激光半主动制导

信息H程激光制导武器半实物仿真系统的分析与实现刘聪，张洋（中国飞行试验研究院，陕西西安，710089）摘要：首先，对于激光制导武器半实物仿真系统的设计是建立在激光制导弹药的背景下，阐明了激光制导武器半实物仿真系统的实验目标与内容，并介绍了激光制导武器的功能定位以及组成架构；其次，在室内半实物仿真环境下，基于激光制导武器中引导头的光学特性及制导与控制原理，设计出激光制导武器半实物仿真系统架构；最后，设定两种初始条件，进行仿真实验对比，查证结果显示建立在该导引头及角速率陀螺的控制系统上，能够使激光制导武器的精准度得到进一步提升。

关键词：激光制导；半实物仿真；精准度；光学特性0引言半实物仿真系统是用于弹上部件引入仿真回路，并为其模拟出真实的应用场景的仿真方法，除实物外，以数学模型进行仿真。

半实物仿真系统能够有效解决建模困难的问题，且具备较高的仿真置信度，能够为技术决策提供丰富可靠数据资源。

因此，半实物仿真方法是激光制导武器系统设计与开发中必要的性能评价手段与建造工具，科学应用于系统的设计、研制、评估等各个阶段。

目前，全球科技与军事力量都在不断强化，对于制导武器的开发水平也随着仿真技术的发展而快速提升，为提升我国武器装备的仿真实验技术，必须针对激光制导武器的半实物仿真平台进行科学研究与战略开发。

1制导系统半实物仿真试验的目的和内容对激光制导武器进行半实物仿真试验是为了利用仿真打靶的手段，将对弹的激光制导武器的制导部件与各部系统性能进行考核，保证制导精确度与系统动态性能，为激光武器的性能评判提供数据依据。

关于稳定回路，关键是对自动驾驶仪中所涉及到的惯性器件与控制电路进行考核，关于舵机回路，关键是对其静态与动态特性对激光制导系统精准度与性能产生的影响进行考核；关于引导回路，关键是对导引头上的探测器进行非线性特征检测与目标跟踪特性检测，以此保证激光制导武器动态性能的质量与精准度的控制。

制导武器半实物仿真系统的展开依据是按照由开环至闭环、由部分至整体、由小回路至大回路的标准E。

激光制导武器半实物仿真系统的分析与实现摘要：半实物仿真系统是用于弹上部件引入仿真回路，并为其模拟出真实的应用场景的仿真方法，除实物外，以数学模型进行仿真。

半实物仿真系统能够有效解决建模困难的问题，且具备较高的仿真置信度，能够为技术决策提供丰富可靠数据资源。

目前，全球科技与军事力量都在不断强化，对于制导武器的开发水平也随着仿真技术的发展而快速提升，为提升我国武器装备的仿真实验技术，必须针对激光制导武器的半实物仿真平台进行科学研究与战略开发。

关键词：激光制导；半实物仿真；精准度；光学特性1制导系统半实物仿真试验的目的和内容对激光制导武器进行半实物仿真试验是为了利用仿真打靶的手段，将对弹的激光制导武器的制导部件与各部系统性能进行考核，保证制导精确度与系统动态性能，为激光武器的性能评判提供数据依据。

关于稳定回路，关键是对自动驾驶仪中所涉及到的惯性器件与控制电路进行考核，关于舵机回路，关键是对其静态与动态特性对激光制导系统精准度与性能产生的影响进行考核。

制导武器半实物仿真系统的展开依据是按照由开环至闭环、由部分至整体、由小回路至大回路的标准。

激光制导半实物仿真系统试验内容及步骤如图1所示[1]。

图1激光制导半实物仿真试验流程2激光制导武器半实体仿真系统功能及组成2.1半实物仿真系统半实物仿真，顾名思义是指在仿真试验系统的仿真回路中将部分模型用真实物理实物代替的仿真，也被称之为硬件在回路的仿真。

单纯地采用数学仿真一般会带来诸多的不便，这是因为大多数系统并不是孤立工作而是与其他系统协同开展工作，因此要想准确的建立数学模型具有一定的挑战，如激光导引头在近场条件下工作的从目标运动的激光传输特性到导引头输出的数学模型都很难准确建立。

与纯数学仿真中的完全建模不同，半实物仿真巧妙地规避了难以准确建模这个难题，同时也使仿真环境得到更高真实度的改善[2]。

激光寻的制导半实物仿真试验可以全面检验制导控制系统的动态特性和系统稳定性，考察制导律参数设计在各种干扰条件下的正确性和鲁棒性，最终考核制导武器在激光模式下的落点精度。

漫谈“红土地”激光制导炮弹使用远程火炮准确打击坚固工事和移动点目标，一直是困扰炮兵部队的技术难题。

从二战时期到上世纪七十年代，常规身管火炮的距离公算偏差都在1/200～1/300之间，方向公算偏差也在1密位左右【注1】，由于目标定位误差和弹丸散步误差的存在，炮弹在20公里射程上，实际弹着点很可能会偏离目标50～100米，要想打出理想精度，就必须使用足够多的弹药，或者反复校射来提高命中率。

二战时期的经验也表明，远程火炮对点目标的命中率只有2%，使用常规弹药远距离精确打击点目标无异于天方夜谭。

随着激光技术、电子技术的发展，使古老的身管火炮焕发了活力，精确制导炮弹应运而生，通过在弹药系统中引入制导技术，排除了人工操作和射弹散布的偏差，使火炮的射击精度有了质的飞跃，常规火炮开始具有远距离首发命中和有效摧点目标的能力。

1979年美国研制出M712式155mm“铜斑蛇”激光制导炮弹，苏联也不甘落后，随后推出以“红土地”（Краснополь/Krasnopol）为代表的制导炮弹，以及9K116“堡垒”(Бастион/Bastion)为代表的炮射导弹。

“红土地”制导炮弹由苏联著名的图拉仪表设计局（KBP/КБП）荣誉出品，仪表设计局1921年成立于图拉市，全称为“国立单一制企业—仪表设计局”（Государственноеунитарноепредприятие«Конструкторскоебюроприборостроения»），由1400多个军工企业组成，苏联最大的国防工业托拉斯之一，也是精确制导武器的最大研制和生产单位，苏军大部分枪炮、导弹都出自该设计局的手笔。

仪表设计局这个称呼跟中国国内很多兵工厂叫某某机器厂、某某工具厂一样很低调,从字面并不能看出这个企业是干什么的。

图拉仪表设计局从70年代开始，先后共研制了5种激光制导炮弹，分别是：红土地（Краснополь/Krasnopol）、厘米（Сантиметр/Santimetr）、勇敢者（Смельчак/Smelchak）、基托洛夫（Китолов/Kitolov）-2、基托洛夫（Китолов/Kitolov）-2M、红土地M（Краснополь-М/Krasnopol-M），其性能参数如下表所示：红土地Kr asno pol红土地-MKrasnopol-M基托洛夫-2/2MKitolov-2/2M米尺Santimetr勇敢者Smelchak武器系统型号2K252K25MKM=32K241K113弹径（mm）152155120/122152240配属火炮D-20牵引火炮西方制式155诺娜120mm152mm牵引火2S4式240mm自行迫击炮或2S3式、2S1 9式自行加榴炮mm榴弹炮迫榴炮、D30榴弹炮、120mm迫击炮炮或自行加榴炮弹长（mm）1300955122511951635质量kg全备弹54325/2749.5134.2 战斗部20.5210/27232装药6.365.0/5.56 32战斗部类型杀伤爆破杀伤爆破杀伤爆破杀伤爆破杀伤爆破等效TNT当量（kg）8 8 68.532射程（km）2最大17，可提高至209/122～8/6.5～12（3БОФ63装药）3.6～9.2制导状态初始段制导方式弹道飞行无制导弹道飞行无制导弹道飞行无制导弹道飞行无制导弹道飞行无制导弹道中段制导方式惯性制导惯性制导惯性制导惯性制导惯性制导弹道激激激激激光半主末段制导方式光半主动寻的光半主动寻的光半主动寻的光半主动寻的动寻的寻的制导时间（秒）0.1～30.1～30.1～30.2～30.1～3激光目标指示器/测距机型号1D15法制DHY3071D151D15/1D21D15/1D20质量（kg）6≤8660/3060/30 照射距离（km）5～77 70.2～5.00.2～10照射时间（秒）6～156～156～153 6～15测距精度（米）5～755～75 5同步装置型号1A351A351A351A35AK/1A35I1A35AK/1A35I质量282220装备现状已装备外销外销已装备已装备红土地152毫米制导炮弹红土地155毫米制导炮弹（前端是保护鼻锥）红土地-M制导炮弹红土地M使用的法制DHY307激光照射/测距机基托洛夫120毫米制导炮弹勇敢者240毫米制导炮弹2K24厘米152mm激光制导炮弹系统所使用的30F35炮弹，它与红土地的区别是没有火箭增程发动机。

第28卷 第3期2007年9月制 导 与 引 信GUIDANCE &FUZEVol.28No.3Sep.2007文章编号:1671-0576(2007)03-0010-06激光制导技术发展概述陈世伟(第二炮兵工程学院三系,陕西西安710025)摘 要:介绍了激光制导技术的发展与现状,针对激光制导技术在高精度制导武器中的应用,结合激光干扰技术的发展及其对激光制导的影响,总结了激光制导技术的优缺点,展望了激光制导技术的发展趋势。

关键词:激光;制导武器;半主动寻的制导;控制系统中图分类号:TJ765.3 文献标识码:AA Review on the Development of Laser Guided TechnologyC HEN Shi -wei(3nd Dep.of Second Artillery Engineering University,Xi .an Shaanxi 710025,C hina) Abstract :The development and situation of laser guided weapon are introduced.With the application of laser guided technology in high accuracy guided weapon,and the effect of the laser antijam ming tec hnology to laser guided weapon,the advanta ge and disadvantage of laser guided technology are summed up.The development tendency of laser guided technology is prospected.Key words :laser;guided weapon;sem-i active homing guidance;control system收稿日期:2007-06-29作者简介:陈世伟(1979-),男,硕士,主要从事导航、制导与控制的研究。

激光原理论文**：***学号：2014326690014班级：应用物理（1）班指导教师：楼益民2016年11月制激光在军事国防中的应用摘要自从进入21世纪以来，科学技术的不断发展催生了一批批的高新技术产业，使得军事界发生了一场重大的军事变革，从近年来爆发的现代高科技局部战争可以看出：军队逐渐在由“体能型”向“智能型”的方向发展；由纯粹的兵器对抗向作战体系之间的对抗的方向发展；由单纯的防守型向攻防兼并型方向发展；由临空、近距离作战向防区外远距离作战发展，因此未来的战争对制导武器的发展提出了更高的要求：必须建立完善的作战系统，具备在复杂的气象和电磁环境条件下以及在更远的射程上对不同目标精确打击能力[1]。

激光武器作为20世纪重大发明之一，自1960年首次问世以来，经过半个世纪的发展，科学家不断地攻关克难，最终激光技术从原理、实验手段到制备工艺系列流程日趋成熟，发展极为迅猛，并且为科学技术进步与经济发展做出了极大的贡献[2]。

作为一门新颖的科学技术，其发展之快已经渗透到了各个领域，对物理学、化学、生物学、医学、工艺学、园艺学以及检测技术、通信技术、军事技术等都产生了深刻的影响。

众所周知，重大的科技成果首先是应用于军事，而激光技术也不例外，其军事应用效果显著，在雷达侦查、激光测距、定向能武器、导弹制导、航空航天、电子对抗、激光隐身、激光通信等方面的应用使得军队智能化程度大幅提升，同时信息战争也站上了历史的舞台。

回望过去十几年间发生大大小小的局部战争可见，国防建设中军队信息化发挥了巨大的作用，在战况紧急的战场上能否迅速准确地获取敌人的信息是决定胜败的关键。

基于科索沃、越南、海湾等现代战争中美国军队的表现和经济实力，我国逐渐加快了军队现代化的进程，促进军队智能化，更具机动性和应变性。

结合国内外的激光军用状况作了一些报告，并对激光的军事应用前景作了分析。

关键词：激光技术激光制导干扰对抗国防军事发展前景引言科技发展迅猛的时代，任何高新技术的应用首选舞台都离不开军事领域，激光器等技术均已日趋成熟，激光日益受到各大军事强国的重视，并且有望成为未来军事技术发展中最为活跃的领域之一。

激光方向性好的原因激光产生原理：一个原子从高能阶降到低能阶时，会放出一个光子，叫做自发放光。

原子在高能阶时受到一个光子的撞击，就会受激而放出另外一个相同的光子，变成两个光子，叫做受激放光。

如果受激放光的过程持续产生，则所发出来的光子便会越来越多。

只要我们把高能阶的原子数量控制在高于低能阶的原子数量，那么受激放光的过程就会持续产生，这种控制原子受激放光的装置我们称它为“光放大器”。

我们也知道，光线发射出去时是以光速朝各个方向前进的，为了让产生的光线能够被收集起来并持续放大加以利用，则必须利用叫做「共振腔」的设备，把由光放大器所产生的光线用反射镜局限在一个特定的范围内，让光线可以来回反射，且由于光放大器所产生的光子是相同的，所以行进的方向也会相当一致。

透过共振腔的作用，能让光线行进的方向完全相同，也就是说拥有跟共振腔相同方向的光线才会被放大，其余不同方向的光线都不会放大，而不符合放大条件产生的受激辐射光子，会很快被率减吸收掉，只有符合放大条件的光子，因为谐振而增加，产生了类似核裂变的连锁反应，从而消耗了已经产生的绝大多数亚稳态电子，并抑制其它方向受激辐射发生。

因此在激光设备开启初期，受激辐射并没有先天性的在某个方向具备优势，只是在谐振发生后，符合放大谐振条件的光子数占据了优势，每一个亚稳态电子一旦形成，它遇到谐振方向的诱导光子的机会比遇到非谐振方向诱导光子的机会高很多，从而排挤了非谐振方向受激辐射的“生存空间”。

这是产生激光的首要条件。

由以上激光产生的原理可知，激光方向性好的主要原因在于共振腔的反射作用，由于被反射的光线是与共振腔相同方向的，并且，只有这样的光线才会别放大从而在激光器中产生激光。

所以，激光的方向性特别好，特别一致。

已知激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。

应用：A 测量激光测距仪：激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。

第４３卷第６期２０２１年１２月指挥控制与仿真ＣｏｍｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ＆ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＶｏｌ ４３㊀Ｎｏ ６Ｄｅｃ ２０２１文章编号：１６７３⁃３８１９（２０２１）０６⁃００４１⁃０５海洋环境对激光制导炸弹的影响分析帅㊀欢，张㊀婷，罗艳伟，闫㊀妍（湖南云箭集团有限公司，湖南长沙㊀４１００００）摘㊀要：为了解海洋环境对激光制导炸弹的影响，从激光制导炸弹半主动制导体制及其工作原理出发，分析了海洋环境中目标特性㊁背景环境中的海面反射／散射㊁海情㊁海浪，以及气候环境中的风速及影响能见度的因素，得出上述因素对激光传输与接收㊁目标搜索与识别㊁炸弹的作用距离和命中精度均有一定程度的影响㊂针对上述影响及比对海陆环境差异性，对影响较大的几种激光导引头性能指标，包括作用距离㊁盲距㊁抗太阳夹角㊁抗目标丢失能力等提出适海性试验测试需求，为正确指导激光制导炸弹海洋作战提供理论依据㊂关键词：激光制导炸弹；海洋环境；背景环境；适海性中图分类号：Ｅ９３２ ３㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃３８１９．２０２１．０６．００７ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＭａｒｉｎｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｎＬａｓｅｒＧｕｉｄｅｄＭｉｓｓｉｌｅＳＨＵＡＩＨｕａｎ，ＺＨＡＮＧＴｉｎｇ，ＬＵＯＹａｎ⁃ｗｅｉ，ＹＡＮＹａｎ（ＨｕｎａｎＶａｎｇｕｒｄＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｍａｒｉｎｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｎｌａｓｅｒｇｕｉｄｅｄｍｉｓｓｉｌｅ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｍｉ⁃ａｃｔｉｖｅｇｕｉｄａｎｃｅｓｙｓ⁃ｔｅｍａｎｄｉｔｓｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｌａｓｅｒｇｕｉｄｅｄｍｉｓｓｉｌｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｔａｒｇｅｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｍａｒｉｎｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｓｅａｓｕｒｆａｃｅａｎｔｉ／ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｉｎｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｓｅａｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｗａｖｅ，ｗｉｎｄｓｐｅｅｄｉｎｃｌｉｍａｔｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｆａｃ⁃ｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｏｂｔａｉｎｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅａｂｏｖｅｆａｃｔｏｒｓｏｎｌａｓｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｒｅｃｅｐｔｉｏｎ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｍｉ⁃ａｃｔｉｖｅｇｕｉｄａｎｃｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｌａｓｅｒｇｕｉｄｅｄｍｉｓｓｉｌｅ，ｔａｒｇｅｔｓｅａｒｃｈａｎｄｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒａｎｇｅａｎｄｈｉｔａｃ⁃ｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｍｉｓｓｉｌｅａｒｅａｆｆｅｃｔｅｄｔｏａｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｔ．Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅａｂｏｖｅｅｆｆｅｃｔｓａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｅａａｎｄｌａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅｓｅａｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｔｅｓｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｓｅｖｅｒａｌｌａｓｅｒｓｅｅｋｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｒａｎｇｅ，ｂｌｉｎｄｒａｎｇｅ，ａｎｔｉｓｕｎａｎｇｌｅ，ａｎｔｉｔａｒｇｅｔｌｏｓｓａｂｉｌｉｔｙ，ｅｔｃ．，ｗｈｉｃｈｈａｖｅａｇｒｅａｔｅｒｉｍｐａｃｔ，ｓｏａｓｔｏｐｒｏｖｉｄｅａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｃｏｒｒｅｃｔｌｙｇｕｉｄｉｎｇｔｈｅｓｅａｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｇｕｉｄｅｄｍｉｓｓｉｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｇｕｉｄｅｄｍｉｓｓｉｌｅ；ｍａｒｉｎｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｓｅａｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ收稿日期：２０２１⁃０６⁃０４修回日期：２０２１⁃０７⁃１９作者简介：帅㊀欢（１９８９ ），女，湖南益阳人，硕士，工程师，研究方向为复杂系统建模与仿真㊂张婷（１９９７ ），女，助理工程师㊂１㊀概述激光制导炸弹以其较高的制导精度㊁较优的效费比㊁较强的抗干扰能力等优点，成为现代战争中一种重要的空对地精确制导武器［１］，受到了各军事强国的重点关注，成为夺取制空㊁制海权的主要武器㊂随着我国建设 海洋强国 战略的确立，对海上军事力量提出了更高的要求㊂为实现国家的海洋发展战略，必须依靠强大的海上力量做后盾，而海上军事活动的实施以及现代化武器装备的研制和使用，都离不开对海洋环境的研究分析㊂目前，我国已装备的各种型号激光制导炸弹均能够实现对陆地目标的精确打击，而如何让激光制导炸弹更好地适应海上作战，发挥其最大的作战效能，成为目前急需解决的关键问题㊂本文根据激光制导炸弹的工作原理，分析海洋环境中影响激光制导炸弹作战使用的多种因素，并针对激光导引头适海性问题，对相关重要性能指标提出更高要求，为更加有效使用激光制导炸弹㊁提高命中概率提供理论支撑㊂２㊀激光制导炸弹工作原理激光导引头的工作波段为１０６４ｎｍ，属于短波红外，接近可见光㊂激光制导炸弹工作时一般使用半主动制导体制［２］㊂工作时，需要激光照射器将激光束投射到目标上，具有特定编码的激光脉冲在目标表面会产生反射，形成激光回波信号，其中，一部分激光回波信号被激光半主动导引头视场接收，经过导引头探测系统和信息处理系统的处理，传送至控制系统并形成制导信号，控制炸弹舵面偏转，以此来不断修正弹体航向及姿态，直至准确照射目标㊂激光指示器主要工作在中㊁末制导过程中㊂中制导照射指示目标，便于让导引头识别并捕获目标，末制导照射便于导引头跟踪目标，整个过程须保证激光束照射目标并使光斑稳定在固定部位，防止反射光束被遮挡且能量满足导引头入瞳最小的需求，以此保证导引头的正常接收［３］㊂. All Rights Reserved.４２㊀帅㊀欢，等：海洋环境对激光制导炸弹的影响分析第４３卷如图１所示激光照射分为地面照射和本机照射㊂地面照射仅能在与目标相对距离较近的区域作用，是一种借助于激光照射器对目标进行近距离照射指示的方式；本机照射则是以载机光电吊舱为依托，由载机完成对目标的搜索和识别，并指示炸弹对目标进行打击［４］㊂本机照射投放方式，方便快捷，潜力大，但对载机装备吊舱有要求㊂另载机执行投放炸弹操作后，须对目标进行持续稳定照射，这就要求载机须在适当机目距离处对目标持续稳定照射，而载机滞留的将会增加其安全风险隐患㊂故选择何种照射方式与作战方式㊁作战环境㊁目标特性及炸弹性能等息息相关㊂图１㊀激光制导炸弹工作方式３㊀目标特性分析激光制导炸弹应用于海战场作战一般适配于舰载机㊂舰载机对恶劣海情的适应能力使之成为海上作战的主力军㊂海战场环境中，目标不仅包括海上目标，还包括敌海军基地㊁港口㊁码头等海岸目标，以及靠近沿海的岛屿岛礁的防御工事等军事目标㊂海上目标包含航空母舰㊁导弹护卫舰㊁导弹驱逐舰㊁巡航舰㊁小型快艇㊁两栖登陆艇等水面舰船和潜艇类水下舰船㊂除激光外，雷达㊁红外㊁可见光及声呐等也是常用的海上目标探测手段㊂衰减过大导致的传播距离受限是电磁波和光波适应水下作战的主要不利因素［５］，水声信号是水下目标探测最有效的方法，而雷达㊁红外㊁激光等探测手段多用于水上探测㊂导引头接收到的目标反射激光信号能量大小主要与舰船等目标反射能力特性㊁激光照射器照射能量大小㊁大气衰减等因素有关［６］㊂目标材质不同导致对激光束反射率不同㊁目标与背景的对比度不同导致导引头对目标的识别速率不同，都将对导引头识别捕获跟踪目标效率产生影响，从而对炸弹命中率产生直接影响［７］㊂目标的材质决定其光辐射特性，材料不同，光辐射性能也会不一样㊂一般根据材料反射率将物体分为白体㊁黑体㊁灰体三类㊂白体可将其定义波段光能完全反射，即反射率为１，吸收率为０；黑体与白体相反，可将其定义波段光能完全吸收，即反射率为０，吸收率为ｌ；灰体介于白体与黑体的中间特性，其吸收和反射幅度随物体的材料㊁表面的状态和它所处的环境不同而变化［８］㊂本文研究的海上目标，如舰船，基本可视为灰体，其表面对激光的反射性能呈余弦辐射特性，如图２所示㊂图２㊀灰体的漫反射特性４㊀背景环境的影响海洋本身及其相关的海峡㊁海岛和沿海陆地共同构成了海洋背景环境㊂激光半主动制导体制采用照射与接收系统分离的模式，若其通路中光程受到外界因素阻挡或干扰，将会直接影响炸弹打击效能㊂激光制导炸弹实现有效打击需满足传输和接收都不受阻的条件，而海洋环境中海面反射㊁散射㊁海浪㊁海杂波以及气候环境等都将对激光的传输或接收产生影响，必须深入分析其影响因素㊂４ １㊀海面反射㊁散射海面对激光及阳光的部分漫反射和散射都会形成背景干扰信号，影响武器的制导精度㊂当光束射向海水表面时，其在海平面的反射和折射与入射角有关，入射角为布儒斯特角（即入射角＋折射角＝９０ʎ）时，折射与反射比达到１７ʒ３，折射光最强，反射光最弱㊂这就对炸弹投放过程中激光照射器相对目标的照射方位提出了不能以布儒斯特角照射海平面目标的要求［９］㊂海面反射率除与入射角相关外，还与风速有一定的关联性㊂２０１７年，刘鹏等采用ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ统计方法对Ｊｏｎｓｗａｐ海谱进行模拟研究，得出 当风速较小时，与平面反射相似，反射光镜像于入射光，海面的粗糙度随着入射角的增大而增大，不平整的海面使反射光向各个角度散射，呈现出较为散乱的状态㊂另，当入射角较大接近掠入射的状态时，入射光线会因海浪的遮挡使反射光线呈漫反射状态似的四处发散 ［１０］㊂同时，风速增大导致的海面起伏增大，会遮挡部分入射光㊂因此，反射光呈逐渐向四周各个角度发射，且能量逐渐减弱的状态㊂国内有学者研究指出，海面的总反射率在入射角超过４０ʎ后，将会快速增大［１１］㊂. All Rights Reserved.第６期指挥控制与仿真４３㊀激光在海面传播，遇到与光波长相仿的固体颗粒，部分光会发生散射现象，从而使传播方向发生改变，但对能量大小并无影响，也就是说，海水散射改变的只是光场的能量分布而已㊂空军工程大学学者仿真实验得出以５３ʎ入射角为界，散射光强随入射角的增加呈现上开口抛物线趋势［１２］，光强先随角度增大而减小后随角度增大而增大㊂在研究海水对激光的散射特性时，要充分考虑不同区域㊁不同时间㊁不同水质对散射函数的影响差异，并结合具体实际情况，选择恰当的散射函数来进行模拟㊂海面反射㊁散射不仅对照射器提出了较高的要求，同时也将对导引头的性能产生影响㊂当导引头接收到起伏或受遮挡反射光线，会影响其作用距离及输出视线角速率精度等，由散射导致方向改变的光线被导引头接收后会增加其虚警率，进而影响整个制导武器命中精度㊂４ ２㊀海情㊁海浪海浪是一种随机粗糙界面，其表面粗糙度会随风速的增加而增大，同时将发生遮蔽效应，影响海浪对光束方向的反射率分布㊂据相关研究表明，海面风速较大时，风浪破碎会产生大量泡沫［１３］，且频繁的风浪破碎能持续产生泡沫㊂泡沫寿命在风速小于７ｍ／ｓ（３级海情）时随风速变化影响很小；在风速大于７ｍ／ｓ时，其寿命随风速增大而急速增加，而在风速大于１４ｍ／ｓ（６级海情）时会稍微减小并逐渐趋于平稳［１４］㊂究其原因，高风速极易导致泡沫扩散，故高风速下，泡沫寿命随着风速增加反而会减小㊂泡沫也具有反射激光的能力，其反射率大小与其厚度和激光波长有关㊂激光制导炸弹所使用激光波长为１０６４ｎｍ，工程应用上一般认为泡沫的反射率为０ ２２㊂海浪的波动会带动目标进行某种规律的运动，从而会增大炸弹获取目标点的位置信息以及导引头跟踪目标信息的难度，所以在对海作战中需要分析海浪波动对目标状态及导引头识别跟踪的影响㊂随机波动海浪是由大量随机变化的波面相互碰撞混合而形成，可根据海浪谱和线性随机海浪等相关理论，视实际海浪为不同频率㊁传播方向㊁波高㊁初始相位的正弦波相互叠加的结果［１５］㊂工程计算时一般使用有效波高，即所有记录的波高中由大到小，取其１／３大波波高的平均值［１６］㊂有效浪高ｈ与风速ｖ的关系如式（１）所示㊂ｈ＝４２ ６（０ ００７ｖ＋０ １６９ｖ－０ ５７８８）（１）海情的恶劣对制导炸弹控制系统稳定性提出了更高的要求，海浪的高低也会对目标造成不同时间㊁不同范围的遮挡，影响导引头对目标的捕获时间及跟踪效果㊂５㊀气候环境的影响气候环境中对战场效能的影响因子有很多，如大气环流㊁海洋洋流㊁地形地貌㊁太阳辐射等，而对激光制导炸弹的飞行状态及命中精度有较大影响的因素主要是风㊁雨㊁云㊁雾等大气物理现象㊂风能影响弹的飞行轨迹；雨㊁云㊁雾等则能降低战场能见度，进而影响激光传播及能量衰减，缩短其作用距离，降低炸弹的命中概率㊂５ １㊀风速风速对激光制导炸弹命中率和攻击区有重要的影响㊂它作为矢量，既有大小也有方向，通常将风速以炸弹速度方向为参考，分为垂直和平行风，即所谓的顺逆风及阵侧风㊂顺逆风将会使炸弹在飞行过程中产生攻角，引起升阻力变化；阵侧风将会使炸弹在飞行过程中产生侧滑角，引起侧向力变化，两者的变化将对炸弹的飞行速度㊁方位㊁距离产生影响㊂非均匀风速对各飞行参量都将产生影响，其中影响最为明显的是飞行方位角㊂５ ２㊀雨㊁云㊁雾等烟幕弹释放的烟幕㊁弹丸爆炸产生的硝烟尘土和云雨冰雹等天气状况，都将会对战场上的能见度产生影响㊂海洋环境中，雨㊁云㊁雾等气候环境因素则是主要影响能见度的气候因素㊂本文中目标的能见度是以激光为对象论述的，也就是激光的透射率极大地影响激光的传输距离及激光导引头的性能㊂其照射器与目标㊁载机与目标以及炸弹与目标通道上，若能见度低，照射激光透光率很低，能量衰减过快，照射目标后经过反射再衰减，到达导引头入瞳处的能量若无法满足导引头入瞳要求，则激光制导系统将无法正常工作，影响制导炸弹作战使用㊂大气衰减与气溶胶类型及能见度密切相关，这两个参数取决于地域和气候㊂海盐气溶胶是海洋气溶胶的主要成分［１７］，其对１０６４ｎｍ激光的衰减要大于内陆㊂海洋环境会增加激光在大气传输中的衰减，进而降低激光导引头接收到的能量，直接影响导引头的作用距离㊂相对于内陆条件，在海洋气溶胶影响下，激光在大气传输过程中的衰减相对较大，激光导引头在海洋环境的作用距离小于陆地环境㊂我国近海，特别是东南沿海常年高温㊁高湿㊁高盐雾，虽较陆战场环境空气灰尘等构成的气溶胶较少㊁大气能见度相对较高，但高湿热导致的高浓度水蒸气含量也将会影响激光束的传输距离㊂标准晴天一般指大气能见度为２３ ５ｋｍ，相对湿度小于２０％的大气. All Rights Reserved.４４㊀帅㊀欢，等：海洋环境对激光制导炸弹的影响分析第４３卷状态［１８］㊂气象学上将标准大气能见度Ｖ定义为：对比度阈值取０ ０２时识别白背景上的理想暗物体的可视距离［２１］如公式（２）所示㊂Ｖ＝－ｌｎ（０ ０２）／β＝３ ９１２／β（２）其中，Ｖ为大气能见度，β为消光系数㊂目前，大气能见度探测最常用的两种方法：目测法和器测法㊂人工测量存在主观性且误差较大，气象观测及航空等实际应用领域以器测法为主㊂由公式（２）可知，大气能见度的关键是如何精确测量大气的消光系数β㊂目前，美国Ｂｅｌｆｏｒｔ公司㊁Ｎｏｖａｌｙｎｘ公司及ＨＳＳ公司，芬兰Ｖａｉｓａｌａ公司在能见度探测器这块引领国际先进水平，国内的长春气象仪器研究所及凯迈测控有限公司在该技术领域也发展迅速㊂激光在大气中的衰减与很多因素有关，其中，最主要的因素是激光强度㊁激光波长㊁大气结构㊁传输距离等㊂激光在大气中传输的透过特性由朗伯⁃比尔定律确定［１９］，由该定律可知，当激光的波长固定时，激光大气透过率只与大气能见度有关，通过对海洋大气的具体参数实际测量，最终拟合可以得到激光大气透过率的经验公式㊂具体到海战场环境中，１０６４ｎｍ激光的大气传输透过率一般通过经验公式（３）来计算：τＡ＝ｅｘｐ（Ｋ㊃Ｒ㊃ｅｘｐ（－０ ８３５ｈ）－１）／（Ｖ㊃ｈ）（３）式中各变量含义如下：τＡ为大气透过率；Ｋ为气溶胶系数；Ｒ为激光大气传输距离；ｈ为导引头接收高度；Ｖ为大气能见度，如公式（２）所示㊂激光导引头接收目标反射的激光脉冲，导引头入瞳的激光回波能量密度可以通过公式（３）来衡量㊂Ｅｉｎ＝ＥＴ㊃τＤ㊃τＲ㊃ρ㊃ｃｏｓ（φ）π㊃Ｄ２（３）式中，各变化量含义如下：Ｅｍ为导引头入瞳的回波能量密度；ＥＴ为照射器的脉冲能量；τＤ为接收路径上的大气透过率；τＲ为照射路径上的大气透过率；ρ为目标漫反射率；Ｄ为导引头距离目标距离；φ为弹目视线与靶面法线夹角㊂根据导引头所需入瞳的激光回波能量密度及上述公式，可知作用距离㊁激光照射器能量㊁大气透过率等之间的关系㊂大气能见度的高低直接影响照射系统激光探测距离及导引头捕获距离的远近，从而对投放准备时间及捕获概率产生影响［２０］㊂６㊀激光导引头适海性分析针对激光制导炸弹在海洋环境下使用要求及海环境与陆环境的差异性，需对激光导引头的适海性进行分析㊂工程上往往通过试验的方法测试激光导引头适海性指标，为激光制导炸弹在海洋环境条件下的使用提供支撑㊂激光导引头的作用距离受限于照射器能量㊁照射和接收路径上的大气衰减㊁靶面漫反射率㊁接收距离和目视线与靶面法线夹角㊂海洋环境会增加激光在大气传输中的衰减，进而降低激光导引头接收到的能量，直接影响到导引头的作用距离；随机波动的海浪对目标会造成不同时间长度的遮挡，无法稳定照射目标，导引头就会丢失目标，对导引头抗目标丢失能力提出了较高的要求㊂激光与可见光波段接近，阳光对导引头的直接照射以及海面反射㊁散射回的部分光信号，都将干扰导引头捕获激光信号，势必对导引头抗干扰能力提出了更高的要求㊂海面作为一种特殊的光学环境，顺光㊁逆光㊁不同太阳天顶角都与激光制导炸弹的使用密切相关，阳光辐射主要考虑太阳光线以平行光的形式照射到海面上这部分光线，遇到阳光干扰，特别是逆光射击目标时尤为严重，故对导引头抗太阳夹角能力，即激光导引头能够正常跟踪目标的最小太阳夹角提出了更高的指标要求㊂针对上述要求，须对激光导引头作用距离㊁盲距㊁抗太阳夹角㊁抗目标丢失能力等受环境影响较大的指标，进行适海性试验分析，以此全面考核导引头的性能㊂图３激光导引头性能测试时设备布局图，通过调整激光器能量，以及导引头与靶标，激光照射器与靶标以及光斑监测仪之间的距离与角度，能将导引头适海性相关指标进行测量，可为后续指导作战提供数据支撑㊂图３㊀导引头系统性能测试设备布局图７㊀结束语综合上述分析，可以得到如下结论：１）海洋环境中目标对激光反射率越强，激光回波信号越容易被导引头识别㊁捕获；. All Rights Reserved.第６期指挥控制与仿真４５㊀２）海面对激光／阳光的反射㊁散射会形成背景干扰信号，影响导引头对激光的接收，需根据反／散射率选取合适的激光照射角度及阳光入射角；３）风速能影响炸弹的飞行方位㊁速度及距离，在建模时应充分考虑海洋风速的大小，进行精确建模；４）海洋大气衰减远大于陆地，可根据文中公式建立海洋环境中的激光衰减模型，根据导引头入瞳处所需激光能量及衰减模型，指导激光照射器输出能量的大小；５）导引头适海性测试指标是相对陆战场环境有明显差异的指标，进行适海性试验测试更能精确掌握导引头在海洋环境中的实际作战性能㊂本文较为全面地分析了海洋环境对激光制导炸弹的影响，后续可对上述影响因素做深入研究，建立更加精确的模型，更好地为激光制导炸弹进行海洋作战提供指导㊂参考文献：［１］㊀高智杰，张安京，史国华．风标式激光导引头光电建模与仿真［Ｊ］．光电工程，２００７，３４（１）：４⁃８．［２］㊀鲍海阁．国外激光半主动寻的制导武器的发展［Ｊ］．舰船电子工程，２０１０，３０（５）：２１⁃２５．［３］㊀范俊峰，曾振华．战场环境对激光制导炸弹作战效能的影响研究［Ｊ］．机电信息，２０１５，３０（３）：１７０⁃１７１．［４］㊀徐海峰．机载对海搜索雷达目标检测和跟踪技术研究［Ｄ］．南京：南京理工大学，２００９．［５］㊀ＮａｔｉｏｎａｌＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｕｎｃｉｌ．ＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙａｎｄＭｉｎｅＷａｒｆａｒｅ［Ｍ］．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，Ｄ．Ｃ．：ＮａｔｉｏｎａｌＡｃａｄｅｍｙＰｒｅｓｓ，２０００．［６］㊀周文霞．激光半主动导引头信号处理系统的设计与实现［Ｄ］．南京：南京理工大学，２０１２．［７］㊀王礼，凌明祥，曾庆双，等．ＲＴＸ在激光制导炸弹半实物仿真中的应用［Ｊ］．红外与激光工程，２００６，２７（１）：７８⁃８１．［８］㊀唐同斌．一种基于激光回波制导的目标模拟方法研究［Ｄ］．南京：南京理工大学，２００４．［９］㊀刘鹏，等．海面对激光的反射特性研究［Ｄ］．青岛：中国石油大学，２０１７．［１０］谢悦，等．激光束海面散射建模方法与探测性能评估［Ｊ］．探测与控制学报，２０２０，４２（２）：３５⁃４０．［１１］杨希伟，等．海面对激光的方向反射率分布研究［Ｊ］．激光与红外，２００５，３５（８）：５５７⁃５５９．［１２］寇人可，等．基于机载激光探测的海面光散射特性研究［Ｊ］，激光杂志，２０１６，３７（３）：２２７⁃２３１．［１３］杨倩．卫星海色遥感中的两个前沿问题：海中气泡和垂直非均匀海洋光学［Ｄ］．青岛：中国海洋大学，２０１１．［１４］王新涛．复杂海况背景辐射特性对激光半主动制导空地导弹小目标射击的影响研究［Ｄ］．南京：南京理工大学，２０１４．［１５］齐宁，夏天，李文岩，等．基于Ｍａｔｌａｂ的三维海浪模型数值仿真［Ｊ］．电脑知识与技术，２０１３，９（９）：５７３７⁃５７３９．［１６］庞云峰，等．大气⁃海洋环境对舰载雷达探测效能的影响评估［Ｊ］．指挥控制与仿真，２００９，３１（２）：６５⁃６９．［１７］叶培培．南北极科学考察航线海洋含硫气溶胶的空间分布特征［Ｄ］．合肥：中国科学技术大学，２０１５．［１８］黄坤材．无线光传输在移动通信中的应用研究［Ｄ］．广州：华南理工大学，２００４．［１９］耿蕊，陈芳芳，吕勇．激光大气传输透过率影响因素研究［Ｊ］．激光杂志，２０１６，３７（１２）：１３⁃１７．［２０］姚跃民，等．基于大气能见度的激光制导炸弹武器系统作战使用性能研究［Ｊ］．航空兵器，２０１７（３）：７４⁃８０．［２１］张景伟，等．红外大气能见度：定义㊁算法及关键因素分析［Ｊ］．光学学报，２０１５，３５（１１）：１⁃８．（责任编辑：胡志强）. 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