令和制導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)引指令,引導(dǎo)導(dǎo)彈按照預(yù)設(shè)的制導(dǎo)律正確飛向目標(biāo)[8-9]。

目標(biāo)圖像檢測與識別是紅外成像型導(dǎo)引頭抗干擾的核心,其利用圖像特征區(qū)分視場中的目標(biāo)和干擾信號[10],這些特征量類型十分豐富,包括目標(biāo)最大灰度的歸一化平均值、灰度分布方差、像素?cái)?shù)半徑的均方根等。其中最常用的特征量為圖像偏心率,也稱“圓度”,反映了目標(biāo)在紅外圖像上的形狀特征,其定義如下。

(1)

式中:P為目標(biāo)在圖像上的周長,A指目標(biāo)圖像面積。對于規(guī)則的圓形,圖像偏心率為1。

通過對圖像樣本庫中的目標(biāo)和干擾的圖像偏心率分別進(jìn)行計(jì)算并統(tǒng)計(jì),可以得到各自圖像偏心率發(fā)生的分布曲線(見圖2)。從圖2可以看出,在原本接近圓形的圖像區(qū)域中,誘餌彈的圖像偏心率出現(xiàn)了一個尖峰,這與目標(biāo)截然不同,因此,可以利用該形狀特征來區(qū)別誘餌彈和真正的目標(biāo)。

圖2 目標(biāo)和誘餌彈圖像偏心率的分布曲線

2 激光干擾工作原理

激光定向?qū)瓜到y(tǒng)(DIRCM)突出“定向”,主要克服紅外誘餌彈、紅外干擾機(jī)全向輻射、能量密度低的影響,將干擾能量會聚在狹窄的激光光束中,然后采用高精度的跟瞄設(shè)備將“光束”指向來襲導(dǎo)彈導(dǎo)引頭,使導(dǎo)引頭接收信號飽和失效,從而破壞導(dǎo)引頭的跟蹤性能,使導(dǎo)彈偏離正確軌跡,達(dá)到高效干擾的目的。激光干擾功率密度高、作用距離遠(yuǎn)、相對誘餌彈來說“彈藥無限”,能夠?qū)崿F(xiàn)飽和式壓制干擾(見圖3),是一種通用、有效的紅外對抗手段[11-13]。

圖3 激光定向?qū)瓜到y(tǒng)對紅外導(dǎo)引頭的干擾效果圖(部分圖像飽和和完全飽和)

激光定向?qū)瓜到y(tǒng)的具體優(yōu)點(diǎn)如下。

1)激光干擾源為相干光源,光束發(fā)散角很小(毫弧度量級),干擾能量可高度集中照射到導(dǎo)彈導(dǎo)引頭,因此具有更遠(yuǎn)的干擾距離。

2)紅外激光器的工作波長容易覆蓋1～3、3～5μm導(dǎo)引頭工作波段,因此能夠用于干擾各類、各代便攜式紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈。

3)采用導(dǎo)彈告警設(shè)備(MWS)被動無源探測威脅,且紅外干擾激光定向發(fā)射,大大提高了干擾的隱蔽性。

4)系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕,模塊化設(shè)計(jì),維護(hù)性好。

雖然激光干擾能量密度高,易于干擾第1代、第2代點(diǎn)源制導(dǎo)紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭,但如前文所述,紅外成像型導(dǎo)引頭采用了更先進(jìn)的圖像處理檢測技術(shù),能夠有效區(qū)分真正的目標(biāo)和干擾。事實(shí)上,激光干擾施加至紅外成像型導(dǎo)引頭后,其與誘餌彈表現(xiàn)的圖像形狀特征也類似,可采用相同的抗干擾圖像處理方法抑制激光干擾效果。即使激光干擾和誘餌彈掩蓋了目標(biāo)的部分特征,目標(biāo)還具有其他圖像特征,只要有1個特征被探測到,紅外成像型導(dǎo)引頭就能夠進(jìn)入抗干擾工作模式,進(jìn)而保持對目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)的跟蹤,所以,在這種情況下,激光很難成功干擾紅外成像型導(dǎo)引頭。

為了對激光干擾紅外成像型導(dǎo)引頭的效能進(jìn)行研究,須要分析激光成功干擾紅外成像型導(dǎo)引頭的條件,然后利用試驗(yàn)的方法,得到激光成功干擾紅外成像型導(dǎo)引頭的能量等要求。

3 激光成功干擾紅外成像型導(dǎo)引頭的條件

分析激光干擾成功的條件首先要確定激光的能量和發(fā)散角。為增加進(jìn)入導(dǎo)引頭的有效干擾激光能量,激光定向?qū)瓜到y(tǒng)中的激光通常會盡量減小激光發(fā)散角,壓窄光束,使能量輸出更加集中。但是,激光發(fā)散角是需要綜合設(shè)計(jì)的指標(biāo),不能無限減小,因?yàn)榧す夤馐枰凶銐虼蟮陌l(fā)散角來補(bǔ)償系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)和跟蹤誤差,激光發(fā)散角設(shè)計(jì)就是在減小發(fā)散角增加能量集中度和增大發(fā)散角允許一定的跟蹤誤差之間權(quán)衡的結(jié)果。

本文以能量1 W和發(fā)散角1 mrad作為干擾激光的統(tǒng)一參考基準(zhǔn),這也是工程上常用的激光干擾設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1 激光干擾光斑散射分析

激光干擾紅外成像型導(dǎo)引頭,破壞對目標(biāo)的跟蹤主要是依靠強(qiáng)激光作用在導(dǎo)引頭成像區(qū)域后形成的強(qiáng)烈光斑來湮沒目標(biāo),使導(dǎo)引頭無法檢測目標(biāo)角度信息,從而偏離預(yù)定攻擊彈道來實(shí)現(xiàn)的[14]。

激光干擾作用在圖像上的光斑大小主要取決于激光光斑在導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)中的散射水平,這也決定了紅外成像型導(dǎo)引頭對激光干擾的敏感程度。激光光斑在光學(xué)系統(tǒng)中的散射主要是由光學(xué)鏡片及其表面的加工缺陷和材料純度不足而產(chǎn)生的。目前,光學(xué)鏡片加工能夠達(dá)到很高的質(zhì)量,所以可以認(rèn)為鏡片表面對激光光斑產(chǎn)生的散射和主體材料產(chǎn)生的散射是相同的。

光學(xué)元件對入射激光干擾的散射模型用雙向散射分布函數(shù)(BSDF)表示,反映光線散射量隨偏離入射光線角度值的變化。典型的ZnSe材料BSDF曲線如圖4所示(圖中0°代表視場中心)。在導(dǎo)引頭的應(yīng)用中,只需關(guān)心橫坐標(biāo)在1～5的光線散射量,因?yàn)閷?dǎo)引頭的視場通常為4°～5°。

圖4 典型雙向散射分布函數(shù)(BSDF)曲線

從圖4可以看出光學(xué)材料越差,激光干擾的散射光斑越大。高質(zhì)量和較差質(zhì)量的ZnSe材料對光線的散射量有4個量級的差距。同時,由于激光的能量集中在中心,視場中心和邊緣的光斑散射量也形成幾個量級的差距。只要到達(dá)視場邊緣的散射能量低于紅外成像型導(dǎo)引頭探測器響應(yīng)飽和值,導(dǎo)引頭就能夠利用這一信息大致定位光斑的位置,也代表了目標(biāo)的角度信息。

3.2 激光散射光斑尺寸分析

用能量1 W和發(fā)散角1 mrad的激光對紅外成像型導(dǎo)引頭進(jìn)行照射,得到激光在導(dǎo)引頭紅外探測器焦平面上產(chǎn)生的散射光斑(見圖5)?？梢钥闯?在成像型導(dǎo)引頭紅外探測器的焦平面中間區(qū)域,干擾激光光束產(chǎn)生了一個圓形的飽和區(qū)域,且信號強(qiáng)度隨著半徑的增大而減小,信號強(qiáng)度的變化曲線如圖6所示。

圖5 激光在紅外探測器焦平面(320×256像素)上產(chǎn)生的光斑

圖6 紅外圖像中信號強(qiáng)度分布曲線

由圖5和圖6可知,能量為1 W的干擾激光未能使紅外成像型導(dǎo)引頭探測器的所有區(qū)域飽和,意味著導(dǎo)引頭視場內(nèi)依然存在關(guān)于目標(biāo)位置的有用信息使其進(jìn)入抗干擾工作模式,引導(dǎo)導(dǎo)彈飛向正確的目標(biāo)方向。所以說,1 W能量的干擾激光不能成功干擾紅外成像型導(dǎo)引頭。

為實(shí)現(xiàn)對紅外成像型導(dǎo)引頭的成功干擾,需要在發(fā)散角不變的前提下提升干擾激光的能量,使干擾激光光斑覆蓋導(dǎo)引頭全部視場,完全湮沒目標(biāo)。具體多大的能量的干擾激光能夠達(dá)到成功干擾的條件,需要通過具體的試驗(yàn)得出。

3.3 激光干擾效能試驗(yàn)分析

3.3.1 紅外成像導(dǎo)引頭參數(shù)

為對不同能量激光的干擾效能開展試驗(yàn),首先要構(gòu)建完整的紅外成像型導(dǎo)引頭模型,確定包括干擾激光參數(shù)在內(nèi)的所有相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)。表1為本文所采用的紅外成像型導(dǎo)引頭主要參數(shù)。

表1 紅外成像型導(dǎo)引頭主要參數(shù)

3.3.2 試驗(yàn)方法和過程

在基于表1的參數(shù)建立紅外成像型導(dǎo)引頭模型后,采用發(fā)散角為1 mrad的激光干擾源對該紅外成像型導(dǎo)引頭開展干擾試驗(yàn),通過干擾后的紅外圖像是否完全飽和來判斷是否成功干擾(圖像完全飽和代表激光能量達(dá)到損傷閾值),同時采用激光能量計(jì)測得干擾激光在導(dǎo)引頭處的激光能量密度并記錄(見圖7)。

圖7 激光干擾效能實(shí)驗(yàn)布局

試驗(yàn)中的變量主要是激光的能量(單位為W)和激光干擾源至紅外成像型導(dǎo)引頭的距離(單位為m)。相同能量干擾激光離導(dǎo)引頭距離越近,則激光作用在紅外成像型導(dǎo)引頭處的能量密度越高。

3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過上述試驗(yàn),最終總結(jié)得到不同激光能量在紅外成像型導(dǎo)引頭上的功率密度隨距離變化的曲線,如圖8所示。

圖8 激光干擾能量功率密度隨距離變化曲線

圖8中的三角點(diǎn)水平線是通過建模分析得到的導(dǎo)引頭焦平面損傷閾值,其功率密度量值在10 000 W/cm2左右。實(shí)線代表了干擾激光功率為1 W時紅外探測器焦平面上的能量,虛線表示了1 W激光在探測器邊緣視場的散射能量,通過這2條曲線說明1 W能量的激光無法超過損傷閾值而對紅外成像型導(dǎo)引頭形成有效干擾,在邊緣視場尤其如此,該結(jié)論也與上述的分析結(jié)果相符;在不斷提高激光能量至100 W后,能夠產(chǎn)生足夠的能量功率密度使導(dǎo)引頭探測器整個焦平面飽和,達(dá)到成功干擾紅外成像型導(dǎo)引頭的條件,但前提是此激光干擾在距離導(dǎo)引頭1 000 m之內(nèi),超過1 000 m距離就無法成功干擾。如果繼續(xù)提升激光能量,則能夠達(dá)到更遠(yuǎn)的激光干擾距離。

對激光成功干擾紅外成像型導(dǎo)引頭進(jìn)一步的討論就是考慮激光干擾和紅外成像型導(dǎo)引頭抗干擾2個對立維度的技術(shù)發(fā)展上限。事實(shí)上,隨著激光器技術(shù)的快速發(fā)展,提升激光能量相對比較容易,而導(dǎo)引頭抗干擾所依賴的激光防護(hù)技術(shù)則有其固有的限制,例如文獻(xiàn)[15]中采用特殊光學(xué)材料能夠衰減將近70%的入射激光能量,但是如果激光能量呈現(xiàn)3～4倍的增長,即使面對如此顯著的能量衰減,激光依然能夠?qū)崿F(xiàn)對導(dǎo)引頭的成功干擾。

4 結(jié)束語

通過對激光成功干擾紅外成像型導(dǎo)引頭的條件和效能的試驗(yàn)分析,證明了使探測器焦平面響應(yīng)完全飽和是激光成功干擾紅外成像型導(dǎo)引頭的條件,同時得到了具體的干擾激光能量要求。從試驗(yàn)結(jié)果來看,低能量激光是無法成功干擾紅外成像型導(dǎo)引頭的。為達(dá)到成功干擾的條件,需要提升干擾激光能量至100 W,即便如此,也僅能達(dá)到1 000 m的干擾距離指標(biāo)。如果需要在更遠(yuǎn)的距離上成功干擾紅外成像型導(dǎo)引頭,則需要繼續(xù)提升干擾激光能量。

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展,未來的激光干擾技術(shù)將會和激光定向能武器研發(fā)交叉融合,從目前的信號“飽和干擾”最終質(zhì)變?yōu)閷t外制導(dǎo)導(dǎo)彈的“硬毀傷”,達(dá)到對所有類型紅外導(dǎo)引頭更直接且效果更好的對抗性能。