煙幕干擾對紅外成像導(dǎo)引頭命中概率影響

李 楠

(西京學(xué)院信息工程學(xué)院,陜西 西安 710123)

1 引 言

隨著精確制導(dǎo)武器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的廣泛應(yīng)用,特別是高精度紅外成像末制導(dǎo)導(dǎo)彈的效能發(fā)揮,引起了軍事界的極大關(guān)注。如何實現(xiàn)對紅外成像制導(dǎo)技術(shù)的有效對抗,煙幕干擾技術(shù)得到重點研究,主要有煙幕干擾材料、煙幕干擾機理及效果、煙幕干擾戰(zhàn)術(shù)等。全面理順煙幕干擾紅外成像導(dǎo)引頭的原理及干擾效果能為煙幕技術(shù)的發(fā)展提供理論支撐。

針對煙幕干擾問題,文獻(xiàn)[1]測試赤磷發(fā)煙劑與銅粉復(fù)合煙幕對紅外熱像儀的干擾性能,復(fù)合煙幕對紅外波段的透過率降到6 %左右,干擾效果顯著；文獻(xiàn)[2]研究紅外遮蔽地面煙幕防空陣地部署模型,最大限度發(fā)揮煙幕遮蔽紅外波段效能,較好防御紅外制導(dǎo)武器；文獻(xiàn)[3]在野外試驗煙幕施放情況,得到紅外波段干擾效果和遮蔽規(guī)律；文獻(xiàn)[4]研究煙幕云團爆炸分散模型,得到煙幕云團分散變化規(guī)律；文獻(xiàn)[5]研究煙幕干擾的布設(shè)及煙幕彈的釋放；文獻(xiàn)[6]、[7]研究煙幕干擾對紅外導(dǎo)引頭的干擾效果；文獻(xiàn)[8]在煙箱中對石墨烯煙幕的紅外干擾性能進行測試,結(jié)果表明石墨烯煙幕對3～5 μm和8～14 μm紅外輻射消光系數(shù)較高,懸浮性能良好,沉降速度不高。綜上,對煙幕干擾技術(shù)有一定的探討,但從紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)命中率的角度研究煙幕干擾效能還不夠深入。

煙幕干擾紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)的研究涉及煙幕干擾原理、紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)的命中概率、干擾后系統(tǒng)命中概率計算等內(nèi)容。干擾原理重點分析透過率計算,再分析幾個煙幕干擾試驗的情況,而后計算煙幕干擾后紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)命中概率,從而證實煙幕干擾是有效的紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)對抗手段。

2 煙幕干擾原理

煙幕是由煙、霧微粒組成,是一種氣溶膠。在空氣中施放煙幕,可吸收、散射目標(biāo)紅外輻射信號,阻隔目標(biāo)和導(dǎo)引頭之間的紅外輻射路徑,降低紅外成像導(dǎo)引頭的探測能力,進而使導(dǎo)彈脫靶。煙幕對紅外成像導(dǎo)引頭的干擾主要表現(xiàn):通過吸收、散射、反射輻射信號,降低目標(biāo)紅外成像質(zhì)量；煙幕自身的輻射使得導(dǎo)引頭無法對目標(biāo)成像；煙幕遮蔽目標(biāo)使得導(dǎo)引頭探測目標(biāo)概率降低。

2.1 煙幕干擾模型

煙幕干擾紅外成像制導(dǎo)主要通過紅外輻射遮蔽和衰減兩個過程。紅外輻射遮蔽是煙幕自身燃燒產(chǎn)生更強的紅外輻射,使得紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)出現(xiàn)更亮的圖像,紅外設(shè)備難以分辨目標(biāo)。衰減則是將目標(biāo)紅外輻射信號反射、散射及吸收,使得紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。煙幕干擾的模型如圖1所示。

圖1 煙幕干擾模型

2.2 煙幕透過率

煙幕干擾中一個重要參量就是目標(biāo)紅外輻射的煙幕透過率,煙幕的透過率越低干擾效果越好。而且透過率是煙幕吸收、反射、散射的綜合反映。由Lambert-Beer定律,煙幕透過率表示為:

(1)

其中,I是透過煙幕的光強度(W/cm2)；I0是入射煙幕的光強度(W/cm2)；αe是消光系數(shù)(m2/g)；C是煙幕濃度(g/m3)；L是穿過煙幕的光程(m)。煙幕濃度、透過率隨時間的變化曲線[7]如圖2、圖3所示。

圖2 煙幕濃度曲線

圖3 煙幕透過率曲線

分析圖2、圖3可知,隨著煙幕持續(xù)時間增加,濃度逐漸降低,透過率逐漸增大。

2.3 野外煙幕干擾試驗

在海陸交界野外試驗大氣穩(wěn)定度對煙幕紅外干擾性能的影響[3]。采用測試裝備是發(fā)煙劑為10 kg的紅外煙幕藥劑,測試儀器是3～5 μm紅外熱像儀,數(shù)碼相機等系統(tǒng)。現(xiàn)場測試圖片如圖4所示。

圖4 煙幕干擾場景

煙幕干擾試驗結(jié)果表明:煙幕能有效對3～5 μm紅外輻射目標(biāo)進行干擾,在風(fēng)速是1.5 m/s～2.5 m/s時,干擾最好；煙幕透過率隨煙幕濃度增大而減小,其變化關(guān)系呈現(xiàn)非線性。

2.4 煙幕云團形成試驗

對煙幕云團的半徑進行數(shù)值計算,在野外進行測試實驗[4],煙幕半徑是評估煙幕遮蔽目標(biāo)的重要指標(biāo),也是實現(xiàn)煙幕干擾的重要參數(shù)。圖5是利用發(fā)煙裝置進行的發(fā)煙爆炸實驗過程。

圖5 發(fā)煙裝置爆炸試驗圖

試驗結(jié)果表明:煙幕形成的半徑符合所建模型,對評估煙幕干擾結(jié)果有重要作用。

2.5 煙幕系統(tǒng)試驗

國內(nèi)先進的煙幕施放系統(tǒng)主要是多管集束發(fā)射煙幕干擾彈和煙幕施放車[5]。圖6給出發(fā)煙彈圖片和發(fā)煙效果圖。

圖6 煙幕彈及施放效果

通過裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、干擾藥劑的選擇等方法,可實現(xiàn)煙幕干擾對紅外制導(dǎo)武器的有效干擾。

3 紅外成像導(dǎo)引頭命中概率

紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)一般用于末制導(dǎo)階段,成像制導(dǎo)系統(tǒng)利用目標(biāo)和背景的紅外熱輻射差異對目標(biāo)進行檢測,根據(jù)目標(biāo)的運動偏差角不斷修正制導(dǎo)偏差。紅外成像制導(dǎo)的坐標(biāo)關(guān)系如圖7所示。

圖7 紅外成像坐標(biāo)關(guān)系圖

紅外成像精確制導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)時,命中目標(biāo)概率受到的影響因素有導(dǎo)引頭特性、風(fēng)場、推力變化、干擾氣流等,彈道的分布同制導(dǎo)誤差有關(guān),工程上利用統(tǒng)計規(guī)律研究導(dǎo)彈的散布規(guī)律。導(dǎo)彈在靶平面的落點概率密度函數(shù)為:

f(x,y)=

(2)

導(dǎo)彈誤差分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差,設(shè)系統(tǒng)誤差已經(jīng)校正,即x0=y0=0,隨機誤差沒有方向性,即σx=σy=σ,則式(2)變?yōu)?

(3)

設(shè)紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈對目標(biāo)的毀傷半徑是R,在沒有煙幕干擾的條件下,目標(biāo)的命中概率為:

(4)

從式(4)可見目標(biāo)命中概率主要取決于導(dǎo)彈制導(dǎo)精度和毀傷半徑。

導(dǎo)彈末制導(dǎo)之前一般利用慣性制導(dǎo),慣性制導(dǎo)累計誤差為:

(5)

式中,ΔK0是加速度計零次項偏差;ΔD0是陀螺儀零次項偏差;τgd是慣導(dǎo)飛行時間。

當(dāng)末制導(dǎo)紅外成像制導(dǎo)開機時,導(dǎo)彈按照成像制導(dǎo)規(guī)律飛向目標(biāo),此時若釋放煙幕干擾,目標(biāo)紅外圖像信號減弱,導(dǎo)彈誤差增大,依據(jù)導(dǎo)彈命中誤差示意圖可得導(dǎo)彈隨機誤差為[6]:

(6)

在煙幕干擾作用下,紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)隨機誤差增大,將式(6)計算出的隨機誤差值σ代入式(4),可計算得出紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈在煙幕干擾下的命中目標(biāo)概率。

4 煙幕干擾下命中概率仿真分析

設(shè)導(dǎo)彈飛行速度190 m/s,殺傷半徑20 m,ΔK0為10-4g,ΔD0為0.1°/h。在距離目標(biāo)3.5 km處形成煙幕干擾,煙幕滯空時間大于導(dǎo)彈飛行時間,保證煙幕形成有效干擾,紅外導(dǎo)引頭波段3～5 μm,煙幕消光系數(shù)0.9。在不同煙幕濃度下計算導(dǎo)彈命中概率隨煙幕厚度變化情況如圖8所示,導(dǎo)彈命中概率隨跟蹤精度變化情況如圖9所示,導(dǎo)彈命中概率隨攻擊距離變化情況如10圖所示。

圖8 命中概率隨煙幕厚度變化

從圖8可見,受到煙幕干擾后,紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的命中概率急劇下降,煙幕濃度越高,導(dǎo)彈受到干擾越嚴(yán)重,成像效果越差,制導(dǎo)誤差增大較快,最終導(dǎo)致導(dǎo)彈脫靶。當(dāng)煙幕厚度達(dá)到4.5 m時,幾種煙幕濃度均使得導(dǎo)彈脫靶。隨著煙幕濃度和厚度增大,導(dǎo)彈命中率呈下降趨勢明顯。

圖9 命中概率隨跟蹤精度變化

從圖9可見,紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈受煙幕干擾后,隨著跟蹤精度的降低導(dǎo)彈命中概率呈下降趨勢,由于煙幕濃度的不斷變化,成像導(dǎo)彈可能還會重新跟蹤目標(biāo),因此命中概率隨著精度降低呈逐漸緩慢下降。當(dāng)煙幕濃度達(dá)到0.6 g/m3時,可以認(rèn)為導(dǎo)彈完全脫靶。

圖10 命中概率隨攻擊距離變化

從圖10可見,在紅外成像末制導(dǎo)階段,施放煙幕干擾濃度達(dá)到0.2 g/m3時,導(dǎo)彈就難以制導(dǎo)攻擊目標(biāo),因此只要煙幕濃度達(dá)到一定程度,就可以實現(xiàn)對紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的有效干擾。導(dǎo)彈命中概率隨著攻擊距離的增大呈現(xiàn)下降趨勢。

5 結(jié) 語

煙幕干擾是對付紅外成像導(dǎo)引頭的最佳無源干擾形式,本文分析煙幕干擾紅外成像導(dǎo)引頭的機理主要是對目標(biāo)紅外輻射的消光作用,也即透過率的研究,給出煙幕干擾模型,簡要介紹煙幕干擾的試驗研究,得到煙幕干擾能有效對抗紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)論,給出煙幕干擾下紅外成像導(dǎo)引頭命中概率計算方法,仿真分析命中概率受煙幕干擾的影響因素主要有煙幕濃度、煙幕厚度、跟蹤精度和攻擊距離。由于煙幕干擾受風(fēng)速、煙幕藥劑、施放方式及時機等復(fù)雜因素影響嚴(yán)重,干擾紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的效果具有很大的不確定性,今后的研究需要考慮更多因素。