激光武器對紅外導引頭的軟破壞研究*

劉延武，魏書田

(1.海軍航空工程學院電子信息工程系，山東煙臺 264001;(2.山東工商學院信息與電子工程學院，山東煙臺 264005)

0 引言

目前，新型反艦導彈越來越先進，具有掠海飛行、末端機動、難于探測等特點，對艦艇生存構(gòu)成了嚴重的威脅，而現(xiàn)有的各種艦載反導系統(tǒng)又不能完全滿足海戰(zhàn)要求。激光武器以光速攻擊目標的獨特性能將使戰(zhàn)場發(fā)生革命性變化，將成為水面艦艇未來海戰(zhàn)中最有效的防御武器之一［1］。

本文通過以1.06 μm激光干擾某紅外探測器為例，計算了1.06 μm激光海上大氣透過率，進行了激光輻照CCD(charge coupled device)成像系統(tǒng)的實驗，估算了對遠距離紅外制導反艦導彈實現(xiàn)有效干擾所需發(fā)射的激光能量，研究了艦載激光武器軟破壞反艦導彈紅外導引頭的問題。

1 激光武器對紅外制導反艦導彈的破壞

1.1 激光武器對反艦導彈的破壞效應(yīng)

激光武器對反艦導彈的破壞效應(yīng)分為2類:第1類是軟殺傷［2－3］，用激光破壞導彈導引頭中的光學系統(tǒng)、電子元器件、光電探測器等，致使系統(tǒng)的光、電或計算機方面的功能喪失。第2類是硬殺傷，用激光破壞導彈的整流罩、動力裝置、戰(zhàn)斗部等。由于結(jié)構(gòu)部件受到激光破壞致使系統(tǒng)的剛度或承載能力喪失，硬殺傷往往是毀滅性的，一旦目標系統(tǒng)喪失承載能力就會出現(xiàn)爆炸或坍塌。通常軟殺傷比硬殺傷所需的激光破壞閾值要低。

反艦導彈由彈體、動力裝置、戰(zhàn)斗部、制導系統(tǒng)等幾大部分組成。紅外導引頭是反艦導彈的自動導引系統(tǒng)，紅外探測器是紅外導引頭的關(guān)鍵器件，它對光的響應(yīng)非常敏感，易受激光武器的攻擊。在導彈的幾大部分中，紅外導引頭是激光武器打擊的重點對象。

1.2 激光武器對反艦導彈探測器的破壞模型

本文建立了艦載激光武器軟破壞反艦導彈紅外導引頭的模型，如圖1所示。

圖1 艦載激光武器軟破壞紅外導引頭Fig.1 Shipborne laser weapon soft damage to IR(infrared)seeker

計算到達某紅外探測器的激光能量時，主要考慮大氣衰減、整流罩衰減、濾光片衰減和調(diào)制盤的衰減。

2 海上激光大氣傳輸

激光武器的主要缺點是性能受天氣(尤其是濃霧、大雨、大雪等惡劣氣象條件)影響較大。激光在大氣中(尤其是在海洋上空鹽霧、濕熱條件下)傳輸特性的研究和技術(shù)難點的突破是實現(xiàn)艦載激光武器的技術(shù)關(guān)鍵。因此，海上激光大氣傳輸?shù)难芯繉す馕淦鞯难芯烤哂兄匾囊饬x。

激光通過大氣傳輸時由于氣體分子和大氣氣溶膠的吸收和散射作用所引起的能量損失稱為大氣衰減［4－5］。考慮到實際激光器的現(xiàn)狀，本文主要分析計算1.06 μm激光海上大氣傳輸?shù)拇髿馔高^率。1.06 μm激光的傳輸特性與多種因素有關(guān)，理論和實驗都表明:光輻射的衰減因子主要是大氣氣溶膠的吸收和散射，大氣氣溶膠光學厚度取決于大氣氣溶膠粒子的尺度分布、復(fù)折射指數(shù)和濃度及其高度分布等物理特征。由于這些特征具有明顯的時空變化，并且難于現(xiàn)場測量，因而通常的做法是依據(jù)一些觀測結(jié)果總結(jié)成一定的模型。常用的模型有如下幾種:鄉(xiāng)村氣溶膠、城市氣溶膠、海洋氣溶膠和沙漠氣溶膠。對于1.06 μm激光，大氣透過率可以用以下簡單的公式進行計算:［6－7］

式中:K為一常數(shù)，取決于大氣氣溶膠類型，在海洋氣溶膠中K=4.543 km;VM為能見度;θ為天頂角。

式(1)適用于從海平面?zhèn)鬏數(shù)礁叨菻的情況。以水平傳輸距離5 km為例，計算出了大氣透過率，見表1。

表1 1.06 μm激光大氣透過率(x=5 km)Table 1 1.06 μm laser atmospheric transmittance(x=5 km) %

對于1.06 μm激光海上大氣傳輸，由表1分析可得:

(1)能見度一定時，隨仰角的變化，大氣透過率的變化不太明顯;

(2)仰角一定時，隨能見度的變大，大氣透過率明顯提高;

(3)1.06 μm激光海平面低仰角大氣傳輸?shù)拇髿馔高^率較低，特別是當能見度較小時，激光透過率更低，此時不適合激光的傳輸，激光武器幾乎失效。

3 0.632 μm激光輻照CCD成像系統(tǒng)的實驗

結(jié)合實驗室的具體情況，采用0.632 μm的He－Ne連續(xù)激光對CCD成像系統(tǒng)進行了室內(nèi)干擾實驗，探討激光輻照CCD成像系統(tǒng)的干擾情況。

3.1 實驗裝置

實驗中所采用的CCD器件為某型1/3英寸靶面黑白微型攝像機，水平清晰度420線，像素500(水平)×582(垂直)，感光面積4.9 mm×3.7 mm，最低照度F=1.2時，靈敏度為0.05 Lux。光學鏡頭的視場約 52°×44°，光圈 F=2.0，鏡頭焦距 3.6 mm，鏡頭材料為石英玻璃。

由于CCD的飽和閾值非常小，背景光的影響必須考慮在內(nèi)，為減小誤差，實驗在暗室內(nèi)進行。實驗布局如圖2所示，激光功率計測量精度為±5%，最小探測功率達pW級。采用中性濾光片組定量衰減連續(xù)激光能量。實驗中采用平均功率25 mW的He－Ne連續(xù)激光輻照探測器，出光孔徑4 mm。

圖2 實驗布局圖Fig.2 Experimental assembly

3.2 實驗結(jié)果

調(diào)整激光束與CCD 探測系統(tǒng)光軸對準，激光器出光孔與CCD探測器之間的距離為1.6 m。用示波器和監(jiān)視器分別觀察CCD輸出的視頻信號和圖像，由示波器顯示的視頻信號波形和監(jiān)視器的圖像判斷入射到CCD的光信號是否使CCD飽和。當入射到CCD靶面的He－Ne激光功率密度為6.2×10－7W/cm2，探測器工作在線性工作區(qū)，對應(yīng)靶面直徑約為6 μm，監(jiān)視器圖像如圖3;逐漸減小激光衰減，觀察CCD進入臨界飽和狀態(tài)時，測量CCD上的激光功率密度為9.8×10－7W/cm2，監(jiān)視器圖像如圖4;繼續(xù)減小激光衰減，觀察探測器進入飽和狀態(tài)，測量CCD上功率密度為2.8 W/cm2，監(jiān)視器的圖像如圖5。

通過實驗可以看出，0.632 μm連續(xù)的He－Ne激光對可見光面陣CCD探測器具有有效干擾作用，隨入射激光功率和輻照時間的增加，CCD系統(tǒng)被干擾面積增大。

4 激光武器破壞紅外探測器的能量估算

當激光作用于探測器的能量大于探測器的破壞閾值時，導引頭無信號輸出，導引規(guī)律失效，導彈變?yōu)闊o控彈飛行，實現(xiàn)了對導彈的有效破壞。

4.1 靶面激光光斑尺寸估算

設(shè)攻擊時激光發(fā)射處距反艦導彈紅外探測器的距離為R，由于衍射引起的垂直于反艦導彈表面的激光束擴散半徑

式中:θ為光束發(fā)散角，包括光束衍射發(fā)散角θy和激光光源抖動θd的影響。

式中:λ為入射激光波長;D0為激光發(fā)射望遠鏡孔徑;β為光束質(zhì)量因子。

取 D0=0.4 m，β=3，θd=θy/2，可以求出當 R=5 km時，在反艦導彈導引頭表面的激光光斑半徑5.5 cm;當R=8 km時，在反艦導彈導引頭表面的激光光斑半徑8.7 cm;當R=10 km時，在反艦導彈導引頭表面的激光光斑半徑10.9 cm。

4.2 激光武器破壞紅外探測器的能量估算

為了研究問題的方便，認為激光器始終準確照射導引頭，能夠保證瞄準精度和穩(wěn)定性。設(shè)激光器距離反艦導彈探測器的距離為R，激光波長為λ，激光器輸出功率為P0，瞄準跟蹤系統(tǒng)的精度為θ，大氣透過率系數(shù)為τ1，整流罩透過系數(shù)為τ2，濾光片透過系數(shù)為τ3，調(diào)制盤透過系數(shù)為τ4，導彈表面激光束擴散半徑為a，反艦導彈光學鏡頭直徑為D1，探測器光敏面直徑為D2，探測器接收到的功率密度為

式中:0.838為分布在Airy斑第一暗環(huán)內(nèi)的光能百分比。

由式(5)可得

假設(shè)紅外成像導引頭的性能參數(shù)為:探測器焦距f=175 mm，總視場 ω=1°×2°，探測器元數(shù)為32×32，探測器尺寸為30 mm×30 mm×13 mm。取光學鏡頭直徑D1=5 cm，探測器光敏面直徑為D2=4 mm。大氣透過率系數(shù)τ1按前面的研究結(jié)果取值，導彈的整流罩采用3 mm厚的氟化鎂，透過率約為0.7，濾光片的透過率約為0.7，調(diào)制盤的透過率約為0.5，激光波長1.06 μm，采用波長為 1.06 μm 的激光照射該型CCD探測器的熔化破壞功率密度閾值［8－9］為 80 W/cm2(照射時間為 0.1 s)。

在中緯度夏季水平能見度為10 km，垂直高度為400 m的條件下，將以上各數(shù)據(jù)代入式(9)可得到激光干擾不同距離的探測器需要發(fā)射的最小能量。當R=5 km時，所需激光功率為1 195 W;當R=8 km時，所需激光功率為7 728 W;當R=10 km時，所需激光功率為43 418 W。

4.3 激光武器使用中的關(guān)鍵問題

要研制出實用有效的激光武器，需解決5個關(guān)鍵技術(shù)問題:①研制出具有足夠能量和光束質(zhì)量優(yōu)異的高能激光器;②研制出精密的瞄準跟蹤系統(tǒng);③研制出質(zhì)量小、抗輻射的光束控制發(fā)射系統(tǒng);④搞清楚強激光大氣傳輸效應(yīng)并能克服其影響;⑤透徹了解激光對靶材的破壞機理［10］。其中，精密跟蹤瞄準技術(shù)是非常關(guān)鍵的技術(shù)，它將激光束能量極精確地照射到所要攻擊的目標上，達到干擾、致盲或硬殺傷之目的。要想使激光武器充分發(fā)揮效能，必須使目標上的瞄準點部位接收到足夠的激光能量。對于激光與目標的耦合，在激光武器的激光器確定之后，這種效應(yīng)人為可控制的余地不大。剩下的就是延長激光照射時間、增大激光在目標上的輻照度和使瞄準點穩(wěn)定，尤其是使瞄準點穩(wěn)定更顯重要，要求激光武器能夠精密跟蹤瞄準目標或要害部分，否則，即使照射時間長，但因光斑不穩(wěn)定、能量不集中，也可能對目標不能造成應(yīng)有的損傷。

激光武器對其瞄準跟蹤系統(tǒng)的角精度要求很高，就反導而言，要比一般反導武器高2～3個數(shù)量級，須在幾秒至零點幾秒或更短的范圍內(nèi)。對于戰(zhàn)略導彈等運動較快的目標，激光武器的瞄準跟蹤系統(tǒng)還應(yīng)有較高的跟蹤角速度及跟蹤角加速度。

激光武器所要求的跟蹤精度是當前的微波雷達所無法達到的，必須發(fā)展紅外跟蹤、電視跟蹤和激光雷達等光學跟蹤技術(shù)。

5 結(jié)束語

激光武器所具有的強大的防空反導能力將為水面艦艇在對抗反艦導彈方面增添一張王牌，在發(fā)展現(xiàn)有武器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)加大對激光武器的投入力度，以滿足未來海戰(zhàn)艦艇自我防護的需求。

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