激光高重频干扰半主动制导导弹的作战运用影响研究

宋振之， 韩道文， 王 宇， 赵禄达， 吴中伟

(1.国防科技大学电子对抗学院，合肥 230000； 2.中国人民解放军31649部队，广东 汕尾 516000)

0 引言

现代战争中，激光半主动制导导弹以其打击精度高、抗干扰能力强、成本低廉等优点，成为战场上攻击对方重要目标的一把“利刃”，同时也成为我方在战场上应重点防范的目标。可以预见，在未来战场上，激光半主动制导导弹将发挥更为重要的作用。随着激光半主动制导导弹的大量应用，针对它的光电对抗措施也得到了长足发展，其中，高重频激光干扰以其无需识别和复制激光指示信号的编码即能进入敌信号处理系统，对敌进行有效干扰，近年来逐渐得到了各国的重视。

目前，激光高重频干扰的研究主要集中于干扰机理分析以及对半主动制导导弹导引头信号处理过程的分析[1-5]，而对该技术的作战运用影响研究相对较少。本文将重点研究大气传输、干扰激光重复频率、配置距离等因素对激光高重频作战运用的影响。

1 半主动制导导弹的制导原理和高重频干扰原理

1.1 激光半主动制导导弹制导原理

激光半主动制导是以激光为信息载体，将导弹、炮弹或炸弹引向目标而实施精确打击的技术。激光半主动制导导弹主要由位于弹上的激光导引头和控制系统以及弹外的激光指示器组成。作战时，通过激光指示器发射激光脉冲照射打击目标形成漫反射信号，引导激光半主动制导导弹锁定目标并调整飞行路线飞向目标。

目前，激光半主动制导导弹采取的主要抗干扰措施有两种:一种是对指示激光信号进行编码，在激光半主动制导导弹导引头上设置相应的解码电路，当导引头视场内同时出现多个指示信号或干扰信号时，能够通过解码识别自己的指示信号；另一种是在导引头上设置脉冲录取时间波门，波门的作用是控制导引头对指示激光的接收，在判断自己的指示信号到达导引头时开启，接收到指示信号后关闭，而在波门关闭期间不接收任何信号。这两种抗干扰措施很好地提高激光半主动制导导弹的作战性能，但也给我方干扰带来极大挑战。

1.2 激光高重频对半主动制导导弹的干扰原理

激光高重频是通过向半主动制导导弹发射高重复频率的脉冲激光，使得其导引头波门无论何时开启均能受到高重频信号的干扰，从而影响导引头对指示信号的接收，降低导引头对目标信息的截获概率，致使激光半主动制导导弹因提取不出信息而迷盲，或因提取到干扰信息而被引偏，达到保护被攻击目标的目的。

2 大气传输对激光高重频作战运用的影响

对于激光高重频作战运用，大气对激光传输的影响是一个必须要考虑的重要因素。大气中的许多物质都会对激光的传输产生影响，如各种气体分子、悬浮于空中的气溶胶粒子等都会造成激光传输的衰减。

大气对激光的衰减作用主要包括大气吸收效应和散射效应。大气吸收效应是指大气分子或气溶胶吸收激光的部分能量，并转换为热能的效应。对于不同波长的光，大气的吸收率不同，但是由于有大气窗口的存在，对于特定波长的激光吸收较少，目前的激光武器使用的激光波长均处于大气窗口之内，对激光的吸收较少。

大气散射效应是激光同大气分子或气溶胶等的相互作用，使得入射激光的能量以一定规律在各个方向上重新分布的现象。在低空作战范围内大气散射主要为气溶胶的散射，其值与能见度密切相关。其常用的描述公式为[6]

(1)

式中：VM为大气能见度；λ为入射激光的波长；q为修正因子，其数值与能见度有关，如表1所示。

表1 大气能见度与修正因子对应表Table 1 Atmospheric visibility and the corresponding correction factors

假设目标指示器的发射功率为Pt1，指示激光发散角为θt，目标指示器发射光学透过率为τ1，目标指示器与目标之间的距离为R1，目标与激光半主动制导导弹之间的距离为R2，激光大气衰减系数为μ(设作战范围内的大气衰减系数相同)，导引头的接收面积Ar，导引头光电探测器探测阈值为Prmin，接收光学透过率为τ2，目标表面反射率为ρ1，通常情况下，目标的尺寸大于指示激光在目标上的光斑尺寸，即为大目标。则指示激光到达导引头光电探测器前的峰值功率Pt2为

(2)

指示器能指示的最远距离Rmax为指示激光到达导引头光电探测器前的峰值功率等于导引头光电探测器探测阈值时的距离，令Pt 2=Prmin，并将式(1)代入式(2)得

(3)

以某激光半主动制导导弹为例，其目标指示器激光波长λ=1.06 μm,R1取5 km,τ1，τ2，ρ1的值分别取0.9，0.9，0.5。Ar=1.2×10-3m2(相当于接收口径为φ40)[7]，导引头光电探测器探测阈值为Prmin=10-6W。分别令指示器的峰值功率为5 MW,10 MW,15 MW，则大气能见度与指示器最远可指示距离的关系由Python仿真得到，如图1所示。

图1 大气能见度与导弹可被指示最远距离的关系Fig.1 Relationship between atmospheric visibility and the maximum distance a missile can be indicated

由图1可知,激光半主动制导导弹最远可被指示距离随能见度的提升而增大。指示激光发射功率越大，导弹可被指示的距离越远。由此，对于给定型号的导弹，可以根据大气能见度情况判断其可能发射的距离，为我方把握干扰时机提供参考。

激光高重频通常采用直瞄的干扰方式[8]。设高重频干扰机的发射功率为PJ1，高重频干扰机发射光学透过率为τ3，干扰激光发散角为θJ,干扰机与激光半主动制导导弹之间的距离为R3,当采取直瞄的方式进行干扰，到达导引头光电探测器前的干扰峰值功率PJ2为

(4)

要实现成功干扰，干扰信号到达导引头光电探测器前的峰值功率要求不小于指示信号到达导引头光电探测器前的峰值功率[9]。令PJ2≥Pt2，化简得

(5)

因R3≈R2，联立式(1)和式(5)可得

(6)

数据不变，则大气能见度与高重频干扰激光最小功率的关系由仿真可得，如图2所示。

图2 大气能见度与高重频干扰机发射最小功率的关系Fig.2 Relationship between atmospheric visibility and minimum transmitting power of high-frequency jammer

由图2仿真结果可以看出，大气能见度越好,激光高重频干扰机所需的最小发射峰值功率越高，说明能见度越高的天气更有利于半主动精确制导导弹的打击，而不利于激光高重频的干扰。这是因为指示信号通常要经过大气的双程衰减，激光高重频只需经过大气单程衰减，因此随着大气能见度的提高，对指示信号的衰减减弱，就需要相应提高干扰信号的峰值功率。

3 干扰激光重复频率对激光高重频作战运用的影响

波门技术的使用大大提高了半主动制导导弹的抗干扰性能，因此，必须使用高重复频率的干扰激光，使得在导引头波门打开的时间范围内有干扰信号“挤入”。又因导引头波门通常采用首脉冲录取制，即在波门内同时出现两个脉冲时，只处理第一个激光脉冲信号，因此，只有干扰信号超前于目标指示信号进入导引头的波门，才能实现成功干扰。在实施干扰时，干扰信号能否进入导引头的波门以及超前进入的概率与干扰信号的重复频率有关，下面建立干扰信号超前于目标指示信号进入波门的概率(简称超前概率，即每次干扰成功的概率)的数学模型。

(7)

(8)

于是，干扰信号超前进入导引头时间波门的概率Pgrcq为

(9)

取波门宽度分别为30 μs，50 μs，100 μs，可仿真出激光高重频重复频率与超前概率的关系，如图3所示。

图3 激光高重频重复频率与超前概率关系Fig.3 Relationship between high-repetition-frequency and lead probability of laser

由仿真结果可知，在重复频率一定的情况下，波门宽度越大,干扰信号超前的概率越大；波门宽度一定时，干扰重复频率越高，干扰信号超前的概率越大。对于必须要达到一定干扰成功概率的情形下，导引头的波门宽度越小，需要的干扰信号的重复频率越高。

4 配置距离对激光高重频作战运用的影响

激光半主动制导导弹通常具有一定接收视场角，干扰信号只有进入导引头的接收视场才可能被导引头的光电探测器接收而实现干扰目的。高重频干扰信号是否能够进入导引头接收视场与干扰机配置的位置及导引头的接收视场角的大小密切相关。理论上来说，高重频干扰设备离被保护目标越近，越容易进入导引头的视场，但由于激光高重频干扰可能将导弹引向自己，配置距离被保护目标太近，容易杀伤被保护目标。若配置距离过远，又不能进入导引头的接收视场，导致干扰无效。因此合理选择配置距离非常重要，应当高度重视。

设导弹最远被指示距离为Rmax,导引头接收视场角为θd,则配置最远距离不得超过(如图4所示)

图4 敌激光半主动制导导弹视场范围Fig.4 Field of view of an enemy laser semi-active guided missile

(10)

导弹在发射后，向攻击目标不断运动，导致在地面进入视场的范围越来越小。因此，即使在导弹发射时高重频干扰信号能够进入导引头视场，但随着导弹的不断飞行，高重频干扰信号也会逐渐偏出导引头的视场范围。激光高重频干扰装备配置的最远距离应当根据干扰超前的概率留有一定余地，能够确保在偏出导引头视场前干扰成功，将导弹引向自己。根据实践经验，应当将配置最远距离乘以一个安全系数Pgrcq，即配置最远距离为

(11)

高重频干扰装备配置的最近距离应当充分考虑导弹的制导精度、杀伤半径和波门形式。由于导弹在实际飞行的过程中，会受到大量来自导弹自身和外界的干扰，各干扰因素的大小及变化是随机的，并且相互独立、没有一个主要因素，因此，导弹制导精度通常服从以目标中心为均值的正态分布[10]，设导弹的精度为S0,根据误差理论和概率学，通常导弹落在以目标为中心、制导精度S0为半径的范围内的概率为68.27%，落在以2S0，3S0为半径的范围内的概率分别为95.45%,99.73%。若导弹的杀伤半径为r0,则为了使被保护目标不被导弹杀伤，激光高重频设备配置离被保护目标最小距离R应当满足

R≥3S0+r0。

(12)

导弹导引头的波门通常分为固定型波门和实时型波门。固定型波门是以首次确认的同步点依次预设后面的波门，在设置完毕后就不再改变，由于受激光器频率抖动、光程差、导引头和指示器时基一致性、时基频率稳定度等诸多因素影响，通常设置较宽(一般为100 μs左右)[11]；实时型波门是在确认己方信号后，以当前录入脉冲的到达时刻为同步点，设置下一个脉冲的波门，因为实时波门可以消除累计误差的影响，通常波门宽度可以设置较窄(一般为10～50 μs)。因此，对于实时型的波门来说，在每次干扰成功后，导引头会根据干扰信号重新设置波门时间，致使目标指示信号逐渐偏出导引头的时间波门，最终飞向高重频干扰机，配置的最近距离满足式(12)即可。

对于固定型波门，即使干扰成功，波门也不会随之改变，下次目标指示信号仍可能进入波门将导弹引向目标，导致导弹在目标和激光高重频设备之间来回偏转，最终落入目标与激光高重频设备之间。导弹落地地点由干扰超前概率确定，干扰超前概率越高,落地地点距离激光高重频设备越近。最终落地的地点应当满足

RPgrcq≥3S0+r0

(13)

即

(14)

因此，对于实时型波门导弹，激光高重频配置的距离范围应当为

(15)

对于固定型波门导弹，激光高重频配置的距离范围应当为

(16)

以某激光半主动制导导弹为例，杀伤半径为30 m，制导精度为5 m，导引头的接收视场角为3°，在能见度为15 km时，最远被指示距离为8 km。激光高重频干扰装备超前概率为80%，则对于实时型波门的激光半主动制导导弹，激光高重频配置的距离范围应为[45 m，168 m]，对于固定型波门的激光半主动制导导弹，激光高重频设备配置的距离范围应为[56.25 m，168 m]。

5 结束语

激光高重频干扰受大气传输的影响较大，大气能见度越高，激光高重频干扰机所需的发射功率反而越高。为获得较高的干扰超前概率，激光高重频干扰的重复频率不能过低。为使干扰激光能够进入测距的接

收视场，干扰机配置的距离不宜过远；受导弹射击精度和杀伤半径的影响，干扰机配置距离也不宜过近。对于不同形式波门的导引头，应当采取不同的配置距离。