直升機(jī)機(jī)載中紅外激光定向干擾實(shí)現(xiàn)途徑

代 紅，陳 超

(總參陸航駐成都地區(qū)軍事代表室，成都 610036)

當(dāng)前，紅外制導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)從點(diǎn)源制導(dǎo)發(fā)展到紅外焦平面成像制導(dǎo)，其制導(dǎo)導(dǎo)彈的攻擊能力和抗干擾能力也大大增強(qiáng)，這給主要承擔(dān)對(duì)地攻擊、火力支援、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、緊急救援等低空任務(wù)的軍用直升機(jī)構(gòu)成了極大威脅。

為了提高直升機(jī)的生存能力，美國(guó)等西方國(guó)家在軍用直升機(jī)上加裝了紅外激光定向設(shè)備，以對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈進(jìn)行誘騙和干擾，降低其命中精度。如美國(guó)BEA公司研制的紅外干擾系統(tǒng)(ATIRCM)，可以輸出3個(gè)波段的紅外激光，輸出功率最高能達(dá)到5 W，效率能達(dá)到7%，而且重量?jī)H為13 kg，對(duì)“毒刺”導(dǎo)彈有30%的有效性。

近幾年來(lái)，我國(guó)在高分辨力面陣探測(cè)器和相關(guān)制冷技術(shù)方面取得重大進(jìn)展，尤其是在目標(biāo)紅外輻射、激光反射特性研究和紅外對(duì)抗機(jī)理研究等方面取得了突出成績(jī)，這為研發(fā)紅外激光定向干擾設(shè)備提供了可能。

1 中紅外定向干擾原理

紅外定向干擾的主要原理是運(yùn)用紅外激光直接照射激光半主動(dòng)制導(dǎo)導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭，使其達(dá)到飽和，并處于“迷茫”尋敵搜索狀態(tài)，從而致使導(dǎo)彈的命中概率大大下降，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確攻擊［1-3］。

投射到導(dǎo)引頭并進(jìn)入探測(cè)器的激光功率可由下列公式來(lái)計(jì)算

其中:Pt是激光發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率;R是激光傳輸距離;θ是激光發(fā)散角;α是大氣衰減系數(shù);τ0是導(dǎo)引頭光學(xué)傳輸系數(shù);Ac是導(dǎo)引頭光學(xué)接收口徑的面積。在紅外焦平面上，聚焦光斑的光功率密度為

其中:D是導(dǎo)引頭的光學(xué)接收口徑;f是導(dǎo)引頭的光學(xué)成像系統(tǒng)的焦距;λ是干擾激光的波長(zhǎng)。進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，假設(shè)Pt=5 MW(脈沖能量為50 mJ，脈沖寬度為 10 ns)、R=5 km、θ=18 mrad、α =0.3 km，τ0=0.5，D=100 mm，f=300 mm，λ =3.8 μm，可以得到 Pr=0.7 W，I=80 kW/cm2，按照國(guó)外如美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室所提供的紅外探測(cè)器件的損傷閾值在1000 W量級(jí)可知，如此高的光功率密度已經(jīng)可以導(dǎo)致面陣器件飽和甚至被破壞性致盲。

2 定向干擾實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 定向干擾實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑

2.1.1 紅外定向干擾器

目前，紅外導(dǎo)引頭采用了紅外焦平面陣列探測(cè)器和凝視成像技術(shù)，因此，紅外定向干擾技術(shù)主要針對(duì)紅外激光對(duì)紅外焦平面陣列探測(cè)器的飽和干擾及破壞性致盲［4-5］。國(guó)內(nèi)外，較為成熟的技術(shù)是采用YAG重頻Q開(kāi)關(guān)單橫模激光器作光源、LiNbO3非線性晶體為OPO器件，利用LiNbO3晶體的非線性特性，通過(guò)角度調(diào)諧的方式實(shí)現(xiàn)3～5 μm波長(zhǎng)、100 Hz、1 MW以上的激光輸出。由于直升機(jī)對(duì)機(jī)載設(shè)備體積、重量的限制，故紅外定向干擾器采用激光二極管泵浦源替代氙燈泵浦源。

堅(jiān)持 10天之后,體重下降明顯,更重要的是,確實(shí)從這種狀態(tài)中感受到了樂(lè)趣。有時(shí)候晚上十點(diǎn)半以后,我還在街頭漫步。微信里的步數(shù),在十點(diǎn)半會(huì)有一個(gè)排名。接下來(lái)的走步數(shù),最初還會(huì)顯示在手機(jī)上,但是到了零點(diǎn),這一個(gè)時(shí)間段的步數(shù)就清零了。這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓我很有一種奇怪的感覺(jué):夜深人靜,我的行動(dòng)就這樣消失不見(jiàn),無(wú)法留下證據(jù)嗎?

紅外定向干擾器由高重頻YAG干擾激光器、激光電源、耦合光纖、干擾激光發(fā)射頭、控制通信接口組成，干擾激光發(fā)射頭搭載在跟蹤平臺(tái)上，其結(jié)構(gòu)功能如圖1所示。

圖1 紅外定向干擾器原理

由圖1可知，紅外定向干擾器采用高功率激光二極管泵浦的Nd:YAG激光器作為干擾激光發(fā)射源，高功率激光二極管發(fā)出泵浦光，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)耦合輸入泵浦光纖，光纖傳輸后泵浦Nd:YAG激光器，再通過(guò)泵浦耦合光學(xué)系統(tǒng)，縱向抽運(yùn)Nd:YAG激光晶體。Nd:YAG激光器采用被動(dòng)調(diào)Q的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，可獲得高重頻脈沖激光輸出;通過(guò)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)形成干擾激光束，由隨動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)依據(jù)系統(tǒng)指令，將激光束指向目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行干擾。

2.1.2 紅外定向干擾機(jī)系統(tǒng)

定向紅外對(duì)抗系統(tǒng)在接收到外部告警系統(tǒng)確定的目標(biāo)精確方位信息后，通過(guò)精密控制轉(zhuǎn)臺(tái)快速定位，在控制信號(hào)的指揮下發(fā)射干擾激光，實(shí)施對(duì)目標(biāo)導(dǎo)彈的定向干擾，使紅外導(dǎo)彈不能確定目標(biāo)或解鎖丟失目標(biāo)。該系統(tǒng)一般由導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)、跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)、紅外干擾激光發(fā)射機(jī)和控制處理機(jī)組成，如圖2所示。

圖2 紅外定向干擾器結(jié)構(gòu)

由結(jié)構(gòu)圖可知，干擾激光器輸出的干擾激光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)、反射鏡耦合到兩軸精密跟蹤平臺(tái)，平臺(tái)上還搭載紅外面陣探測(cè)傳感器，二者的光軸平行。當(dāng)紅外面陣探測(cè)器的光軸瞄準(zhǔn)目標(biāo)(導(dǎo)彈)時(shí)，干擾激光的光軸也就對(duì)準(zhǔn)了目標(biāo)，在對(duì)目標(biāo)的跟蹤過(guò)程中實(shí)施對(duì)導(dǎo)彈的持續(xù)干擾。

2.2 定向干擾實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 干擾系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)

干擾系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)是系統(tǒng)的定向干擾執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其響應(yīng)速度與指向精度非常關(guān)鍵。采用光機(jī)電一體化技術(shù)，轉(zhuǎn)臺(tái)的方位、俯仰軸系可由2臺(tái)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成二軸平臺(tái)臺(tái)體，激光束在兩軸系的旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)傳輸，由2只直角棱鏡控制傳輸方向。各軸系配有獨(dú)立的位置﹑角度﹑速度﹑加速度傳感器，與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口聯(lián)接，這樣干擾轉(zhuǎn)臺(tái)就與控制電路一起構(gòu)成高速響應(yīng)與精密指向定位的伺服機(jī)電系統(tǒng)。干擾系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)采用多個(gè)45°平面反射鏡組合而成，如圖3所示。

圖3 干擾系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)光路

2.2.2 高重頻YAG激光干擾器

1)高重頻YAG激光干擾器

高重頻YAG激光干擾器(Nd:YAG激光器)采用被動(dòng)調(diào)Q獲得高重頻、高峰值功率脈沖激光輸出。與主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)相比較，采用被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)，其諧振腔內(nèi)損耗的變化與腔內(nèi)激光光強(qiáng)有關(guān)。通過(guò)材料對(duì)腔內(nèi)激光的吸收，可以達(dá)到調(diào)整激光諧振腔Q值的目的。這類激光器的Q脈沖靠自身材料特性形成，無(wú)需外界驅(qū)動(dòng)，因而結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，也容易滿足機(jī)載設(shè)備體積小、重量輕的小型化要求。

高重頻YAG激光干擾設(shè)備輸出的平均功率要求能達(dá)到5 W，半導(dǎo)體激光泵浦Nd:YAG激光器獲得高重頻激光輸出的泵浦效率在20%左右，則由此推算，為獲得5 W高重頻激光輸出，高功率激光二極管出纖功率最少應(yīng)達(dá)到25 W，可以采用30～40 W出纖功率的激光二極管光纖耦合輸出泵浦模塊。

高功率激光二極管由于工作時(shí)激光波長(zhǎng)會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生漂移，影響泵浦Nd:YAG激光器的效率，因此必須對(duì)其進(jìn)行溫度控制，以保持工作時(shí)溫度相對(duì)穩(wěn)定。高功率激光二極管擬采用半導(dǎo)體制冷溫控技術(shù)對(duì)其工作溫度進(jìn)行較好的控制，可避免高功率激光二極管工作時(shí)因溫度的飄移引起泵浦激光波長(zhǎng)的改變，從而影響Nd:YAG激光晶體對(duì)抽運(yùn)能量吸收的問(wèn)題。而高重頻Nd:YAG激光器則采用傳導(dǎo)冷卻，散熱片散熱，可保證激光器工作時(shí)不會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而引起激光輸出下降。

半導(dǎo)體激光器的光電轉(zhuǎn)換效率一般為20%～40%，按30%計(jì)算，出纖功率為30 W時(shí)，半導(dǎo)體激光器供電功率應(yīng)不小于100 W，由于該激光器需滿足高低溫等極限工作環(huán)境，因此其溫控部分的加熱制冷單元設(shè)計(jì)需用200 W的耗電量，加上風(fēng)機(jī)等外圍元件耗電，總電源耗電功率可控制在500 W以內(nèi)。

2)干擾系統(tǒng)范圍

按照顯控設(shè)備的指令，激光器輸出的干擾激光經(jīng)光束耦合光學(xué)系統(tǒng)-光纖傳輸?shù)郊す飧蓴_發(fā)射頭，再經(jīng)天線光束系統(tǒng)變換后得到滿足發(fā)散角要求的激光束輸出，然后根據(jù)控制指令向指定方位發(fā)出高重頻干擾激光光束，如圖4所示。

圖4 高重頻激光傳輸?shù)郊す飧蓴_頭

由于激光器的輸出功率有限，故單個(gè)激光束不可能做到全向或半球空間的干擾范圍。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地半球空間的干擾范圍，可以將激光干擾發(fā)射頭搭載在兩軸平臺(tái)上，采用轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)半球空間的干擾覆蓋區(qū)域。

3 中紅外定向干擾效果評(píng)估

3.1 紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的干擾效果評(píng)估

當(dāng)紅外激光對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行干擾時(shí)，需要判定導(dǎo)彈是否受到干擾，并偏離目標(biāo)。一方面可從導(dǎo)彈目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度判定目標(biāo)的大致距離，同時(shí)從導(dǎo)彈的航跡判斷導(dǎo)彈受到干擾后偏離目標(biāo)的程度，以此確定紅外干擾的有效性。因此需要從直升機(jī)的飛行參數(shù)、導(dǎo)彈的航跡參數(shù)對(duì)干擾有效性進(jìn)行評(píng)估。

3.2 激光對(duì)3～5 μm紅外圖像傳感器的效果評(píng)估

激光對(duì)3～5 μm紅外圖像傳感器的干擾預(yù)效果主要研究該波段圖像傳感器在激光干擾下，隨干擾能量、頻率、干擾時(shí)間的不同而出現(xiàn)的不同干擾現(xiàn)象。目前常用的圖像跟蹤方式有對(duì)比度跟蹤、相關(guān)跟蹤等方式。圖像跟蹤方式不同，對(duì)圖像質(zhì)量的要求也不同。因此激光對(duì)圖像傳感器進(jìn)行干擾時(shí)，干擾效果或干擾圖像隨激光能量或功率的大小會(huì)發(fā)生變化，故需要研究不同干擾功率、干擾頻率、干擾時(shí)間下圖像傳感器的圖像，進(jìn)而利用圖像跟蹤器采用不同的跟蹤方式確定不同干擾狀態(tài)下的跟蹤能力，從而為激光干擾效果的評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

對(duì)CCD圖像傳感器進(jìn)行1.06 μm激光干擾效果的測(cè)量，對(duì)不同的波段(3～5 μm)、不同的傳感器，其干擾效果需要進(jìn)行比較詳細(xì)的測(cè)定。其主要評(píng)估指標(biāo)為:擾波段、干擾距離、干擾激光束發(fā)散角、干擾覆蓋范圍(方位不小于±180°、俯仰不小于70°)、告警波長(zhǎng)、作用距離(一般大于被偵察目標(biāo)作用距離的1.2倍)、告警范圍(半球空域)散射截獲半徑、告警方位角分辨率(優(yōu)于22.5°)、虛警率、探測(cè)概率≥98%、威脅信息識(shí)別能力。

中紅外激光器應(yīng)該對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭、子彈紅外成像導(dǎo)引頭的干擾距離達(dá)到規(guī)定指標(biāo)。針對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭、子彈紅外成像導(dǎo)引頭，在激光脈沖頻率低于導(dǎo)引頭幀頻時(shí)，干擾機(jī)不應(yīng)對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭實(shí)施有效干擾。當(dāng)頻率增加到達(dá)到規(guī)定指標(biāo)時(shí)，導(dǎo)引頭應(yīng)該脫靶。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，中紅外激光對(duì)抗武器系統(tǒng)已經(jīng)處于新一輪的發(fā)展時(shí)期。隨著中紅外技術(shù)的發(fā)展，新的地空中紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈將不斷出現(xiàn)，這將給直升機(jī)造成嚴(yán)重威脅，使直升機(jī)的生存面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。故應(yīng)抓住機(jī)遇，加緊中紅外干擾技術(shù)及其武器裝備的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，以提高包括直升機(jī)在內(nèi)的各種武器平臺(tái)的作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)生存能力。

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