港口码头防空中激光对抗装备的布设研究*

邓银港 宗思光 金嘉旺

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

港口码头防空中激光对抗装备的布设研究*

邓银港 宗思光 金嘉旺

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

激光对抗装备是港口、岛礁防御作战中对抗激光精确制导武器的主要手段,激光告警、激光假目标设备的布设对防御作战效能有着决定性的影响。论文针对港口码头的地形特点及其光电防护区域地表典型特性,研究了激光告警设备、激光假目标反射板以及海面漫反射激光假目标布设方法。对不同海况条件下海面激光假目标形成的干扰空域进行了仿真计算,给出了装备布设建议,为港口码头防空作战激光对抗装备布设方案的选择及优化部署等提供支撑。

港口防空; 激光对抗; 装备布设

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Class Number E273

1 引言

自20世纪60年代激光出现以来,激光与光电子技术在军事中的应用日益广泛,目前光电制导武器现已占精确制导武器的80%以上,在空对地攻击中大多数是激光制导模式。在港口、岛礁防御作战中,空对地激光精确制导武器的攻击是海军要地防空中最严重的威胁[1～2]。激光对抗装备是海军港口、岛礁要地防空重要的依靠力量,是对抗激光精确制导武器的主要手段[3～4]。激光对抗装备的布设对防御作战效能有着决定性的影响。激光对抗装备布设需针对不同的防御目标类型(如港口、码头、机场、指挥所、导弹阵地等)、光电防护区域地表状态(水泥地面、草丛、泥土、树林等)等因素综合考虑,主要涉及激光假目标布站、激光告警装置的布设。

论文针对港口码头防空作战涉及的典型作战场景,研究激光告警装置的布设原则及多台激光告警设备的协调布置方法。针对不同的码头类型,研究了激光假目标反射板以及海面漫反射激光假目标布设方法,对不同海况条件下激光假目标形成的干扰空域进行了仿真计算。

2 码头的地形特点及其光电防护区域地表特性

码头可分为顺岸式、突堤式以及墩式岛式。顺岸式码头与岸线平行,应用较为普遍,根据码头与岸的连接方式又可分为满堂式和引桥式两种[5]。满堂式码头与岸上场地沿码头全长连成一片,其前沿与后方联系方便,装卸能力较大。引桥式码头用引桥将透空的顺岸码头与岸连接起来。突堤式码头与岸线正交或者斜交,主要应用于海港,又分为窄突堤码头与宽突堤码头两种。前者沿宽度方向是一个整体,后者沿宽度方向的两侧为码头结构,码头结构中通过填筑构成码头地面。墩式码头通过引桥连接岸与墩台,不设引桥的墩式码头一般又称为岛式码头,主要用来装卸石油散货等。

码头作为防空作战的重要防御目标之一,其主体码头结构是一个长条行的平面水泥建筑物,满堂式码头的码头结构一侧为陆地,一侧为水面。其陆地一侧可布设激光引偏假目标反射板,而水面一侧无法布设；引桥式码头与突堤式码头的码头结构两侧都是水面,所以在进行激光引偏干扰时无法布设假目标反射板。但海面可以作为天然的激光反射体,经研究海面激光的反射特性为反射光线集中在以镜面反射方向为中心的一定区域内。当海面风速增大时,海面粗糙度变大,海面激光反射光的光强在镜面反射方向逐渐减弱,而在其他方向逐渐增强,反射光线的分布更加分散；当入射角度增大时,海面激光反射光的光强在镜面反射方向逐渐减弱,而在后向反射方向的逐渐增强。在大入射角(掠入射)且海面波浪起伏较小(遮挡效应较小)的情况下,反射光线的分布非常分散,各方向上反射光分布较为平均,呈现出漫反射态势[6]。

3 激光对抗装备布设

激光对抗装备布设的效能主要受以下几个方面的影响:激光告警器的布设、漫反射板假目标的布设、光电干扰车的布设、光电引导车的布设。在布设时所有方位角的基准为北向0°,范围0°～360°；俯仰角的基准为水平面,范围0°～90°。

3.1 激光告警器的布设

激光告警器用于实时截获、分析、识别,判明威胁程度,并按预定的判断准则及时向上发送威胁信息,使用时激光告警器布设在被保护目标的周围,用于警戒来袭的激光威胁[7]。在无遮挡条件下,单个地面激光告警器的有效警戒空间通常略大于2π立体角的半球空间,半球空间的半径为告警器的散射截获半径或者离轴探测距离(通常为60m)。码头的防御面积较大,需要多个告警器共同完成对肯能来袭的激光威胁的警戒。激光告警器布设的总体要求为能够探测从任何可能方位照射码头的激光威胁,且能给出正确的方位信息。

合理的布设要求激光告警器的有效警戒空间包含威胁激光可能来袭的全部角度空间,基准方位为0°,水平基准为0°。考虑到码头为水平的长条状建筑,其上并无凸起物,不会对激光告警器形成遮蔽,可认为其有效警戒空间为2π立体角的半球空间,因此,警戒空间对码头的覆盖率可用警戒区域S对码头M的覆盖率F来表示:

(1)

警戒区域指无遮挡条件下所有布设告警装置合成警戒空间在水平地面上的投影区域。

警戒区域应完全覆盖被码头,故F应等于1。实际布设时,由于光电干扰车及光电引导车高度会高于告警器的布设高度,对部分告警器产生遮蔽,可在其两侧同时布置告警器,实现警戒空间的互补,避免遮蔽空间的存在。

基准方位的调整,布设时应尽量做到基准方位为北向0°。以便为激光干扰装备提供正确的威胁方位信息。基准方位偏离北向方位越远,告警装置探测到的威胁方位偏差越大。基准方位通常在 0°～ 360°的方位内取值,当基准方位为180°时,完全反向,偏差最大,此后随着角度的增大,在方位上离北向0°方向反而会越靠近,接近 360°时,基本没影响。假定某告警装置的基准方位为θ基,则此基准方位的告警装置探测到的威胁方位偏差可由V基描述，V基越大表示影响越小。

(2)

表1 基准方位的影响

水平状态指告警装置布设的水平程度。合理的布设要求水平基准为0°。告警装置水平状决定着探测到的来袭激光束俯仰角的准确度。对水平地面布设的告警装置而言,其水平姿态角的最大可能取值范围为0°～ 45°,实际布设时的俯仰角应在0°附近。假定某告警装置的水平姿态角为θ水,则此水平姿态角的告警装置探测到的来袭激光束俯仰角的准确度可由V水描述:

(3)

V水越大表示准确度越高。

表2 水平状态的影响

码头通常为水平结构,布设时应把告警器水平状态调平为0°[8]。

3.2 漫反射板假目标的布设

漫反射板在激光对抗过程中充当激光假目标,诱骗来袭的激光制导武器至假目标自身,通过牺牲自己换取被保护目标的安全。靶板的布设及反射特性直接决定了引偏光强的空间分布,进而影响着干扰的效能甚至成败。假目标靶面的反射特性符合朗伯余弦定律,即无论干扰激光已何种角度入射到靶面上,反射光在各个方向上的辐射亮度相同,辐射强度随反射方向与靶面法线间夹角的余弦变化[9]。当这一夹角大于某一值时,反射光强刚好能够对来袭激光导引头形成有效干扰,对应的夹角就称为防护角θts(通常为60°),以靶面上的照射光斑为顶点,靶面法线为旋转对称轴,防护角θts为边界形成的圆锥空间即为单个假目标的有效引偏空间,通常为计算方便,将圆锥引偏空间近似为方位角与俯仰角都为2θts的方锥形引偏空间。假目标布设的总体要求是能够引偏任何可能方向来袭的威胁弹体,且被保护目标不被毁伤。

合理的布设要求假目标相对于被保护目标的方位在可能来袭的威胁方位镜像方向附近,且靶面应朝向被保护目标,假目标的有效引偏空间涵盖弹体可能来袭的空间角度,假目标与被保护目标及已布设的其他任一子设备的距离大于毁伤半径,被保护目标和假目标必须在来袭弹体开始激光导引时均位于导引头视场内。因此,漫反射板的布设应当满足以下条件[10]:

(4)

(5)

θma-θts<θtw<θma+θts

(6)

max(θmp-θts,0°)<90°-θtp

(7)

3) 多个假目标布设的基本要求是合成的有效引偏空域包含可能来袭的威胁方向。其中布设两块漫反射板的具体要求为

θma∈(min(θtw1,θtw2)-θts,max(θtw1,θtw2)+θts)

(8)

上述各式中Rm表示毁伤半径，ρt表示相对于被保护目标的距离，Lm表示开始激光导引时的弹体距被保护目标的距离，θmv表示来袭弹体的接收视场角，rn表示引偏干扰系统中其他子设备的布设位置，θta表示相对于被保护目标的方位角，θma表示来袭激光的照射方位角，θtw表示假目标朝向方位角，θmp表示来袭激光的照射俯仰角，θtp表示假目标朝向俯仰角。

实际布设时,只有满堂式码头的码头结构陆地一侧可布设激光引偏假目标反射板,通常空中威胁来自海洋方向,故假目标方位在可能来袭的威胁方位镜像方向附近,且靶面应朝向码头,而水面一侧无法布设。

引桥式码头与突堤式码头的码头结构两侧都是水面,所以在进行激光引偏干扰时无法布设假目标反射板,只能以海面为反射体,诱骗激光精确制导武器。

在实际的应用当中,激光海面漫反射的光斑覆盖范围与入射角度、入射高度和激光束的发散角等参数有着极为密切的关系。

图1 激光海面漫反射示意图

图1中的虚线表示入射激光束的边缘,曲线表示粗糙海面；Hi为发射器距离海平面的垂直高度,即发射高度；Hs为导引头距离海平面的垂直高度,即接收高度；α为入射光束的发散角；Ri和Rs分别为激光海面漫反射的入射距离和反射距离；L为入射点到激光器的水平距离；g为入射激光束的宽度；W为海面光斑的直径。

实际应用中,光电干扰车上的引偏激光器高度并不高,假设入射高度Hi=6m,入射光束的发散角α=1m rad,则随着入射角度的不同,其他参数的变化如表3所示。

表3 激光入射海面参数表

从表3中的数据可以看出,随着入射角度θi的不断增大,水平距离L及海面上光斑区域的面积也不断增大。在入射角度θi>80之后,随着入射角度θi的不断增大,水平距离L及海面上光斑区域面积的增长幅度也变得越来越大,特别是在入射角度θi>89之后,增长幅度的不断增加表现的更为明显。

小角度入射时,水平距离L很小,小于来袭武器的毁伤半径,并不能有效地保护码头结构,只有入射角足够大的情况下,才能有效地引偏来袭激光制导武器。港口内,由于地形及防波堤的存在,一般波浪起伏较小,一般小于四级。低掠角入射的情况下(θi>80),当海面出现4级海况或以下条件时,海浪对激光海面漫反射的遮蔽影响较小。

表4 海况与浪高参照表

图2 不同海况低掠角入射激光海面漫反射覆盖范围

从图2可以看出,在1～4级海况下,激光海面漫反射的能量分布以前向为主,随着海面粗糙度的增加,激光海面漫反射的能量分布越来越均匀,一级海况下,漫反射覆盖范围约为30°,二级达到180°,三级为270°,四级则是360°。

综上,在合适的入射角度下,激光在海面的漫反射能产生足够大的反射光斑,可以作为激光假目标,起到有效引偏的作用。

3.3 光电干扰车的布设

光电干扰车是激光引偏干扰的信息显示、干扰决策和干扰激光器的搭载平台,用于接收、显示落地器材上传的激光威胁信息,作出干扰决策(选择合适的激光假目标)并驱动干扰激光器发出与来袭激光相关的引偏激光,照射到合适的假目标上。光电干扰车布设的总体要求为可以接收到告警器上传的威胁信息,不影响告警器对激光威胁的警戒能力,同时能选择通视条件下的假目标,且自身方位基准正确。

光电干扰车一般直接布设于码头上,由于码头的几何形状为长宽比较大的长方形,一般需要布设2辆光电干扰车,假目标与其同侧光电干扰车的通视不会受到影响。布设时应保证光电干扰车在假目标靶板朝向一侧。光电干扰车的基准方位与告警器的基准方位类似,故同样可用V基描述:

(9)

光电干扰车方位基准应为北向0°,以便与激光告警器的方位基准一致。

3.4 光电引导车的布设

光电引导车是激光干扰对抗系统的情报支援平台,用于接收光电干扰车上上传的干扰信息并下发远程空情信息,也可根据上传,下达的信息作出综合干扰决策,充当整个光电干扰系统的决策,显控中心。光电引导车使用时布设在被保护目标的附近,布设的总体要求为不影响告警器对激光威胁的警戒能力,不影响光电干扰车与靶板之间的通视,且自身水平基准。

光电引导车一般直接布设于码头上,位于两部光电干扰车之间,不会影响光电干扰车对同侧假目标的通视；水平状态指光电引导车布设时的调平程度,合理的布设要求为水平状态为0°,光电引导车的水平状态影响着红外告警探测器探测到来袭目标俯仰角的准确度,也可由V水来描述:

(10)

由于码头一般呈水平状态,地形对光电引导车的调平不会造成大的影响,布设时应尽可能调平成0°。

4 结语

本文分析了港口码头的地形特点及其光电防护区域地表特性,并据其探讨了港口码头防空中激光对抗装备的布设问题,研究了激光假目标反射板以及海面漫反射激光假目标布设方法,对不同海况条件下激光假目标形成的干扰空域进行了仿真计算。给出了装备布设时的建议,对于港口码头防空中激光对抗装备布设方案的选择及优化部署等具有一定的参考价值。

[1] 吕跃广,孙晓泉等.激光对抗原理与应用[M].北京:国防工业出版社,2015:1.

[2] 韩荣辉,吴锴.对地！对地[M].北京:解放军出版社,2011:118-119.

[3] 庄昕宇,陈兆兵. 半主动激光精确制导武器的发展现状与趋势[J]. 舰船电子工程,2011,31(6):6-10.

[4] 付小宁,王炳健,王荻. 光电定位与光电对抗[M].北京:电子工业出版社,2015:266.

[5] 韩理安. 港口水工建筑物[M].北京:人民交通出版社,2015:1-2.

[6] 张爽,张晓晖,孙春生. 计算海面激光反射特性的几何光学方法研究[J]. 光学与光电技术,2012,10(3):28-31.

[7] 蒋耀庭,潘丽娜. 激光有源干扰及其发展现状[J]. 激光技术,2004(8):438-441.

[8] 孙春生,张晓晖,张爽.激光告警装置的布设及其评价方法研究[J].激光与红外,2014,44(4):419-423.

[9] Christensen C L,Rindel J H. A new scattering method that combines roughness and diffraction effects [J]. Journal of the Acoustical Society of America,2005,117(34):2159-2164.

[10] 孙春生,张晓晖,饶炯辉,等.激光引偏干扰中漫反射板假目标的布设方法[J].激光与红外,2013,43(3):252-255.

Layout Laser Countermeasure Equipment of Port and Terminal of Air Defense

DENG Yingang ZONG Siguang JIN Jiawang

Laser countermeasure equipment is the main method of the laser precision guided weapon in the harbor and reef defense operation, the arrangement of the laser warning and the false target equipment has a decisive influence on the operational effectiveness of the defense. Aiming at the terrain features of the port and the typical characteristics of the surface of the photoelectric protection area, the paper studies the method of the laser warning and the laser false target reflector and the method of the sea surface diffuse reflection target setting. The formation of spatial interference under different sea conditions of sea surface laser false target is calculated and given equipment layout suggestions, support for defense laser equipment layout scheme selection and optimization etc is provided.

port of air defense, laser countermeasure, equipment layout

2016年6月7日,

2016年7月19日

邓银港,男,硕士研究生,研究方向:海军信息对抗作战模拟与仿真。宗思光,男,副教授,研究方向:光电对抗和激光与物质互相作用。金嘉旺,男,副教授,研究方向:海军电子对抗作战指挥辅助决策。

E273

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.009