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红外诱饵的辐射特性及在光电对抗系统中的作用精
第23卷 第4期
2002年 应用光学
Vol.23 No.4
2002
文章编号:
1002-2082(200204-0015-06
红外诱饵的辐射特性
及在光电对抗系统中的作用
王军,高教波,马玲,蒋鹏
(西安应用光学研究所,西安 710065
摘 要:
介绍了红外诱饵的辐射特性及在光电对抗系统中的作用,给出两类诱饵的光谱辐射特性曲线、光谱辐射数据表、红外热辐射特征、时域变化特性曲线等,指出诱饵弹的发展趋势。
关键词:
红外诱饵;红外辐射;光谱特性;大气传输;导引头;光电对抗
中图分类号:
TN213;TN97 文献标识码:
A
引言
光电对抗是指敌我双方在紫外、可见光、红外光波段上,利用各种光电设备及采取多种措施进行的侦察与反侦察、干扰与反干扰、摧毁与反摧毁的斗争。
光电对抗有多种模式,包括光电侦察、光电干扰与摧毁、光电反侦察反干扰与反摧毁。
其中,光电干扰属光电对抗的重要内容之一,红外诱饵弹属有源光电干扰。
为了对付光电精确制导武器,红外诱饵弹的作用越来越重要。
消耗性诱饵是一种用于挫败红外制导导弹的诱骗技术,它与主动红外对抗系统不同。
主动红外对抗系统是在主动辐射源的输出端加调制系统,该调制信号与导弹导引头调制盘的调制信号结合,可对导弹气动控制面产生伪制导命令。
而消耗性诱饵则不同,它是一种由化学或烟火反应形成很高强度的辐射源,该辐射源的辐射信号把作战系统的辐射信号进行压制,并引诱导引头跟踪诱饵,使飞机、舰船等作战系统免受热寻的导弹的攻击。
文中给出了烟火炬型消耗性诱饵燃烧过程中的光谱辐射特性I[WsrΛm]~Κ[Λm](经过标准黑体校准,燃烧过程的光谱积分辐射时域特性以及燃烧最强时刻的光谱积分辐射强度Imax(Wsr,燃烧过程的光谱积分辐射能量E(Wssr、光谱积分平均辐射强度Iavg(Wsr、光谱积分辐射比能量Em(Wsgsr等数据。
介绍了机载与舰载诱饵弹的光谱辐射特征、热场分布特征及其在光电对抗系统中的作用与发展趋势。
1 诱饵的辐射特性测试分析
1.1 测量仪器
采用SR5000智能化光谱辐射计及AGE2MA900测温热像仪对红外诱饵的静态燃烧过程进行测试分析。
1SR5000智能化光谱辐射计
它是一种具有InSbHgCdTe夹层探测器,牛顿式全反光学系统,并采用环形渐变滤光片分光,采样速率为10次s的中分辨率光
收稿日期:
2001-11-30
作者简介:
王军(1968-,男,江苏沛县人,西安应用光学研究所工程师,主要从事军用目标光学特性及红外仿真研究。
谱辐射计。
2AGEMA900测温热像仪
它是一种具有HgCdTe探测器,透射式光学系统(或卡塞格林望远光学系统,且温度灵敏度为0.08℃、测量波段8~12Λm、帧频30Hz的光机扫描式热成像系统。
1.2 飞机诱饵的辐射特性测试
飞机的红外诱饵是一种固体的烟火曳光弹,可根据导弹红外告警装置得到信号或按预编程序自动、半自动控制发射诱饵。
此种诱饵弹的缺点是燃烧时间较短,且投放后要下沉,与载机的距离加大,有可能被红外导弹摆脱。
曳光弹尾焰辐射的能量是由烟火反应提供的。
常用的烟火成分是由粉末状的镁粉及聚四氟乙烯(PTFE树脂组成。
在隔绝空气的燃烧条件下,其燃烧反应为:
2Mg+C2F
42MgF2+2C+热量
曳光弹的成分一般按过量的镁燃料配制。
过量的镁因初始反应而汽化,之后与空气中的氧反应燃烧生成氧化镁和热量。
在某种条件下,部分碳还可氧化生成CO或CO2。
聚四氟
乙烯树脂是一种模塑粉末,其颗粒大小对燃烧速度影响很大。
1.2.1 测试条件
环境条件:
温度T=20℃,湿度RH=60◊,能见度VIS=5km,
晴天;
目标距离:
31m
火焰尺寸(沿喷射方向观察:
约160mm诱饵样品质量:
6g试验类型:
静态测试
试验地点:
西安应用光学研究所试验时间:
2001年5月16日晚1.2.2 测试结果
1表观光谱辐射特性曲线
飞机诱饵静态燃烧起始阶段,表观(未经大气透过率修正光谱辐射特性曲线如图1所示。
飞机诱铒静态燃烧最强时刻的表观光谱辐射特性曲线如图2所示。
由此光谱辐射曲线可以看出,开始燃烧时,4.3Λm处CO2谱带的辐射特征明显,在燃烧中段,燃烧总辐射强度增大,但在4.3Λm处仍可看出有特征谱辐射。
这是由于燃烧产物中部分C的燃烧氧化及粘结剂中碳的局部氧化
图1 飞机诱饵静态燃烧起始阶段光谱辐射曲线
Fig.1 Spectralradiationcurveofstaticburningstart-upphaseofaircraftdecoy
图2 飞机诱饵静态燃烧最强时刻光谱辐射曲线
Fig.2 Spectralradiationcurveduringthetimeofthestrongststaticburningofaircraftdecoy
图3 大气光谱透过率曲线
Fig.3 Atmosphericspectraltransmissivitycurve
而引起的。
2光谱辐射数据表
表1给出经过LOWTRAN7大气传输模型透过率修正后的目标辐射特性数据。
图3给出了诱饵燃烧时的大气透过率曲线(利用LOWTRAN7大气传输模型软件计算而得。
表1 光谱辐射数据表(经过大气透过率修正
Table.1 Spectralradiationdata(throughthecorrectionofatmospherictransmissivity序号
燃烧持续时间(s
1.323Λm325Λm8214ΛmImax
(WsrIavg(WsrE(WssrEm(WsgsrImax(WsrIavg(WsrE(WssrEm(WsgsrImax(WsrIavg(WsrE(WssrEm
(Wsgsr
1-18.1394.24171.601389.95231.66116.3655.15446.6874.4510.684.7538.446.412-14.9203.52108.54531.8388.6491.0338.76189.9031.658.783.6617.922.992-25.5118.2662.61344.3657.3946.4822.44123.4020.574.492.2812.542.093-18.1186.65103.85841.19140.2080.4749.80403.4167.249.446.4852.498.753-27224.85138.07966.48161.0887.6864.70452.8975.4811.168.2057.389.564-13.9179.62160.07624.27104.0562.5553.89210.1835.036.935.16203.13.364-23.8227.76175.99668.75111.4680.1466.90254.2142.378.096.7425.624.275-19.8330.14114.221119.32186.55125.8359.63584.3997.4013.396.8366.9011.156-120.2153.5957.941170.34195.0651.9121.33430.9671.836.662.6653.728.956-219.6173.9965.641286.62214.4454.1623.36457.8576.315.072.5449.818.30
由表中数据分析可知,第1-1、3-1、3-2、4-1、4-2、5-1发诱饵的光谱积分平均辐
射强度Iavg较大,燃烧过程的光谱积分辐射能量E、光谱积分辐射比能量Em等综合指标都较好。
而第621、622发虽然燃烧持续时间
较长,但其平均辐射强度Iavg较低,第221、222发的平均辐射强度也较低,必须进行改进。
3诱饵燃烧时的热场分布特征
图4给出了诱饵静态燃烧时8~12Λm波
段的热场分布图。
图4 诱饵燃烧时(8~12Λm波段热图
Fig.4 Thethermaldiagramduringdecoyburring(8212Λm
由图4可知,诱饵燃烧时的中心温度达到了1500℃。
1.3 舰用诱饵的辐射特性测试
很多反舰导弹的发射距离比导引头的跟踪距离大。
在发射初始阶段,通常采用惯性或雷达导航并将红外导引头引导至目标捕获距离上,之后,由红外导引系统进行高精度末制导。
舰载诱饵使用的某些技术与飞机诱饵类似,但由于反舰导弹的特殊工作模式使其具有特殊的要求。
海洋表面的反射光改变了目标的视在形状和光谱分布,这种特征的变化会使诱饵匹配目标复杂化。
同样,也使反舰导弹对诱饵的鉴别更为困难。
舰船及周围的海洋在8~14Λm波段内有强烈的辐射,舰船一般比海洋更热,但其对比度随环境条件的变化很大。
另外,诱饵的持续时间是由导弹的飞行时间及可利用的报警时间确定的,一般应大于20s。
火炬型诱饵可从舰上发射出去,用一个漂浮装置使其浮于海面上,并向上喷射燃烧辐射尾焰,如美国海军MK186型“火炬”诱饵。
气动悬浮式诱饵是借助于降落伞或合适的气动外形,长时间悬浮于空中,其优点是由燃烧产物所形成的烟云辐射面远远大于漂浮诱饵的热辐射面,可通过设计特殊的布放机构提供类似舰船的空间热特征。
1.3.1 测试条件
环境条件:
温度T=24℃,相对湿度RH=99◊,能见度VIS=1.5km
目标距离:
640m
火焰尺寸:
约Υ1.5×2.5m
试验类型:
静态测试
试验地点:
秦皇岛某海军试验基地海边
试验时间:
2000年7月21日晚20点到22日晨3点。
1.3.2 测试结果
利用LOWTRON7大气传输模型软件计算出2000年7月21日晚20点到22日晨3点大气透过率曲线,如图5所示。
1光谱辐射特性曲线
经过大气透过率修正后,得出舰用诱饵静态燃烧时的光谱辐射特性曲线如图6和图7所示
。
图5 大气透过率光谱曲线
Fig.5 Atm
osphericspectraltransmissivitycurve
图6 舰载诱饵起燃后0.6s时刻的光谱辐射曲线
Fig.6 Spectralradiationcurveatthetimeof
0.6saf
tertheshipbornedecoystarting
buring
图7 舰载诱饵燃烧最强时的光谱辐射曲线
Fig.7 Spectralradiationcurveatthetimeof
strongstburningofshipbornedecoy
2波段积分时域特性曲线
图8给出了舰用诱饵静态燃烧时的波段积分时域变化特性曲线。
由诱饵烧烧时域特性曲线可知,第一发与其余各发的燃烧辐射特性不同(包括3~5Λm与8~12Λm波段。
其原因可能是第1发在燃烧时,由于无风诱饵的辐射特性包含了烟雾等辐射。
因此,在燃烧反应结束即第46s以后,8~12Λm波段仍有较强的辐射,而3~5Λm波段其辐射却衰减到与环境接近。
在第2发之
后,采用风机对诱饵燃烧的烟雾进行排除,并在其后的每次试验中保持一致,这样,就测试出诱饵的真实辐射特性。
测试结果表明,诱饵在3~5Λm积分时域特性是大约39s之后,辐射强度增大一倍,保持3s的较稳定燃烧,在第
46s后,燃烧结束,辐射量也降至最低。
在8~12Λm波段,39s之后,辐射强度降低近一倍,46s后,辐射量降至最低。
这是由于在燃烧后
期,配方中的药量完全充分燃烧,火焰中心温度升高使3~5Λm波段辐射加强,同时却使
8
图8 舰用诱饵的波段积分时域特性曲线
Fig.8 Thewavebandintegratedtimedomainpropertyofshipbornedecoy
~12Λm波段的辐射强度降低了。
在粘结剂中
加入某种高发射率颗粒,可提高其辐射效率,同时也有助于提高8~14Λm波段的辐射强度。
改变配方或制作工艺,还可使燃烧辐射具有稳定的时域特征。
2 诱饵技术在光电对抗系统中的作用
目前,由于高新武器的剧增,世界各国武
装部队都处于红外制导导弹等多种武器系统的威胁之中。
因此,部队急需装备能够在战争环境中提高生存能力的先进武器系统。
依据光电对抗措施研制的武器系统具有优越的战场适应能力。
光电对抗系统主要包括:
预警系统、伪装抑制及屏蔽系统、主动红外对抗系统、消耗性诱饵、光学与传感器的保护、遮挡对抗系统等。
报警系统包括导弹报警、激光报警及对威胁物的探测。
随着微处理器信号处理能力的不断增强及探测器的更新,接收的杂波得到了更有效的抑制,提高了信噪比,降低了虚警率。
报警系统是对抗过程的开端,它能够感知威胁是否存在、威胁的方位,甚至可以确定威胁物的杀伤力,使操作者可采取有效的回避行动或自动启动对抗措施。
伪装抑制及屏蔽系统是将目标混于背景之中,减小或消除了威胁物对目标的探测捕获能力,是一种较好的被动对抗手段。
主动红外对抗系统采用主动的辐射器(激光器、弧光灯或由燃料燃烧发热的腔体使导引头产生伪制导控制命令,使导弹偏离目标。
由于激光系统在军事上的应用,使各种光学传感器甚至人眼受到激光的威胁,光学与传感器的保护问题亦显得很重要,需要在武器光电系统设计时予以综合考虑。
遮挡对抗系统是利用辐射通过遮挡介质时被吸收和散射的原理,在敌我双方之间设置屏障,主要是烟幕弹,使目标得到隐藏或伪装。
消耗性诱饵是红外对抗系统中不可或缺的重要组成部分,诱饵弹属有源光电干扰,由传感器感知威胁和报警后采取对抗措施,是一种有效的诱骗技术。
3 诱饵的技术特点及发展趋势3.1 研制诱饵弹须考虑的几个关键技术指标1峰值强度。
诱饵弹必须在威胁物的全波5弹出速度。
诱饵在某方向上被弹出,并在此方向上产生符合跟踪器能力及目标可信度的最大角分离速率。
6气动特性。
主要是由诱饵的空气动力学特性及释放时的相对风速决定的。
另外,静态测试的主要目的是:
在诱饵开发过程中提供一种基本的可重复的性能比对测试方式,以便早期发现问题,改进诱饵性能。
通常情况下,诱饵的动态辐射特性与静态特性是不同的,由于气流的影响,诱饵动态辐射强度约是静态时的十分之一。
因此,飞行试验对验证诱饵弹的飞行特性、弹道特性及辐射有效性等非常重要。
3.2 发展趋势消耗性诱饵是一种由化学或烟火反应所形成的很高强度的辐射源,一般含有Mg粉,由此产生氟化镁或氧化镁,可使在中红外波段的CO2和H2O频谱上产生较强的信号。
但由于大气传输特性的影响,会消弱某些特征波长。
一般来说,要求诱饵比被保护的目标更小、更亮和更便宜。
但是,某些导弹能够鉴别出具有与被攻击作战系统不相符的高温光谱分布目标,或根据目标的实际尺寸、形状、方位及速度等鉴别出诱饵。
这样,诱饵的研制就需要针对威胁物的制导原理及工作方式来确定其新的技术性能指标,可以在诱饵弹上加装火箭发动机及金属尾翼稳定系统等。
另外,红外诱饵在保护舰船免受反舰导弹攻击方面的优势也已得到了国际社会的普遍承认。
在舰载对抗红外制导反舰导弹的曳光子母式火箭弹中可装填一百多枚不同大小的红外曳光子弹,在火箭飞行过程中顺序抛出,形成模拟舰队的诱饵烟云。
目前,某些发达国家正在积极开展用于弹道导弹及空间系统的各类诱饵,以及红外干扰技术方面的研究评估工作。
参考文献[1] DavidH.Pollock.TheInfrared&Electro2ti2OpcalSystemsHandbook[M].(下转第40段内具有大于目标的辐射强度。
2起燃时间。
诱饵弹在离开导引头视场之前,必须达到其有效的光辐射强度,在零点几秒之内达到有效辐射强度。
但是,某些导弹导引头可以将信号电平的迅速增长判断为有诱饵干扰的证据,并采取相应的对抗措施。
因此,诱饵设计者必须采取反对抗措施。
3光谱特性。
大多数诱饵是化学发热源,按黑体或灰体特性辐射,与目标光谱特性不太相同。
因此,可采取选择辐射材料作为诱饵的辐射剂,以便模拟目标的光谱辐射分布特征。
4作用时间。
一般来说,诱饵燃烧的持续时间越长越好,以确保目标不被重新捕获。
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上为一些小点,这样可提高相片处理数据的精度。
2 系统控制软件计使用要求。
该系统同以往的控制系统相比具有以下优点:
・系统模块化结构使系统硬件结构简单,控制灵活,有很强的适应性。
・友好的人机界面,可方便操作。
・系统小型化,适应野外试验,减少人工强度。
・电路集成化,提高了系统的可靠性。
参考文献控制软件采用C语言编程。
在BorlandC++环境下开发的控制软件由主程序、液晶点阵显示程序、中断服务程序、数据采集测速程序等组成,采用模块化结构程序设计。
控制软件完成相机摄影控制参数的预置与显示,电机调速、测速、反转运转、正启动停止控制,完成快门和闪光灯的控制、胶片时标打印、台号批号打印等功能。
控制软件流程如图3所示。
3 结束语[1] 朱震莲主编.现代调速系统[M].南京:
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西安电子科技大学出版社.[3] DIGITAL2GIC.PC104MSM386SVSNLOTECHNICALUSER’SMANUAL.EMBEDDEDPC104BASEDSLITPHOTOGRAPHICONTROLSYSTEMC1112KANGShe2feng,SUNWei2ing,ZHANGXiao2ling,CHENJiep(1.TheInstituteof203OrdnanceIndustryChina,Xian710065,China;2.XianNorthIncofOptic2communication,Xian710100,China.Abstract:
TheoperationprincipleofslitphotographiccontrolsystemwithPC104asplatformisintroduced,thehardwarestructureofthecontrolsystemandthemethodofsoftwaredesignaregiven.Keywords:
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国防科技大学出版社.THERADIIATONCHARACTERISTIOFINFRAREDDECOYCSANDTHEACTIONINELECTRO-OPTICALCOUNTEREASURESYSTEMSMWANGJun,GAOJiao2Bo,MALing,JIGPengAN(XianInstituteofAppliedOptics,Xian710065,ChinaAbstract:
Theradiationcharacteristicsofinfrareddecoyandtheactioninelectro2ticalcountermeasuresystemisopintroducedinthispaper.Thecurvesofspectralradiationcharacteristicsandtiecharacteristicsaregiven,andin2mfraredradiationcharacteristicsandthedatatablestotwokindsofinfrareddecoyaregiven.Alsoattheendofthepaperwediscussthedevelopingtrendofinfrareddecoy.Keywords:
infrareddecoy;infraredradiation;spectralcharacteristics;atmospherictransission;seeker;electro22mopticalcountermeasure.40
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