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现代战争中防空导弹武器系统的光电对抗技术

菜鸟
2002-06-07 06:22:00    评分
1 光电对抗技术在防空导弹武器系统中的重要作用   光电对抗主要是指在光学谱段内的对抗技术。随着光电技术的发展,电视、激光、 红外及紫外等光学探测与跟踪技术被广泛采用,出现了精确制导武器体系。伴随着光电 制导武器的大量出现,光电对抗技术也得到了迅猛发展,对精确制导武器效能的发挥起 到至关重要的作用,和电子战一样,光电对抗已成为现代战争中决定胜负的关键因素。 防空导弹武器的光电对抗主要包括:光电制导导引头的抗干扰能力,制导站对来袭光电 制导武器的预警、干扰和破坏能力。这两个方面缺一不可。随着光电对抗技术的发展和 应用,使现代战争中防空武器系统面临的作战环境更为严峻,没有光电对抗能力或对抗 能力差的防空武器不仅不能有效地杀伤敌人,甚至自身的生存也成问题。近来发生的战 争充分证明了光电对抗的巨大作用。海湾战争一共进行了42天,地面战争仅仅打了4天, 而空袭与反空袭的作战却打了38天。伊拉克拥有的苏制地空导弹系统和德、法制造的"罗 兰特"地空导弹武器,不具备对抗高强度光、电干扰能力和对抗反辐射导弹与空对地光电 制导武器的能力,在空袭作战中几乎丧失了战斗力。多国部队进行空袭时采用多种飞机 综合编队方式,除EA-6B,EF-111A专用电子战飞机携带大量光电对抗设备外,作战飞机 均配备了各类自卫光电干扰设备。这些设备在空袭中有效地抑制了SA-7、SA-9、SA-13、 "罗兰特Ⅱ"等防空导弹的攻击能力。多国部队的飞机损失率只有0.5%,机上的光电自卫 干扰发挥了重要作用。多国部队使用了反辐射导弹以及光电制导空对地导弹,发射了100 0多枚HARM和100多枚ALARM导弹,使伊拉克地面制导设备遭到了毁灭性打击。 2 光电对抗环境分析 2.1 光电制导导弹的光电对抗环境   为了对抗光电制导导弹的攻击,各类飞机都采用了多种光电对抗设备,包括红外干 扰机、干扰弹、假目标及采用隐身技术等。此外还有激光致盲武器和定向红外干扰技术 。 2.1.1 红外干扰机   红外干扰机是一种调制干扰设备,用于对抗热点式非成像红外制导武器。通过发射 调制的波段与目标红外辐射相似,频率与导引头调制频率相近的干扰脉冲,使来袭红外 导引头产生虚假的跟踪信号,而偏离目标,达到保护载机的目的。   只有干扰机的红外调制辐射能量足够大,而且调制频率与导引头的调制频率相近, 才能有效地对点源式红外导引头的跟踪起干扰作用。 2.1.2 红外干扰弹   红外干扰弹是通过燃烧剂形成红外辐射,模拟飞机或其它要保护目标的红外特征, 以强于真实目标的红外辐射干扰、诱偏导弹,达到保护目标的目的。因此红外干扰弹要 在辐射波段上与目标相近,辐射强度大于目标辐射;在运动特性和时间上干扰红外导弹 对目标的跟踪。 2.1.3 红外隐身技术 通过降低目标的红外辐射或改变辐射波长,可以减小被导弹探测和跟踪的概率。飞机上 常采用喷口遮挡、特殊涂料及外型设计实现红外隐身。 2.1.4 激光致盲   激光致盲是国外目前大力发展的光电对抗技术,已进入工程研制的激光致盲设备有 美国的"罗盘锤"高级光学吊舱、"贵冠王子"机载激光致盲系统、名为"浮雕宝石-兰坚鸟" 的轻型激光致盲武器及"Stingray"系统。其中"罗盘锤"由空军研究发展,1986年进入全 面工程研制,已于90年正式生产,装备在轰炸机上,可使地空武器的探测器致盲。"浮雕 宝石-兰坚鸟"激光致盲武器、又称"CameoBluejay",由陆军研制、用于致盲光学传感器 的一种轻型武器,其质量为33.8kg,装在"阿帕奇"直升飞机上。安装在"布雷德利"战车 上的"Stingray",代号为AN/VLQ-7,是由Martin Marietta公司生产。使用平均功率为1k W的CO2激光器和输出100mJ的板条状Nd:YAG激光器以及倍频激光器,可以使可见光、近 红外和长波红外波段的光学传感器致盲;能破坏8km远的光电系统,在更远的距离上也可 伤害人的眼睛。   美国空军的"贵冠王子"机载系统,采用与"Stingray"系统相似的激光器,但功率更 大,作用距离也更远,90年已进入工程研制阶段。 2.1.5 定向红外干扰技术   定向式红外干扰是指以窄波束的形式向来袭制导武器发射红外干扰信号。   随着红外技术的发展,红外探测、跟踪、制导武器的作用距离越来越远,其使用波 段也更宽。红外干扰技术也应有相应的变化。原红外干扰机的光源主要是各种灯(氙灯、 弧光灯、红外灯等),可干扰近红外导引头和跟踪装置。这种干扰机是非定向的全方位辐 射,不需要稳定平台。典型代表如美军的AN/ALQ-144机载红外干扰机。上述各种灯的辐 射亮度都不足以干扰远距离的导引头和跟踪装置,因而要寻求新的光源。高功率激光器 的发展,无论从使用波段、辐射亮度或体积质量等方面都是一种理想的光源。   近年来将激光辐射用于干扰装置,已成为光电对抗技术中的一个重要分支,并称为 定向红外干扰(DIRCM)技术。   实现DIRCM有两种不同的方法,一是非闭环技术,通过将一束由非相干的闪光灯或激 光产生的红外能指向红外导引头使之受到干扰或工作混乱。另一种是闭环技术,它发射 激光并接收导引头反射的激光能量,通过分析反射回波来确定红外导弹的参数,然后选 择最有效的方式来对抗红外导引头。   美国陆、海、空三军都分别进行DIRCM的研究,如美国陆军的先进战术红外干扰系统 (ATIRCM)、海军的多波段反舰电子战系统(MATES)及空军正在执行的"激光红外对抗飞行 试验"(LIFE)计划。   美国陆军研制ATIRCM是保护直升飞机免遭红外制导导弹的攻击,并逐步取代AH-60直 升机上现有的AN/ALQ-144干扰机。ATIRCM系统为非闭环式,包括两个干扰头及其共用的 激光器,四个被动告警器和两台投放器。1995年5~6月份在新墨西哥州白沙导弹靶场对A TIRCM进行了实弹实验。实验表明,该系统均探测、跟踪到目标,并利用激光干扰导弹的 红外制导系统使之丧失攻击目标的能力。   由劳拉尔公司参与海军研究实验室管理的多波段反舰战术电子战系统(MATES)计划是 用工作在中波红外和长波红外波段的激光系统,对干扰反舰导弹红外导引头的工作进行 验证,预计MATES将成为综合电子战系统(AIEWS)的关键部分,AIEWS系统是美国海军计划 的下一代舰载自卫装置。MATES的工作是闭环式的,用舰载红外搜索和跟踪系统或舰载雷 达,探测掠海飞行的红外制导导弹,导引MATES的激光干扰机瞄准目标,接收目标反射的 激光能量,进行特征识别,判断导弹的类型,以确定干扰红外导引头最有效的使用方式 。 美国空军正在执行的LIFE计划也是验证利用激光技术对抗多种红外制导导弹的能力。LIF E也是使用闭环工作的定向红外干扰系统。劳拉尔公司最初提供的是CO2激光器,工作波 段在9.2μm,利用一个非线性晶体可使其波段变为4.6μm。这样可以覆盖中波和长波红 外波段,根据赖特-帕蒂森(Wright-Patterson)实验室所进行的实验结果,可以确信这种 技术是可行的。新一代红外导弹将采用成像型前视红外传感器(Flir),它不仅可以避免 红外诱饵弹的影响,也可能不受开环非相干定向红外干扰的影响,但却不能避免闭环定 向干扰的影响,这一发展前景促使空军对闭环激光定向红外干扰更感兴趣并致力于研究 。 2.2 制导站面临的光电对抗环境   在现代战争中,除飞机外,巡航导弹、空对地精确制导导弹(包括反辐射导弹)、激 光制导炸弹和隐身飞机等已成为防空武器系统制导站的新威胁。主要是激光半主动制导 、红外成像制导、可见光电视制导和被动射频制导等。制导站光电对抗的任务就是用包 括烟幕、诱饵、引偏、干扰机、致盲等各种措施对抗和干扰光电制导导引头的正常工作 ,实施软杀伤,增加其制导误差,以保卫制导站等地面设备。 3 光电对抗技术途径   防空导弹武器系统光电对抗的途径:一是提高导弹制导控制系统的抗干扰性能;二 是制导站的光电对抗,要对来袭的光电制导武器实施从预警、诱偏、伪装、到定向能软 杀伤的一体化对抗技术。 3.1 防空导弹光电对抗技术   对防空导弹导引头的干扰主要用曳光弹、红外调制干扰机、定向红外干扰、激光制 盲等。红外导引头对抗诱饵弹和调制干扰机的技术是一段时间内要重点研究的课题。我 国现役的防空导弹中采用光电制导的导引头多数是采用点源式非成像技术,如何提高其 抗干扰能力应是重点研究的内容。发展成像导引和准成像导引头是对抗光电干扰最有效 的途径。 3.1.1 在点源跟踪导引头中增加信号处理电路   信号处理电路有两部分,一是"开关器",它探测导引头视场内的诱饵弹,当发现诱 饵弹以后启动第二部分,这部分叫"响应电路",是导引头为抑制诱饵弹而采取的措施。 开关器技术是利用飞机和诱饵弹的光谱、上升时间、运动学特征和空间上的差别来探测 诱饵弹的存在。导引头可以使用其中的一种或多种技术来探测诱饵弹,当使用多种技术 时,开关器可以使用逻辑"与"或"或"功能,对响应电路进行控制。 3.1.1.1开关器技术   a. 采用上升时间开关器,监视它正在跟踪目标的能量电平,在某一时间范围内接 收能量急剧上升表明在导引头视场中出现了诱饵弹。这时即可启动响应电路,对抗诱饵 弹的干扰,但当接收到的能量下降到预先设定的阈值时,诱饵弹已经离开导引头视场角 ,这时将关闭响应电路。   b. 采用"双色"开关器的导引头,将对两个以上不同波段的能量电平进行采样。图1 为军用飞机和诱饵弹的辐射光谱特征。 图1 飞机和诱饵弹的简化辐射光谱分布图 Fig.1 Radiance spectra distribution of flight and decoy   图中波段A的能量相对于波段B的能量突然增大表明在导引头视场中存在诱饵弹。导 引头中用两个不同的探测器来监测两个波段的能量电平,一旦诱饵弹进入导引头视场, 就可以被探测到,立即启动响应电路进行对抗。   c. 利用运动学特征感知诱饵弹的存在。飞机抛出的诱饵弹由于受气动阻力而很快 与飞机分离。当跟踪目标的导引头转向跟踪诱饵弹时,由于诱饵弹的迅速减速导致视线 速率的突然改变。导引头的开关器感应到这种变化,便启动响应电路。   d. 利用"空间"特征来探测诱饵弹。光电导引头利用目标和诱饵弹的相对空间位置 进行鉴别。当诱饵弹与飞机的尾部分离时,导引头将在视场的前边监视目标、在视场的 后边监测诱饵弹,一旦可以区分视场两边的热物体时,就将切换到红外抗干扰工作模式 。 3.1.1.2响应技术   可以独立或组合使用几种不同的响应技术来对付诱饵弹,其中包括简单存储、导引 头前推、导引头推挽、扇区衰减、电子视场波门和时间消隐等。   a.简单存贮响应就是导弹继续进行其在切换前所作的机动,直到诱饵弹离开导引头 的视场或者开关器超时为止。   b."导引头前推"响应是使导引头朝目标运动方向的前部运动。这样将使诱饵弹离开导 引头视场的时间比简单存储时更快,从而使导弹不跟踪目标的时间变短。   c."导引头推挽"技术,假设诱饵弹比目标具有更强的红外辐射时,可以采取这种技 术,这时导引头将抑制强信号的控制,而按弱信号产生的驱动信号运动。其结果是导引 头将离开诱饵弹并朝向视场中较冷的红外目标。   d.扇区衰减技术。在导引头视场一部分上加以衰减滤波,导致导引头对这一区域中 的物体不灵敏。如果被跟踪的目标在视场中心,那么,在目标后下方的象限内放置一个 衰减器,将降低接收诱饵弹的能量,如果衰减后诱饵弹的能量低于未衰减的目标能量, 导引头将继续跟踪目标。   e."电子视角波门"技术,通常与非圆周扫描(如梅花瓣扫描)导引头相配合使用,在 诱饵弹投放后的某一时刻,诱饵弹和目标将不再在扫描的同一个波瓣内。通过计算目标 的相对运动,导弹能够确定目标出现在哪一个波瓣内,将忽略所有其它波瓣内的物体, 从而使导弹能维持对目标的跟踪。   f."时间段消隐"可用于具有多个探测器单元的导引头中,当探测器单元扫过具有目 标的场景时,在探测到目标时探测器输出一个能量脉冲,在视场中心的单个目标不会转 向锁定另一个目标。如果目标投放了诱饵弹,则探测器扫描诱饵弹时也将输出脉冲。 3.1.2 红外成像导引头   红外成像导引头的出现成为导弹红外对抗的转折点。美国于70年代开始研制红外成 像导引头,现已发展到采用焦平面成像技术,它能在干扰环境中探测、分类和识别目标 ,几乎可不受目前干扰技术的影响。使用小规模线阵(几十个探测单元)加光机扫描机构 实现红外成像,对付背景相对比较简单的空中目标、识别和抑制红外干扰弹、调制干扰 机的干扰,将是非常有效的对抗技术。 3.1.3 激光制导技术   激光制导技术具有很强的抗干扰能力,由于采用距离波门和脉冲编码、窄带滤波技 术,可以具有很强的光电对抗能力,激光半主动和激光驾束制导都可用于近程防空导弹 的制导。 3.1.4 红外与射频复合制导技术   红外成像末制导与射频末制导复合,可有效地对抗红外干扰和电子干扰,提高防空 导弹制导精度及抗目标雷达关机干扰能力。红外成像与射频复合分为共口径与分口径两 种,其中共口径复合导引头具有体积小、伺服机构简单的优点。共口径复合的关键是双 模波束分离技术。分口径微波与红外成像复合技术也是防空导弹一种有效的光电对抗措 施,而且技术实现上相对比较容易。 3.2 制导站的光电对抗技术   对制导站的主要威胁除飞机外,还有反辐射导弹、激光制导导弹和炸弹、红外成像 制导导弹以及激光致盲武器,这些是攻击型的。另外,前述防空导弹末制导系统面临的 各种干扰技术也同样会干扰制导站的光电探测、跟踪系统,因此,制导站应采用一体化 光电对抗技术。向着集成化、通用化、智能化、多功能化和多模工作能力的方向发展。 要集威胁告警、敌情分析、数据处理、最佳反应方式选择、多种干扰对抗手段的实施等 功能于一体,构成一体化的光电对抗系统。当前美国发展的全频谱电子战系统(INEWS)、 多频带防舰战术电子战系统(MATES)、先进战术红外对抗系统(ATIRCM)等都是这种设备。 目前这类称为辅助防御系统的设备(DAS),已成为武器系统的重要组成部分。新研制的武 器系统,更进一步把光电对抗系统与作战武器系统集成、融合在一起。 3.3 光学和光电装置的抗激光加固技术   光电制导导弹和制导站的抗激光加固是防空导弹武器系统光电对抗的重要环节。随 着光电致盲武器的发展,对防空导弹武器光电制导系统的威胁日益加重,因此需要研究 导弹和制导站的抗激光加固技术。   防空导弹武器光电制导系统的抗激光加固就是用增加防激光的光学装置、采用抗激 光光学镀膜、研制光学探测器激光防护装置等措施对抗激光对导弹和制导站光学系统的 破坏。 3.3.1 光学系统的防激光装置   光学防激光装置分线性光学、非线性光学和全息光学防激光装置。   线性光学防激光装置是只对激光辐射波长敏感,而对辐射强度不敏感的装置。这种 装置分为:一是用对某一波长的激光有很强吸收的材料制成的吸收式防激光装置。另一 种是在基质材料上镀有对某种激光波长具有高反射率的反射式防激光装置,第三种是把 吸收和反射两种功能结合在一起的复合式装置。   线性光学防激光装置的缺点是在吸收或反射激光波段上的自然光时对有用光也同样 予以吸收或反射,造成强衰减,因此需要一种能区别对待同一波长上的强光和弱光的装 置,即对弱光呈高透过率,而对强光则呈强衰减。根据非线性光学原理,只有强光与物 质相互作用才能产生非线性光学效应,而弱光不能产生非线性效应。这种基于非线性光 学原理的装置称为非线性防激光装置。采用非线性光学原理的方案很多,主要是利用三 阶非线性光学效应,它们可分为四类:即非线性吸收型、折射型、反射型和散射型,美 国海军科技人员利用一个光纤面板来捕获输入信号,然后通过非线性光学元件送给探测 器。当强激光传到非线性光学元件上时,其光波被倍频,倍频后的光波波长超出了探测 器的工作范围,从而保护了探测器,达到防护的目的。   全息光学的防激光装置是采用全息光学元件,能从接收光学孔径中除去有害激光, 保护光学元件和探测器。全息光学的防激光装置,能防止作战环境中存在的几种已知波 长的强激光的破坏,同时透过另外一些有用光,使光学系统免遭激光损伤,全息光学装 置能在大入射角范围内防护激光;能将入射的强激光偏转到安全的地方,还可以对其它 目标和环境光进行探测。 3.3.2 抗激光薄膜   光学薄膜是光学制导系统中最先接收入射激光的部分,也是易损伤的薄弱环节。激 光对光电设备的破坏,首先损伤光学薄膜,然后才破坏光学元件及光学系统。因此提高 薄膜的激光损伤阈值,对保护光学制导系统具有重要的意义。   目前,美国正在研究的金刚石薄膜具有极坚硬、透明和良好的红外和紫外特性,抗 激光损伤阈值极高。Old Dominion大学的Crysta Dume公司的研究人员用Nd:YAG激光器发 出的20ns脉冲测试了多晶金刚石薄膜和硅衬底的损伤阈值:对未镀膜的硅片用波长为532 nm和1064nm激光脉冲辐照时,其破坏阈值分别为2.15J/cm2和5.31J/cm2。而对同样波长 ,镀金刚石薄膜硅的损伤阈值为3.65J/cm2和7.44J/cm2。科学家们用强激光使碳迅速蒸 发可以产生普通碳元素构成的非晶金刚石材料,其硬度可与天然金刚石媲美,德克萨斯 大学的Collins C B等人利用5×108W/cm2激光产生等离子体的新工艺来淀积金刚石薄膜 ,已在10cm2大小的钛、金、铝、铜、不锈钢、陶瓷、聚酰亚胺和硅等红外光学元件上淀 3.3.3 传感器的抗激光冗余设计   除了采用上述防激光破坏措施外,可在光电探测系统中采用探测器冗余设计,使入 射光线可偏转到多个探测器中的任一个,当工作探测器被激光致盲时,结构能使入射光 线偏转到冗余探测器上,保证光电系统对目标 的正常跟踪。 3.4 导引头罩的抗激光加固 3.4.1 使用抗激光材料制作整流罩   使用氧化铝陶瓷作为射频天线整流罩的结构材料,这种陶瓷基复合材料由低介电材 料组成,其每层氧化铝纤维采取单向排列,各层间互成90°,基体材料采用硼硅酸盐玻 璃。使用温度为600°C,基体若采用低膨胀的SiO2使用温度可高达1100°C。   国外还发表了一种三向石英增强二氧化硅陶瓷材料,同样具有耐高温、透波性好、 能抗激光辐射等特点。 3.4.2 在整流罩上镀抗激光薄膜 目前,国外制作的抗激光薄膜主要有金属氧化介质多层膜和金刚石薄膜。 -- ※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·



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