對無人機光電系統機載干擾模式仿真分析

都元松，董文鋒，黎波濤，羅 威

（1.空軍預警學院，武漢 430019；2.解放軍93107 部隊，沈陽 110000；3.解放軍95763 部隊，西藏 日喀則 857000）

0 引言

美國某型高空無人偵察機自問世以來，多次飛抵我國東部沿海實施高空偵察，嚴重威脅我東部沿海重要目標的保密安全。該機種攜帶的機載任務設備主要有合成孔徑雷達偵察系統、光電偵察系統、電子偵察系統以及雷達告警、誘餌自衛系統等，偵察手段多，偵察精度高，威脅大［1］。為應對高空無人偵察機對我國沿海邊境及重點防護區域偵察，利用強激光干擾技術對高空無人偵察機光電偵察實施有源干擾［2-4］是一種有效的選擇。

實現對空中目標光電偵察系統的強激光干擾，前提是有效發現目標并進行實時跟蹤［5-7］。由于地對空偵察距離遠、目標小、大氣透過率低、信號特征弱，對于如何能夠進行有效的區域性防護是目前的一個重難點問題。利用機載干擾模式實現空對空強激光干擾高空無人偵察機光電偵察設備是目前較為有效的一種干擾手段，干擾機越高，大氣越稀薄，激光透過性越好，功率利用率高；并且距被干擾飛機近，且能夠在伴隨飛行中始終實施干擾，有效干擾時間長。本文就我方重點目標防護區域、高空無人偵察機光電探測距離、高空無人偵察機飛行高度以及干擾機飛行高度4 個因素進行了詳細的分析；通過模擬設定高空無人偵察機光電探測系統光飽和功率密度，給出了模擬仿真條件下最小干擾激光功率值。

1 機載干擾模式分析

機載隨隊干擾模式是利用一架或者多架干擾機，每架干擾機固定防護一個區域。我方可利用雷達等主動/被動探測設備對高空無人偵察機實現精確定位，確定其空間三維坐標位置、航向及速度，引導我方干擾機精確控制航線，包括我方干擾機高度、航速和航向等，使其能夠始終介于高空無人偵察機光電探測器和被保護的我方重要目標兩者連線之間，如圖1 所示。只要高空無人偵察機光電偵察設備對我重要區域實施偵察，我機載激光干擾設備就能保證激光束進入高空無人偵察機光電偵察設備的瞬時偵察視場，對其實施有效干擾。

圖1 機載伴飛干擾示意圖

1.1 高空無人偵察機航線模型

為分析簡便起見，假定高空無人偵察機沿我方重點防護區域一側直線飛行實施高空偵察。假設高空無人偵察機光電探測設備能視閾參數為：方位ω∈（75°～105°）和ω∈（255°～285°），Δω=30°；滾轉φ∈（-80°，80°），Δφ=160°；俯仰∈（-15°，15°），Δ =30°，如圖2 所示。

圖2 高空無人偵察機光電探測器偵察態勢圖

圖3 高空無人偵察機飛行航跡態勢圖

圖4 高空無人偵察機對地目標偵察態勢圖

1.2 干擾機航線模型

圖5 干擾機對高空無人偵察機實施跟蹤干擾態勢圖

1.3 空對空干擾部署帶模型

圖6 空對空干擾部署帶示意圖

1.4 機載干擾功率模型

為應對高空無人偵察機光電偵察，采取強激光干擾方式是目前較為有效的干擾方法，實施機載干擾最大難點是干擾激光光軸對準高空無人偵察機光電探測器，如下頁圖7 所示。其基本條件是干擾機發射出的干擾激光功率Pt大于高空無人偵察機光電探測器飽和閾值Pth，將被視為干擾有效。

圖7 機載干擾模式態勢圖

高空無人偵察機光電探測器接收干擾激光功率受以下幾個因素影響：干擾機發射功率Pt，激光發散角θ，干擾機距離高空無人偵察機光電探測器距離R，高空無人偵察機光電探測器口徑D，高空環境下大氣傳輸速率。

根據發散角指標，激光到達高空無人偵察機光斑面積為

光斑半徑為

高空無人偵察機光電探測器處的激光功率密度為

大氣傳播的光束不僅因吸收和散射現象而損失能量，同時也受到大氣湍流的影響。大氣湍流運動是由于太陽輻射和各種氣象因素所產生的大氣溫度的微小隨機變化所導致的大氣風速的隨機變化而形成。大氣溫度變化導致大氣密度的變化從而導致大氣折射率的變化。變化的累積導致大氣輪廓折射率廓形的明顯不均勻性，由此引起光束抖動、強度起伏、光束擴展以及像點抖動等大氣湍流效應。

大氣湍流對光束特性的影響程度與光束的直徑d 與湍流尺度m 的相對大小有關。當d/m＜＜1 時，湍流的主要作用是使光束產生隨機偏折；當d/m≈1時，湍流的作用是使光束截面發生隨機偏轉，從而形成到達角起伏，使光學系統接收時，在焦平面上出現像點抖動；當d/m＞＞1 時，光束截面內將包含許多湍流，各自對照射的那一小部分光束起衍射作用，從而使光束強度和相位在空間和時間上出現隨機分布，光束面積也在增加［8］，如圖8 所示。由以上分析可知高斯光束經遠距離傳輸可類比為均勻分布。

由于對光學輻射傳輸特性影響最嚴重區域是對流層，它集中大氣含量的80 %，也是產生大氣湍流最嚴重的區域。為避免因大氣影響而帶來的能量衰減，干擾機飛行高度應盡可能達到10 km 以上。在國產無人機中，從載荷能力、航速、飛行高度、滯空時間等條件，“翔龍”無人機具備裝載激光干擾器、伴飛干擾光電偵察系統的條件。

圖8 光束擴展示意圖

假設高空無人偵察機光電探測器飽和閾值為Pth，根據理論分析可知干擾機最小發射功率為

由于干擾激光達到高空無人偵察機光電探測器時成均勻分布，可得干擾激光光軸向四周最大偏離角θ1為

圖9 干擾激光光軸偏離角

2 仿真與數據分析

當高空無人偵察機對我方陣地實施高空光電偵察時，為確保我方陣地得到有效防護，采用空對空干擾方式，使得干擾飛機始終保持在高空無人偵察機和需要防護區域的連線之間。因此，空中將形成對高空無人偵察機實施激光主動探測強激光干擾的一條干擾部署活動帶，如圖6 所示。為探究影響干擾部署活動帶區域范圍的因素，下面就防護區域、高空無人偵察機探測距離、高空無人偵察機飛行高度以及干擾機飛行高度4 個方面進行仿真分析。

2.1 干擾部署活動帶受防護區域影響分析

設定高空無人偵察機飛行高度h1=18 km，光電探測距離h2=80 km，我方干擾機飛行高度h=10 km，仿真分析空中干擾部署活動帶寬度及面積隨不同防護區域變化結果，如圖10 和表1 所示。由圖10可以看出，在高度h=10 km 處干擾部署活動帶寬度及空中被偵測面積在高空無人偵察機飛行高度、光電探測距離，以及干擾機飛行高度一定的前提下與被防護目標的邊長成正比關系。隨著防護區域面積的增加，空中干擾部署活動帶寬度及在高度h=10 km處被偵測面積也隨之增大。因此，為實現對較大區域目標實施區域性防護，勢必改變干擾機空中部署的方位及架數。

表1 不同防護區域下干擾帶變化范圍

圖10 干擾部署活動帶隨防護區域變化散點圖

2.2 干擾部署活動帶受高空無人偵察機光電探測距離影響分析

設定高空無人偵察機飛行高度h1=18 km，地面防護區域邊長l=3 km，我方干擾機飛行高度h=10 km，仿真分析空中干擾部署活動帶寬度及在高度h=10 km 處被偵測面積隨高空無人偵察機探測距離變化結果，如表2 所示。由表2 可以看出，干擾部署活動帶寬度不隨高空無人偵察機光電探測距離的變化而變化，但在高度h=10 km 處被偵測面積隨高空無人偵察機光電探測距離的變化而變化，且成正比關系，如圖11 所示。因此，改變高空無人偵察機光電探測距離，不會影響我方干擾機部署架數及飛行航向。但干擾機初始位置、飛行方位及飛行時間將隨高空無人偵察機光電探測距離的變化而變化，如圖12 所示。

2.3 干擾部署活動帶受高空無人偵察機飛行高度影響分析

圖11 干擾部署活動帶隨探測距離變化散點圖

圖12 干擾部署活動帶隨探測距離變化態勢圖

表2 不同探測距離下干擾帶變化范圍

設定高空無人偵察機探測距離h2=80 km，地面防護區域邊長l=3 km，我方干擾機飛行高度h=10 km，仿真分析空中干擾部署活動帶寬度及在高度h=10 km 處被偵測面積隨高空無人偵察機飛行高度變化結果，如下頁表3 所示。由表3 和圖13 可以看出，干擾部署活動帶寬度及在高度h=10 km 處被偵測面積隨高空無人偵察機飛行高度的增高而增大，這勢必會影響我方干擾機空中防御部署位置甚至增加干擾機數量，且當高空無人偵察機飛行高度達到16 km 高空時，其在高度h=16 km 處被偵測面積變化范圍明顯減小。對我方干擾機而言，高空無人偵察機飛行高度越高，越不利于我方干擾機對其實施強激光干擾。但由仿真數據可得其最大干擾部署活動帶寬度及在高度h=10 km 處被偵測面積，為我方干擾機實施空中防護提供了最大理論防護范圍，具體干擾區域變化如圖14 所示。

表3 高空無人偵察機不同飛行高度下干擾帶變化范圍

圖13 干擾部署活動帶隨高空無人偵察機飛行高度變化散點圖

圖14 干擾部署活動帶隨高空無人偵察機飛行高度變化態勢圖

2.4 干擾部署活動帶受干擾機飛行高度影響分析

設定高空無人偵察機探測距離h2=80 km，地面防護區域邊長l=3 km，高空無人偵察機飛行高度h1=18 km，仿真分析空中干擾部署活動帶寬度及空中被偵測面積隨我方干擾機飛行高度變化結果，如表4 所示。由表4 和圖15 可以看出，干擾部署活動帶寬度及空中被偵測面積隨干擾機飛行高度的增高而減小，其中干擾部署活動帶寬度隨干擾機飛行高度成正比逐步減小，而空中被偵測面積隨干擾機飛行高度成指數倍逐步減小?？芍蓴_機飛行高度越高，所形成的空中干擾部署活動帶寬及空中被偵測面積越小，越有利于對高空無人偵察機實施有效干擾，如圖16 所示。

2.5 機載干擾激光光軸最大偏離角數據分析

由式（1）～式（3）可知，高空無人偵察機光電探測器接收功率與大氣透過率、激光發散角、相對距離以及干擾機激光發射功率有關。設定高空無人偵察機與干擾機之間距離R=35 km，激光發散角θ=0.1 mrad，高空無人偵察機光電探測器口徑D=0.28m，高空環境下大氣透過率=0.5。根據有關資料數據，假設高空無人偵察機光電探測系統光飽和功率密度為2.174×10-4W/cm2，改變干擾機發射功率，當干擾光束光軸對準光電探測系統時，仿真分析高空無人偵察機光電探測系統接收到的激光平均功率隨我方干擾機發射功率變化結果，如表5 所示。高空無人偵察機光電探測系統接收功率密度與干擾機激光發射功率成正比。

表4 干擾機不同飛行高度下干擾帶變化范圍

圖15 干擾部署活動帶隨干擾機飛行高度變化散點圖

圖16 干擾部署活動帶隨干擾機飛行高度變化態勢圖

表5 高空無人偵察機接收干擾激光功率隨干擾機發射功率變化

由式（4）可知，當高空無人偵察機光電探測系統光飽和功率密度為2.174×10-4W/cm2時，干擾機最小發射功率為69.721 1 W。

由式（1）、式（2）、式（5）可知，干擾激光光軸與探測系統光軸偏離角受干擾機激光功率影響，如下頁表6 所示。當高空無人偵察機與干擾機相距35 km時，其最大偏離角為0.046 mrad。當激光光軸偏角大于最大偏離角時，干擾激光不能進入高空無人偵察機光電探測系統，則對高空無人偵察機光電探測系統干擾無效。

表6 光軸偏離角受高空無人偵察機與干擾機之間距離變化影響

3 結論

本文提出了對高空無人偵察機光電偵察系統實施無人機機載強激光主動干擾的模式。首先根據高空無人偵察機飛行高度、探測距離、飛行速度、俯仰角、橫滾角等各項指標，以及輔助情報支援系統對敵我雙方無人機的跟蹤定位（粗定位），確定敵無人機飛行位置、軌跡，引導我干擾機與敵無人機伴隨飛行，使我干擾機始終處于敵無人機與我方被保護地面目標之間；同時，引導機載強激光干擾系統跟瞄裝備捕獲的光電探測器，對其實現精跟蹤并實施及時干擾。為此，構建了空間三維坐標模型，計算出了機載模式下空中干擾機部署活動帶及干擾區域；通過設定敵無人機光電探測系統光飽和功率密度，根據干擾機與敵無人機相對距離、激光發散角及高空條件下大氣透過率，模擬仿真得出實現干擾機對敵光學探測系統干擾有效的最小發射功率和激光光軸偏離角。研究模型和結論可為機載干擾戰術應用提供理論支撐。