多场景舰炮激光制导弹药照射指示特性研究

牟晋升,宗思光,张 鑫,杨劭鹏

(1.海军工程大学 电子工程学院,湖北 武汉 430034;2.海军航空大学 青岛校区,山东 青岛 266041)

1 引 言

传统舰载舰炮武器打击中小型舰船目标时,采用普通弹药单发命中率低,大约在1/10左右,毁伤目标大约需要近百发弹药;对岸支援打击装甲、工事类等小的目标时,弹药用量更大[1]。而采用激光末制导炮弹,命中精度很高,对于低速中小型舰船目标可实现首发命中,在对陆打击中,对于打击装甲、工事类等小的目标,只需要1～2发弹药,缩短了完成任务的时间,大幅度提高了作战效率[2-3]。受平台限制,舰炮激光制导弹药照射指示不同于传统的机载对地攻击激光照射,也无法采用地面照射指示,单舰采用激光制导弹药作战时,只能采用本舰照射以及无人机照射指示。但在不同的气象环境下激光照射衰减特性不同,其本舰照射以及无人机照射指示受天气、海况等影响较大。且由于不同目标具有不同的反射特性,其照射反射不同,对舰炮激光制导弹药的指示精度影响较大。因此,通过研究多任务场景下不同目标的照射指示特性对提高舰载激光制导弹药与打照射器之间的协同、指示及探测能力具有重要的理论与应用价值。

论文针对舰炮武器系统激光精确制导弹药使用场景,建立了激光照射指示与弹药探测跟踪模型,编制了激光制导光区仿真计算软件,研究了不同气象能见度条件、不同攻击目标、舰艇本舰照射指示、无人机载照射指示等条件下激光精确制导弹药与照射器间的协同方法及指示、探测能力,并进行了仿真计算,对典型条件激光照射指示与跟踪探测进行了测试验证。研究成果可为舰载激光制导弹药的使用提供支撑。

2 激光制导武器激光制导过程建模

2.1 舰载激光制导弹药制导光区模型

如图1所示,目标指示激光器的能量为Et,指示激光传播距离为Rt,与目标表面法线成角度θz照射目标。设定目标表面特性为漫反射面,目标被目标指示激光照射的表面面积为ds,与照射激光方向夹角为θc的方向上,与目标距离为Rz的空间单位中,激光能量密度为:

(1)

(2)

式中,El为目标表面面积单位ds上受到指示激光照射的激光能量密度;rt为目标表面的激光反射率;μ为大气衰减系数,那么该单位面积上的激光能量密度为:

(3)

式中,St为落在目标表面的光斑大小。通常目标指示激光的光束发射角很小(一般小于0.5 mrad),假定传播距离Rt后,目标指示激光的光斑大小不变,认为全部光斑落在目标表面,则有:

(4)

目标表面的外形可能复杂多变,为便于简化计算,将目标表面看作平面板。同时,由于观测距离Rz一般较远,光斑区域内不同位置对观测点所张的角度θc可视为近似相等,因此式(3)可写为:

(5)

由上述分析可知,目标指示激光经目标表面反射后的制导光区即为:

Ez(θc,Rz)>Eth

(6)

的空间区域。

综合上述内容,在模拟条件下建立对目标激光制导光区模型,主要考虑目标指示器的载具、激光单脉冲能量、大气环境衰减、目标特性等因素,对无人机与舰艇两种平台在不同参数条件下的激光照射进行建模仿真。

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2.2 舰载激光制导弹药的照射指示方法

舰炮武器系统收到目标信息后,火控设备进行射向、射角、工作时序、引信方式等解算,舰炮调转、装定器给弹上信息处理装置装定发射诸元,制导炮弹装填并发射[4]。末制导炮弹发射时,通信系统自动向激光指示器发出激光编码方式、延迟时间等指令,同步器将在规定的延迟时间自动启动激光目标指示测距机发射激光编码脉冲,为末制导炮弹指示目标[5]。

炮弹发射时,在出炮口瞬间延时机构组件进入工作状态,并激活热电池,弹上制导部件依次上电工作,当导引头捕获目标后,进入末段制导直至命中、摧毁目标[6],图2为激光制导炮弹的工作原理示意图。

图2 激光末制导炮弹工作原理示意图

对于激光末制导炮弹,对陆或对海作战可采用舰载照射模式和无人机照射模式[7]。第一为舰载照射,舰载照射方案是由本舰或他舰上的激光照射器为末制导炮弹末段提供激光照射指示目标。该方案由于照射距离较远,需考虑地球曲率对激光照射的影响,同时船体自身的晃动对照射器的跟踪影响也较大。因此,激光照射器需配备稳瞄随动系统,需提升架高,并增大激光器能量。大口径舰炮的目的是在20 km以内都可以对目标进行打击,照射激光单脉冲能量较高。其二为机载照射,无人机照射方案是由无人机在目标区上空照射目标,为激光末制导炮弹提供末段的目标指示。无人机携带重量有限,但机动性强,可抵近目标进行激光照射,照射距离一般为5 km,照射激光单脉冲能量相对较低。

3 多参数影响下激光照射特性仿真

3.1 激光精确制导弹药照射指示能力影响因素

(1)攻击目标表面激光反射特性

目标的差异表现为目标表面激光反射系数不同,影响目标指示激光所产生的制导光区。对海上与海岸典型目标的激光反射系数进行分析,如敌方混凝土材料的碉堡,被草地、植物与土壤所掩盖的重要军事目标,海上的舰艇等[8]。

表1 典型目标表面激光反射系数

(2)大气环境影响因素

激光末制导武器的激光信号传输受到大气、气象环境的影响较大。激光在大气环境中传输过程复杂,不仅依赖于大气中吸收辐射分子的种类和浓度,还依赖于大气中悬浮微粒的大小等因素。这些因素主要表现在对激光辐射的吸收和散射作用上,严重时甚至导致导引头无法锁定目标。由于海洋环境的特殊性,沿海地区具有大风,大雾等特点,严重影响激光制导武器的使用。本文主要对激光照射特性仿真,主要考虑雾气和雨天对仿真结果的影响并进行分析。

①大气能见度情况较好,无云雾情况下,采用经验值算法,对大气衰减系数进行计算,公式为:

(7)

式中,μ为大气衰减系数(km-1);Vm为大气能见度(km);λ为波长(取值为1.064 μm);q为修正因子,按能见度不同而取不同值。若Vm很大时(≥23 km),q=1.6,若Vm较小时(≤6 km),q=0.16Vm+0.34,通常情况下可取q=1.3。

②雾天,根据Kreid提出雾的衰减系数与能见度的关系式:

(8)

可计算出雾天的数学衰减模型,其中激光照射器使用激光波长为1.064 μm,经验常数Af为3.06。

③雨天,研究表明,雨对激光的衰减与降雨强度J有密切的关系。雨滴的半径在0.1～4 mm之间,粒径的分布谱型非常复杂,衰减系数与波长无关,所以有:

μ=0.56Js0.659

(9)

式中,μ以km-1为单位;Js为降雨量(mm/h)。

3.2 无人机载激光照射跟踪特性仿真

在无云雾、雾天、雨天等不同大气环境下,无人机载激光照射器对5 km距离处目标进行照射,导引头据目标距离为5 km或10 km左右,假定Vm值取15 km。可计算出相应的衰减系数,如表2所示。

表2 大气环境衰减系数

在四种不同大气环境条件下,对混凝土目标进行激光照射,根据仿真结果进行对比分析。仿真结果图3～图6中,横坐标表示激光入射方向与反射激光方向夹角θc的值,纵坐标表示目标反射激光的能量密度Ez,θz表示入射激光目标的照射角度,Rz表示导引头距离目标表面的距离。

图3 无云雾情况下,混凝土目标

图4 雾天情况下,混凝土目标

图5 小雨情况下,混凝土目标

图6 大雨情况下,混凝土目标

图7 雾天情况下,舰船目标

图8 小雨情况下,舰船目标

图9 大雨情况下,舰船目标

仿真结果分析可知,在角度θc的增大过程中,反射激光的能量密度在逐渐减小,当角度θc为90度时,反射激光能量密度约为零。激光入射角度θz越大,反射激光的能量密度越大。相同情况下,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,约为一个量级。在不同大气情况下,大气情况对激光制导弹药的制导光区产生一定影响,雾天对制导光区影响较小,但雨天会产生强烈影响。小雨天气已导致激光制导光区能量密度下降至10-17J/m2,大雨天气可直接认为能量密度为零。由此可以得出结论,大气情况会对舰载激光末制导产生影响,严重时导致武器系统无法正常工作。

3.3 舰船照射跟踪特性仿真

在无云雾、雾天、雨天等不同大气环境下,舰船激光照射器对10 km距离处目标进行照射,导引头据目标距离为5 km或10 km左右,假定Vm值取20 km。可计算出相应的衰减系数,如表3所示。

表3 大气环境衰减系数

仿真结果分析可得,对沿岸目标与海上目标照射时,无人机载照射与舰艇照射仿真结果变化趋势相似。但两种照射方式的仿真结果也有所不同,区别之处主要在于目标激光反射特性与照射距离不同,造成在相同大气环境条件下,两种照射方式产生的激光制导光区能量密度在具体数值上有所差别,但量级差距较小。舰艇照射跟踪目标时,恶劣天气对舰船照射跟踪特性影响更大,产生的激光制导光区能量密度相对较小,下降趋势更加严重。

3.4 无人机载激光照射不同目标特性仿真

在无云雾大气环境下,无人机载激光照射器对5 km距离处的不同目标进行照射,导引头据目标距离为5 km或10 km左右。得到的仿真图如图10所示。仿真结果分析可知,在角度θc的增大过程中,反射激光的能量密度在逐渐减小,当角度θc为90度时,反射激光能量密度约为零。相同情况下,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,约为一个量级。随目标反射系数的减小,激光制导光区能量密度变小。在同一大气情况下,目标反射系数对激光制导弹药的制导光区产生一定影响,舰船目标对制导光区影响较小,沥青目标会产生强烈影响。

图10 无人机载激光照射不同目标特性

综上所述,可以看出在角度θc的增大过程中,反射激光的能量密度在逐渐减小;激光入射角度θz越大,反射激光的能量密度越大。相同情况下,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,目标表面激光反射系数高的目标,产生的制导光区能量密度相对较高。无人机照射与舰船照射在相同大气环境情况下,在同一位置的导引头探测到激光能量密度基本相同,变化趋势类似。

4 结 论

经过制导光区模型,分析不同情况对制导光区的影响,通过模型可以得出结论:无人机激光制导方式与舰船激光制导方式各有优劣,通过仿真结果图的对比,可以看出无人机激光指示器发射功率小,照射指引距离有限;舰船激光指示器发射功率大,可以远距离照射,但易受到大气环境衰减的影响,造成制导效果与无人机制导效果基本相同。但通过数据对比,可以对两种制导方式的的使用进行数据支撑,为更进一步实验奠定基础。