激光干扰红外成像型导引头的效能研究

李林林

中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471009

0 引言

激光定向对抗系统通过定向发射高能量的红外激光干扰红外导引头,是目前最有效的红外制导导弹对抗措施[1-2]。第1代、第2代红外导引头采用红外点源制导方式,通过对目标的红外辐射信号进行调制得到目标角度信息,进而实现对其的跟踪,这一固有特性使得点源制导式导引头在面对激光干扰时显得十分脆弱[3-4]。激光定向对抗系统成功干扰此类型导引头只需满足以下2个条件:①运用调制技术使干扰激光脉冲频率与导引头调制频率一致[5];②干扰与信号能量比在100～1 000。条件①所需的激光调制技术比较成熟,且调制干扰参数在实验室即可获得,条件②中的干扰与信号能量比在目前技术条件下也易于达到。因此,激光定向对抗系统能够成功干扰第1、第2代红外点源制导导引头,实现对该类红外制导导弹的有效对抗。然而,最新一代的红外成像型导引头不再通过点源调制的方式获取目标位置信息,而是先通过对目标成像,然后利用多帧图像处理的方式检测目标在图像中的像素位置得到目标角位置信息,实现精确跟踪[6-7],其跟踪和抗干扰措施均依靠内置的图像处理软件算法实现,对干扰信号本身调制与否并不敏感,这就导致针对点源制导导引头设计的激光干扰方法对红外成像型导引头的干扰效能大幅下降。因此,有必要对激光干扰红外成像型导引头的干扰效能进行分析和研究,得到激光成功干扰红外成像型导引头的条件和能量等要求,指导激光定向对抗系统的针对性设计,提升系统的干扰效能,达到对红外成像制导导弹的防护要求。

1 红外成像型导引头工作原理

红外成像型导引头的基本组成如图1所示。

图1 红外成像型导引头的基本组成

目标跟踪机制如下:在导弹发射后,红外探测器对目标红外辐射能量进行光电转换,得到数字化的红外图像,经过图像滤波、目标检测与识别,区分出目标、背景和干扰信号,再按多帧图像序列检出方式进行目标跟踪,得到目标的角度信息,进而得到导引头的瞄准指令和制导系统的导引指令,引导导弹按照预设的制导律正确飞向目标[8-9]。

目标图像检测与识别是红外成像型导引头抗干扰的核心,其利用图像特征区分视场中的目标和干扰信号[10],这些特征量类型十分丰富,包括目标最大灰度的归一化平均值、灰度分布方差、像素数半径的均方根等。其中最常用的特征量为图像偏心率,也称“圆度”,反映了目标在红外图像上的形状特征,其定义如下。

(1)

式中:P为目标在图像上的周长,A指目标图像面积。对于规则的圆形,图像偏心率为1。

通过对图像样本库中的目标和干扰的图像偏心率分别进行计算并统计,可以得到各自图像偏心率发生的分布曲线(见图2)。从图2可以看出,在原本接近圆形的图像区域中,诱饵弹的图像偏心率出现了一个尖峰,这与目标截然不同,因此,可以利用该形状特征来区别诱饵弹和真正的目标。

图2 目标和诱饵弹图像偏心率的分布曲线

2 激光干扰工作原理

激光定向对抗系统(DIRCM)突出“定向”,主要克服红外诱饵弹、红外干扰机全向辐射、能量密度低的影响,将干扰能量会聚在狭窄的激光光束中,然后采用高精度的跟瞄设备将“光束”指向来袭导弹导引头,使导引头接收信号饱和失效,从而破坏导引头的跟踪性能,使导弹偏离正确轨迹,达到高效干扰的目的。激光干扰功率密度高、作用距离远、相对诱饵弹来说“弹药无限”,能够实现饱和式压制干扰(见图3),是一种通用、有效的红外对抗手段[11-13]。

图3 激光定向对抗系统对红外导引头的干扰效果图(部分图像饱和和完全饱和)

激光定向对抗系统的具体优点如下。

1)激光干扰源为相干光源,光束发散角很小(毫弧度量级),干扰能量可高度集中照射到导弹导引头,因此具有更远的干扰距离。

2)红外激光器的工作波长容易覆盖1～3、3～5μm导引头工作波段,因此能够用于干扰各类、各代便携式红外制导导弹。

3)采用导弹告警设备(MWS)被动无源探测威胁,且红外干扰激光定向发射,大大提高了干扰的隐蔽性。

4)系统体积小、质量轻,模块化设计,维护性好。

虽然激光干扰能量密度高,易于干扰第1代、第2代点源制导红外制导导引头,但如前文所述,红外成像型导引头采用了更先进的图像处理检测技术,能够有效区分真正的目标和干扰。事实上,激光干扰施加至红外成像型导引头后,其与诱饵弹表现的图像形状特征也类似,可采用相同的抗干扰图像处理方法抑制激光干扰效果。即使激光干扰和诱饵弹掩盖了目标的部分特征,目标还具有其他图像特征,只要有1个特征被探测到,红外成像型导引头就能够进入抗干扰工作模式,进而保持对目标进行持续的跟踪,所以,在这种情况下,激光很难成功干扰红外成像型导引头。

为了对激光干扰红外成像型导引头的效能进行研究,须要分析激光成功干扰红外成像型导引头的条件,然后利用试验的方法,得到激光成功干扰红外成像型导引头的能量等要求。

3 激光成功干扰红外成像型导引头的条件

分析激光干扰成功的条件首先要确定激光的能量和发散角。为增加进入导引头的有效干扰激光能量,激光定向对抗系统中的激光通常会尽量减小激光发散角,压窄光束,使能量输出更加集中。但是,激光发散角是需要综合设计的指标,不能无限减小,因为激光光束需要有足够大的发散角来补偿系统的瞄准和跟踪误差,激光发散角设计就是在减小发散角增加能量集中度和增大发散角允许一定的跟踪误差之间权衡的结果。

本文以能量1 W和发散角1 mrad作为干扰激光的统一参考基准,这也是工程上常用的激光干扰设计参数。

3.1 激光干扰光斑散射分析

激光干扰红外成像型导引头,破坏对目标的跟踪主要是依靠强激光作用在导引头成像区域后形成的强烈光斑来湮没目标,使导引头无法检测目标角度信息,从而偏离预定攻击弹道来实现的[14]。

激光干扰作用在图像上的光斑大小主要取决于激光光斑在导引头光学系统中的散射水平,这也决定了红外成像型导引头对激光干扰的敏感程度。激光光斑在光学系统中的散射主要是由光学镜片及其表面的加工缺陷和材料纯度不足而产生的。目前,光学镜片加工能够达到很高的质量,所以可以认为镜片表面对激光光斑产生的散射和主体材料产生的散射是相同的。

光学元件对入射激光干扰的散射模型用双向散射分布函数(BSDF)表示,反映光线散射量随偏离入射光线角度值的变化。典型的ZnSe材料BSDF曲线如图4所示(图中0°代表视场中心)。在导引头的应用中,只需关心横坐标在1～5的光线散射量,因为导引头的视场通常为4°～5°。

图4 典型双向散射分布函数(BSDF)曲线

从图4可以看出光学材料越差,激光干扰的散射光斑越大。高质量和较差质量的ZnSe材料对光线的散射量有4个量级的差距。同时,由于激光的能量集中在中心,视场中心和边缘的光斑散射量也形成几个量级的差距。只要到达视场边缘的散射能量低于红外成像型导引头探测器响应饱和值,导引头就能够利用这一信息大致定位光斑的位置,也代表了目标的角度信息。

3.2 激光散射光斑尺寸分析

用能量1 W和发散角1 mrad的激光对红外成像型导引头进行照射,得到激光在导引头红外探测器焦平面上产生的散射光斑(见图5)。可以看出,在成像型导引头红外探测器的焦平面中间区域,干扰激光光束产生了一个圆形的饱和区域,且信号强度随着半径的增大而减小,信号强度的变化曲线如图6所示。

图5 激光在红外探测器焦平面(320×256像素)上产生的光斑

图6 红外图像中信号强度分布曲线

由图5和图6可知,能量为1 W的干扰激光未能使红外成像型导引头探测器的所有区域饱和,意味着导引头视场内依然存在关于目标位置的有用信息使其进入抗干扰工作模式,引导导弹飞向正确的目标方向。所以说,1 W能量的干扰激光不能成功干扰红外成像型导引头。

为实现对红外成像型导引头的成功干扰,需要在发散角不变的前提下提升干扰激光的能量,使干扰激光光斑覆盖导引头全部视场,完全湮没目标。具体多大的能量的干扰激光能够达到成功干扰的条件,需要通过具体的试验得出。

3.3 激光干扰效能试验分析

3.3.1 红外成像导引头参数

为对不同能量激光的干扰效能开展试验,首先要构建完整的红外成像型导引头模型,确定包括干扰激光参数在内的所有相关试验参数。表1为本文所采用的红外成像型导引头主要参数。

表1 红外成像型导引头主要参数

3.3.2 试验方法和过程

在基于表1的参数建立红外成像型导引头模型后,采用发散角为1 mrad的激光干扰源对该红外成像型导引头开展干扰试验,通过干扰后的红外图像是否完全饱和来判断是否成功干扰(图像完全饱和代表激光能量达到损伤阈值),同时采用激光能量计测得干扰激光在导引头处的激光能量密度并记录(见图7)。

图7 激光干扰效能实验布局

试验中的变量主要是激光的能量(单位为W)和激光干扰源至红外成像型导引头的距离(单位为m)。相同能量干扰激光离导引头距离越近,则激光作用在红外成像型导引头处的能量密度越高。

3.3.3 试验结果分析

通过上述试验,最终总结得到不同激光能量在红外成像型导引头上的功率密度随距离变化的曲线,如图8所示。

图8 激光干扰能量功率密度随距离变化曲线

图8中的三角点水平线是通过建模分析得到的导引头焦平面损伤阈值,其功率密度量值在10 000 W/cm2左右。实线代表了干扰激光功率为1 W时红外探测器焦平面上的能量,虚线表示了1 W激光在探测器边缘视场的散射能量,通过这2条曲线说明1 W能量的激光无法超过损伤阈值而对红外成像型导引头形成有效干扰,在边缘视场尤其如此,该结论也与上述的分析结果相符;在不断提高激光能量至100 W后,能够产生足够的能量功率密度使导引头探测器整个焦平面饱和,达到成功干扰红外成像型导引头的条件,但前提是此激光干扰在距离导引头1 000 m之内,超过1 000 m距离就无法成功干扰。如果继续提升激光能量,则能够达到更远的激光干扰距离。

对激光成功干扰红外成像型导引头进一步的讨论就是考虑激光干扰和红外成像型导引头抗干扰2个对立维度的技术发展上限。事实上,随着激光器技术的快速发展,提升激光能量相对比较容易,而导引头抗干扰所依赖的激光防护技术则有其固有的限制,例如文献[15]中采用特殊光学材料能够衰减将近70%的入射激光能量,但是如果激光能量呈现3～4倍的增长,即使面对如此显著的能量衰减,激光依然能够实现对导引头的成功干扰。

4 结束语

通过对激光成功干扰红外成像型导引头的条件和效能的试验分析,证明了使探测器焦平面响应完全饱和是激光成功干扰红外成像型导引头的条件,同时得到了具体的干扰激光能量要求。从试验结果来看,低能量激光是无法成功干扰红外成像型导引头的。为达到成功干扰的条件,需要提升干扰激光能量至100 W,即便如此,也仅能达到1 000 m的干扰距离指标。如果需要在更远的距离上成功干扰红外成像型导引头,则需要继续提升干扰激光能量。

随着激光技术的不断发展,未来的激光干扰技术将会和激光定向能武器研发交叉融合,从目前的信号“饱和干扰”最终质变为对红外制导导弹的“硬毁伤”,达到对所有类型红外导引头更直接且效果更好的对抗性能。