艦艇光電對抗裝備作戰效能分析

湯永濤，王國恩，陶 金

（海軍蚌埠士官學校，蚌埠233012）

0 引 言

光電對抗是整個電子對抗的重要組成部分，它實質上是電子對抗在電磁頻譜光波段的延伸。光電技術迅猛發展并大量應用于軍事偵察、導航、搜索、跟蹤、識別、火控瞄準和導彈，極大地提高了現代艦艇作戰的威力，影響著戰爭的戰略戰術，因此，對光電對抗裝備作戰效能進行深入研究是目前非常重要的課題。

1 光電對抗作戰效能指標分析

光電對抗設備的功能是敵對雙方在光波段范圍內，利用光電對抗設備和器材，對敵方光電制導武器和光電偵測設備等光電武器進行偵察告警并實施干擾，使敵方的光電武器削弱、降低或喪失作戰效能。為了深入分析光電對抗的作戰效能［1］，應從兩方面考慮：

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

（2）光電對抗設備或器材對光電武器的削弱、甚至破壞，導致作戰毀傷概率有多大的影響？

發現目標是硬武器打擊目標的首要任務，對目標定位準不準也直接影響到殺傷范圍。因此可以初步估算出作戰毀傷概率受光電對抗的影響。設：P（F）為發現目標的概率；P（J）為擊毀目標的概率；P（S／F）為發現目標條件下射擊的概率；P（Z／S）為射擊條件下命中的概率；P（J／Z）為命中條件下擊毀的概率。

則命中毀傷時的擊毀概率為：

這里，P（F）、P（Z／S）與光電對抗的作戰效能有關，通過計算，便可得到作戰效能受光電對抗的影響。

由于可見光、紅外、激光等光電設備的工作方式不同，干擾方法各異，下面對艦艇主要光電對抗設備的干擾效果進行分析評估。

2 煙幕遮蔽的干擾效能分析

往往人們通過目力光學偵察發現目標會采用光電偵察設備來輔助偵察，并計算發現和識別概率，可以進一步分析偵察的效果，作為計算發現和識別目標的前提則是首先要知道目標與背景的視亮度的對比影響。為了很好地實現對光學偵察的干擾，采取了煙幕遮蔽的方式改變目標與觀察者之間的光學傳輸特性，繼而影響目標與背景視亮度對比，以影響目標的發現和識別概率。

2.1 煙幕遮蔽的作用原理

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

煙幕對光的散射，是指當光線進入煙幕時，煙幕內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發射散射，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，那么最終每個煙粒不僅會被入射的光線直接照亮，還會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部發生折射、衍射和反射等原因造成的。正是由于光線發生了散射，因此光線會被衰減，但同時煙幕會變得更亮。

煙幕既能散射光線，同時也可以吸收光線。煙幕微粒之間的分散介質（空氣）會吸收光線，另外煙幕粒子也會吸收光線。煙幕粒子本身的原子、分子總是不斷運動的，按照量子力學的觀點，即每個分子和原子都存在一定數目的電子能級、振動能級和轉動能級，由于煙幕粒子內部原子中的電子相對原子核的運動、振動和轉動能量都是量子化的，同時每種分子、原子都有各自的振動和轉動頻率，易極化和極性分子都有幾種震動頻率，當這些分子、原子與其諧振頻率相同的電磁輻射發生作用時，就會發射共振，即當入射光頻率與振子的固有頻率相等時，就吸收入射能量，使分子從較低的能級躍遷到較高的能級，即發生了選擇性吸收。

此外煙幕粒子若采用電子的良導體材料，也會引起自由電子運動的變化，主要表現在對電磁輻射的連續吸收和反射特性，從而在原傳輸方向上形成衰減［2］。

煙幕對光的衰減，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；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，則對光的消光特性越強，衰減和吸收得也越多。

2.2 煙幕對目標背景視亮度對比的影響

光線在煙幕內部發生折射、衍射、反射，是煙幕亮度變亮的原因。目標與背景的視亮度對比發生了變化，經過觀察者進行觀察，出現的現象是目標與背景的亮度趨于等效，也就是說煙幕越亮，目標與背景之間的亮度對比主要表現為趨于下降，同時大氣和煙幕對消光作用的影響還應考慮在內。

設目標背景、煙幕、觀察者的位置關系如圖1所示。

圖1 觀察點、煙幕、目標背景的位置關系

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

式中：Ls為煙幕亮度，考慮到實際應用時Rs，R1?R，則R1＋R2≈R，R2≈R。

此時式（3）變為：

同理，背景視亮度為：

由此可得煙幕遮蔽條件下目標背景視亮度對比Kls為：

式中：rs為煙幕亮度系數。

由此可知，Kls＜Kl，當Kls≤亮度對比閥值ε時，目標和背景就會融為一體了。實際上煙幕遮蔽就是在光學偵察系統與目標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系統發現、識別和跟蹤目標，還要考慮使目標與背景的視亮度對比達到亮度對比閥值以下。

2.3 煙幕遮蔽對目標的發現和識別概率

可通過參照文獻［1］知道，亮度對比閥值ε是正態分布的隨機變量［1］，通過下式求得視亮度對比為Kls、不同觀察距離R處的目標在煙幕遮蔽時的發現和識別概率：

通過上述公式，只要確定出視角的變化規律和視亮度對比值，便可計算出在煙幕遮蔽下光電武器對目標的發現和識別概率［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系統或紅外制導系統。投放后的紅外誘餌可使紅外制導武器在鎖定目標之前鎖定紅外誘餌，致使其制導系統降低跟蹤精度或被引離攻擊目標。然而紅外誘餌是一種用于對抗紅外非成像的紅外制導導彈的點源式紅外有源假目標。紅外導引頭的紅外探測器能探測到紅外輻射信號，從而攻擊目標。當被保護目標受到紅外制導導彈的威脅時，根據發射時機，在一定距離上發射出紅外誘餌，由于紅外誘餌的輻射強度要大于目標的輻射強度，從而紅外制導導彈最終只會跟蹤上紅外誘餌，此時定義壓制系數K為紅外誘餌輻射強度與目標的輻射強度之比，臨界壓制系數K＊為目標被逐出導彈視場的輻射強度最小比值，顯然，要使干擾有效，必須滿足：

按比例導引規律跟蹤的紅外導引頭，實際使用時，壓制系數必須是臨界值的若干倍，攻擊時才能偏向紅外誘餌，而不是目標本身。

在紅外制導導彈跟蹤目標情況下，紅外誘餌被適時投放到一定距離后開始燃燒，紅外誘餌與目標會同時出現在紅外導引頭視場內，由于導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度大于目標的強度，所以等效輻射能量中心會偏向紅外誘餌；隨著目標的機動，紅外誘餌與目標的距離會越來越遠，紅外導引頭逐漸偏向能量大的一方，也就是紅外誘餌一邊；當目標離開紅外導引頭的視場范圍以后，紅外制導導彈就只能跟蹤紅外誘餌，目標的威脅就會消除［4］。

紅外誘餌能夠干擾紅外制導導彈主要應滿足下面幾個條件：

（1）誘餌的紅外輻射能量必須遠遠大于被保護目標的紅外輻射能量；

（2）紅外誘餌與被保護目標所輻射出的紅外光譜必須相近或一致；

（3）為了保證被保護目標在脫離導引頭視場角內時紅外誘餌一直都在燃燒，紅外誘餌的燃燒時間必須足夠長，才能保證導彈導引頭無法重新鎖定被保護目標；

（4）為了達到引偏紅外制導導彈的效果，紅外誘餌與目標的距離不能太遠，必須保證與目標均處在導彈導引頭視場內；

（5）在紅外誘餌被投放出去后，被保護目標要能夠迅速機動，并與紅外誘餌之間形成一定相對運動，才能將導彈引偏。

如圖2所示，設紅外誘餌與質心點對導引頭的張角為θ1，目標和質心點對導引頭的張角為θ2，紅外誘餌與目標對導引頭的張角為θ＝θ1＋θ2，導彈的導引頭視場角為ω，紅外誘餌的輻射強度為Jj，目標輻射強度為Js，則：

圖2 紅外質心干擾示意圖

質心點與目標和誘餌在垂直于跟蹤軸方向的橫向距離為d1，d2，則有：

根據前面定義的壓制系數K，即：

于是當K＜1時，導彈偏向被保護目標一側；當K＞1時，導彈則偏向紅外誘餌一側。

由于被保護目標是艦艇，具有一定的實際面積，因此定義以被保護目標的幾何中心為圓心的區域為安全圈。這里設安全圈的半徑為r，當該區域有紅外制導導彈進入或通過時，則認為會對保護目標形成傷害。因此，干擾成功的條件是必須使紅外制導導彈偏離此區域。安全圈的大小與被保護目標的類別、導彈的爆炸威力、引信的類型及目標參數等均有關。

根據圖2所示，安全圈與目標和紅外誘餌之間

經分析可得出如下結論：紅外制導導彈最后跟蹤到保護目標還是紅外誘餌與壓制系數有直接關系，如果紅外制導導彈最后跟蹤上紅外誘餌，則壓制系數為K≥K＊；如果紅外制導導彈最后跟蹤被保護目標，則壓制系數為K≤1；如果紅外制導導彈最后跟蹤誰是等概率隨機的，則壓制系數為1＜K＜K＊。連線的交點為B點，導引頭與B點到質心點的張角為θ3，則當θ3＝ω／2時，導引頭恰好將安全圈（保護目標在內）偏出視場范圍內，而臨界壓制系數K＊便是在此時定義的，當θ3＞ω／2時，安全圈（保護目標在內）則偏出紅外導引頭視場角，轉向紅外誘餌，而：

4 結束語

當然，艦艇光電對抗裝備受環境、氣候等因素的影響較大，實際作戰中合理使用好光電對抗裝備，使其作戰效能完全發揮出來很有必要。作戰失敗往往不是裝備技術原因造成的，而是戰術使用不當造成的，因此，艦艇光電對抗裝備的戰術使用也很關鍵，同樣需要不斷的探索和研究。

［1］周剛.電子戰系統作戰效能FUZZY評判［J］.艦船電子對抗，2002，25（1）：7－9.

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

［3］周剛.光電偵察對隱身目標發現和識別概率［J］.光電對抗與無源干擾，1992，28（3）：14－19.

［4］小哈得遜R D.紅外系統原理［M］.北京：國防工業出版社，1975.