多場景艦炮激光制導彈藥照射指示特性研究

牟晉升,宗思光,張 鑫,楊劭鵬

(1.海軍工程大學 電子工程學院,湖北 武漢 430034;2.海軍航空大學 青島校區,山東 青島 266041)

1 引 言

傳統艦載艦炮武器打擊中小型艦船目標時,采用普通彈藥單發命中率低,大約在1/10左右,毀傷目標大約需要近百發彈藥;對岸支援打擊裝甲、工事類等小的目標時,彈藥用量更大[1]。而采用激光末制導炮彈,命中精度很高,對于低速中小型艦船目標可實現首發命中,在對陸打擊中,對于打擊裝甲、工事類等小的目標,只需要1～2發彈藥,縮短了完成任務的時間,大幅度提高了作戰效率[2-3]。受平臺限制,艦炮激光制導彈藥照射指示不同于傳統的機載對地攻擊激光照射,也無法采用地面照射指示,單艦采用激光制導彈藥作戰時,只能采用本艦照射以及無人機照射指示。但在不同的氣象環境下激光照射衰減特性不同,其本艦照射以及無人機照射指示受天氣、海況等影響較大。且由于不同目標具有不同的反射特性,其照射反射不同,對艦炮激光制導彈藥的指示精度影響較大。因此,通過研究多任務場景下不同目標的照射指示特性對提高艦載激光制導彈藥與打照射器之間的協同、指示及探測能力具有重要的理論與應用價值。

論文針對艦炮武器系統激光精確制導彈藥使用場景,建立了激光照射指示與彈藥探測跟蹤模型,編制了激光制導光區仿真計算軟件,研究了不同氣象能見度條件、不同攻擊目標、艦艇本艦照射指示、無人機載照射指示等條件下激光精確制導彈藥與照射器間的協同方法及指示、探測能力,并進行了仿真計算,對典型條件激光照射指示與跟蹤探測進行了測試驗證。研究成果可為艦載激光制導彈藥的使用提供支撐。

2 激光制導武器激光制導過程建模

2.1 艦載激光制導彈藥制導光區模型

如圖1所示,目標指示激光器的能量為Et,指示激光傳播距離為Rt,與目標表面法線成角度θz照射目標。設定目標表面特性為漫反射面,目標被目標指示激光照射的表面面積為ds,與照射激光方向夾角為θc的方向上,與目標距離為Rz的空間單位中,激光能量密度為:

(1)

(2)

式中,El為目標表面面積單位ds上受到指示激光照射的激光能量密度;rt為目標表面的激光反射率;μ為大氣衰減系數,那么該單位面積上的激光能量密度為:

(3)

式中,St為落在目標表面的光斑大小。通常目標指示激光的光束發射角很小(一般小于0.5 mrad),假定傳播距離Rt后,目標指示激光的光斑大小不變,認為全部光斑落在目標表面,則有:

(4)

目標表面的外形可能復雜多變,為便于簡化計算,將目標表面看作平面板。同時,由于觀測距離Rz一般較遠,光斑區域內不同位置對觀測點所張的角度θc可視為近似相等,因此式(3)可寫為:

(5)

由上述分析可知,目標指示激光經目標表面反射后的制導光區即為:

Ez(θc,Rz)>Eth

(6)

的空間區域。

綜合上述內容,在模擬條件下建立對目標激光制導光區模型,主要考慮目標指示器的載具、激光單脈沖能量、大氣環境衰減、目標特性等因素,對無人機與艦艇兩種平臺在不同參數條件下的激光照射進行建模仿真。

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2.2 艦載激光制導彈藥的照射指示方法

艦炮武器系統收到目標信息后,火控設備進行射向、射角、工作時序、引信方式等解算,艦炮調轉、裝定器給彈上信息處理裝置裝定發射諸元,制導炮彈裝填并發射[4]。末制導炮彈發射時,通信系統自動向激光指示器發出激光編碼方式、延遲時間等指令,同步器將在規定的延遲時間自動啟動激光目標指示測距機發射激光編碼脈沖,為末制導炮彈指示目標[5]。

炮彈發射時,在出炮口瞬間延時機構組件進入工作狀態,并激活熱電池,彈上制導部件依次上電工作,當導引頭捕獲目標后,進入末段制導直至命中、摧毀目標[6],圖2為激光制導炮彈的工作原理示意圖。

圖2 激光末制導炮彈工作原理示意圖

對于激光末制導炮彈,對陸或對海作戰可采用艦載照射模式和無人機照射模式[7]。第一為艦載照射,艦載照射方案是由本艦或他艦上的激光照射器為末制導炮彈末段提供激光照射指示目標。該方案由于照射距離較遠,需考慮地球曲率對激光照射的影響,同時船體自身的晃動對照射器的跟蹤影響也較大。因此,激光照射器需配備穩瞄隨動系統,需提升架高,并增大激光器能量。大口徑艦炮的目的是在20 km以內都可以對目標進行打擊,照射激光單脈沖能量較高。其二為機載照射,無人機照射方案是由無人機在目標區上空照射目標,為激光末制導炮彈提供末段的目標指示。無人機攜帶重量有限,但機動性強,可抵近目標進行激光照射,照射距離一般為5 km,照射激光單脈沖能量相對較低。

3 多參數影響下激光照射特性仿真

3.1 激光精確制導彈藥照射指示能力影響因素

(1)攻擊目標表面激光反射特性

目標的差異表現為目標表面激光反射系數不同,影響目標指示激光所產生的制導光區。對海上與海岸典型目標的激光反射系數進行分析,如敵方混凝土材料的碉堡,被草地、植物與土壤所掩蓋的重要軍事目標,海上的艦艇等[8]。

表1 典型目標表面激光反射系數

(2)大氣環境影響因素

激光末制導武器的激光信號傳輸受到大氣、氣象環境的影響較大。激光在大氣環境中傳輸過程復雜,不僅依賴于大氣中吸收輻射分子的種類和濃度,還依賴于大氣中懸浮微粒的大小等因素。這些因素主要表現在對激光輻射的吸收和散射作用上,嚴重時甚至導致導引頭無法鎖定目標。由于海洋環境的特殊性,沿海地區具有大風,大霧等特點,嚴重影響激光制導武器的使用。本文主要對激光照射特性仿真,主要考慮霧氣和雨天對仿真結果的影響并進行分析。

①大氣能見度情況較好,無云霧情況下,采用經驗值算法,對大氣衰減系數進行計算,公式為:

(7)

式中,μ為大氣衰減系數(km-1);Vm為大氣能見度(km);λ為波長(取值為1.064 μm);q為修正因子,按能見度不同而取不同值。若Vm很大時(≥23 km),q=1.6,若Vm較小時(≤6 km),q=0.16Vm+0.34,通常情況下可取q=1.3。

②霧天,根據Kreid提出霧的衰減系數與能見度的關系式:

(8)

可計算出霧天的數學衰減模型,其中激光照射器使用激光波長為1.064 μm,經驗常數Af為3.06。

③雨天,研究表明,雨對激光的衰減與降雨強度J有密切的關系。雨滴的半徑在0.1～4 mm之間,粒徑的分布譜型非常復雜,衰減系數與波長無關,所以有:

μ=0.56Js0.659

(9)

式中,μ以km-1為單位;Js為降雨量(mm/h)。

3.2 無人機載激光照射跟蹤特性仿真

在無云霧、霧天、雨天等不同大氣環境下,無人機載激光照射器對5 km距離處目標進行照射,導引頭據目標距離為5 km或10 km左右,假定Vm值取15 km。可計算出相應的衰減系數,如表2所示。

表2 大氣環境衰減系數

在四種不同大氣環境條件下,對混凝土目標進行激光照射,根據仿真結果進行對比分析。仿真結果圖3～圖6中,橫坐標表示激光入射方向與反射激光方向夾角θc的值,縱坐標表示目標反射激光的能量密度Ez,θz表示入射激光目標的照射角度,Rz表示導引頭距離目標表面的距離。

圖3 無云霧情況下,混凝土目標

圖4 霧天情況下,混凝土目標

圖5 小雨情況下,混凝土目標

圖6 大雨情況下,混凝土目標

圖7 霧天情況下,艦船目標

圖8 小雨情況下,艦船目標

圖9 大雨情況下,艦船目標

仿真結果分析可知,在角度θc的增大過程中,反射激光的能量密度在逐漸減小,當角度θc為90度時,反射激光能量密度約為零。激光入射角度θz越大,反射激光的能量密度越大。相同情況下,Rz=10 km的反射激光的能量密度小于Rz=5 km的反射激光的能量密度,約為一個量級。在不同大氣情況下,大氣情況對激光制導彈藥的制導光區產生一定影響,霧天對制導光區影響較小,但雨天會產生強烈影響。小雨天氣已導致激光制導光區能量密度下降至10-17J/m2,大雨天氣可直接認為能量密度為零。由此可以得出結論,大氣情況會對艦載激光末制導產生影響,嚴重時導致武器系統無法正常工作。

3.3 艦船照射跟蹤特性仿真

在無云霧、霧天、雨天等不同大氣環境下,艦船激光照射器對10 km距離處目標進行照射,導引頭據目標距離為5 km或10 km左右,假定Vm值取20 km。可計算出相應的衰減系數,如表3所示。

表3 大氣環境衰減系數

仿真結果分析可得,對沿岸目標與海上目標照射時,無人機載照射與艦艇照射仿真結果變化趨勢相似。但兩種照射方式的仿真結果也有所不同,區別之處主要在于目標激光反射特性與照射距離不同,造成在相同大氣環境條件下,兩種照射方式產生的激光制導光區能量密度在具體數值上有所差別,但量級差距較小。艦艇照射跟蹤目標時,惡劣天氣對艦船照射跟蹤特性影響更大,產生的激光制導光區能量密度相對較小,下降趨勢更加嚴重。

3.4 無人機載激光照射不同目標特性仿真

在無云霧大氣環境下,無人機載激光照射器對5 km距離處的不同目標進行照射,導引頭據目標距離為5 km或10 km左右。得到的仿真圖如圖10所示。仿真結果分析可知,在角度θc的增大過程中,反射激光的能量密度在逐漸減小,當角度θc為90度時,反射激光能量密度約為零。相同情況下,Rz=10 km的反射激光的能量密度小于Rz=5 km的反射激光的能量密度,約為一個量級。隨目標反射系數的減小,激光制導光區能量密度變小。在同一大氣情況下,目標反射系數對激光制導彈藥的制導光區產生一定影響,艦船目標對制導光區影響較小,瀝青目標會產生強烈影響。

圖10 無人機載激光照射不同目標特性

綜上所述,可以看出在角度θc的增大過程中,反射激光的能量密度在逐漸減小;激光入射角度θz越大,反射激光的能量密度越大。相同情況下,Rz=10 km的反射激光的能量密度小于Rz=5 km的反射激光的能量密度,目標表面激光反射系數高的目標,產生的制導光區能量密度相對較高。無人機照射與艦船照射在相同大氣環境情況下,在同一位置的導引頭探測到激光能量密度基本相同,變化趨勢類似。

4 結 論

經過制導光區模型,分析不同情況對制導光區的影響,通過模型可以得出結論:無人機激光制導方式與艦船激光制導方式各有優劣,通過仿真結果圖的對比,可以看出無人機激光指示器發射功率小,照射指引距離有限;艦船激光指示器發射功率大,可以遠距離照射,但易受到大氣環境衰減的影響,造成制導效果與無人機制導效果基本相同。但通過數據對比,可以對兩種制導方式的的使用進行數據支撐,為更進一步實驗奠定基礎。