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国外地面激光测距目标指示器的发展现状

张德斌 江清波 王晔 缪欣 宋余华 张新兴 芮大庆 周文春

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国外地面激光测距目标指示器的发展现状

    作者简介: 张德斌(1979-),男,高级工程师,研究方向为激光应用技术开发。E-mail:654508662@qq.com.
  • 中图分类号: P225.2

The abroad development of laser target designation

  • CLC number: P225.2

  • 摘要: 激光制导武器具有命中精度高、可实施远程精确打击、作战效能高、抗干扰能力强等特点,逐渐成为现代战争武器的主角。激光测距目标指示器作为激光制导武器系统的重要组成部分,受到了国外各国军方的重视,研制并装备了多型激光测距目标指示器。为了便于国内开展类似产品研究,对国外地面激光测距目标指示器的发展历程进行了概述,介绍了激光制导武器以及激光测距目标指示器的基本工作原理,并结合发展现状对地面激光测距目标指示器的发展趋势进行了分析,为国内研制类似产品及光电对抗研究提供参考。
  • 图 1  激光半主动制导武器系统的工作原理图

    图 2  激光测距目标指示器的工作原理框图

    图 3  LLDR产品图

    图 4  DHY307产品图

    图 5  LF28A产品图

    图 6  PLDR产品图

    表 1  国外地面激光测距目标指示器主要性能指标比较

    指示器产品名称 PLLD LLDR DHY307 PLDRⅡ Director-M
    制造商 Elbit Northrop Grumman Cilas Elbit Elbit
    抽运模式 二极管抽运 二极管抽运 二极管抽运 二极管抽运 二极管抽运
    激光波长/nm 1064 1064 1064 1064 1064
    能量/mJ 130 80 80 - 30
    编码 - 波段Ⅰ/Ⅱ, 伪随机码 3733 典型编码 抽运编码
    发散角/mrad 0.13 0.3 - - 0.5
    制导距离/km 10 10 10 10 6
    跟踪角测量 固定目标或移动目标 固定目标或移动目标 固定目标或移动目标 固定目标或移动目标 固定目标或移动目标
    定位 内置 外置 外置 内置 外置
    现场监测
    热成像接口
    点火方式 手动或遥控 手动或遥控 手动或遥控 手动或遥控 手动
    主机重量/kg 8 5.2 4.5 6.7 1.76
    其它 - - 无预热要求 - -
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-30
  • 录用日期:  2020-04-01
  • 刊出日期:  2021-01-25

国外地面激光测距目标指示器的发展现状

    作者简介: 张德斌(1979-),男,高级工程师,研究方向为激光应用技术开发。E-mail:654508662@qq.com
  • 1. 江苏曙光光电有限公司, 扬州 225009
  • 2. 中国人民解放军 陆军装备部驻扬州地区军事代表室, 扬州 225009

摘要: 激光制导武器具有命中精度高、可实施远程精确打击、作战效能高、抗干扰能力强等特点,逐渐成为现代战争武器的主角。激光测距目标指示器作为激光制导武器系统的重要组成部分,受到了国外各国军方的重视,研制并装备了多型激光测距目标指示器。为了便于国内开展类似产品研究,对国外地面激光测距目标指示器的发展历程进行了概述,介绍了激光制导武器以及激光测距目标指示器的基本工作原理,并结合发展现状对地面激光测距目标指示器的发展趋势进行了分析,为国内研制类似产品及光电对抗研究提供参考。

English Abstract

    • 作为“人在回路中”或者“有限条件下发射后不管”制导体制的代表——激光半主动制导体制[1],经过半个多世纪的不断发展,纵观近40年世界上发生的重大战争,如越南、英阿马岛、海湾、科索沃、阿富汗到最近西方国家发起的伊拉克、利比亚、叙利亚几次局部战争,经过实战检验和完善,该体制已经成为了一种最为广泛的精确制导体制[2],激光半主动制导体制在精确制导武器中具有精度最高、成本最低、结构最简单等特点[3],从目前激光半主动制导武器系统的命中精度来看,通常圆概率误差在几米以下,有些弹药已达1m以内的命中精度[4],越来越受到各国军方的重视。激光测距目标指示器作为激光半主动制导武器系统的重要组成部分,一方面可以提供目标坐标信息,便于武器系统进行射击诸元解算; 同时可以向目标发射编码激光信息,为激光制导弹药提供目标指示,引导制导弹药最终命中目标,实现“指哪打哪”的打击效果。美英军队都大量使用了激光制导弹药,成为远距离精确打击重点目标的主要手段,极大地提高了作战使用效能; 作为激光半主动制导武器系统的前沿“指挥棒”,其指挥的及时性、隐蔽性、准确性直接决定了核心目标以及关键人物“斩首行动”的成功与否。

      早在20世纪60年代, 国外就开始了激光制导技术的研究,并形成了激光测距目标指示器的早期产品,最先在越南战争中一展身手[5]; 经过几十年的发展,今天的地面激光测距目标指示器已经是比较成熟的装备,性能上也得到了很大的提升,广泛装备在地面目标引导大队、侦察车辆、飞机等武器平台上,为目标区提供地面引导,进一步提升打击精度[6-7]。据统计, 海湾战争中美国有一半以上的攻击目标都是由地面人员提供照射引导的[8]

      本文中介绍了激光半主动制导武器系统以及激光测距目标指示器的工作原理,对国外大量生产、装备和服役的地面激光测距目标指示器的发展现状作了综述,重点分析和评价了国外这些装备的性能特点,并指出了发展的趋势。

    • 激光半主动制导武器系统主要由激光制导弹药(末制导炮弹、空地激光制导导弹、激光制导炸弹、火箭弹、末制导迫弹、末端修正迫弹等)、武器发射平台和激光测距目标指示器构成。工作的基本原理是:发现高价值目标,通过激光测距获取自身位置与目标的距离信息,结合自身坐标解算目标坐标并及时上报,召唤就近的重火力进行火力打击; 武器发射平台射手发射激光制导弹药,激光测距目标指示器在约定的时刻向目标发射经过编码的激光光束,对目标进行锁定跟踪,确保激光光束始终指示在目标上; 激光制导弹药上的激光导引头根据目标反射回来的激光回波信息,先进行解码,然后解算弹目偏差角送激光制导弹药进行控制和决策,按照选定的制导律和控制律控制激光制导弹药飞行,引导弹丸最终命中目标。

      激光半主动制导武器最大的优势就是精度高。

      其次, 激光半主动制导武器采用的是人在回路的作战方式,可以实时地解决目标选择、捕获与识别等问题; 通过特殊的激光编码措施,具有较强的抗干扰能力,能够有效地防止友军误伤以及过度杀伤和附带的损伤。

      另外, 激光半主动制导武器可以对运动目标和时间敏感的目标进行攻击,武器发射平台和激光测距目标指示器的操作人员可以在空间上进行独立配置,具有较高的战场灵活性和战术选择性; 具有有限的发射后不管性能。

      激光半主动制导武器系统的工作原理见图 1

      图  1  激光半主动制导武器系统的工作原理图

    • 激光测距目标指示器一般由光学瞄准、激光发射、激光接收等系统组成,光学瞄准可以通过白光、电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)以及热成像等光学手段实现昼、夜间目标的侦察,通过发射单脉冲激光,经目标反射回来的回波信号到达激光接收系统,通过时间数字转换技术(time-to-digital converter, TDC),获取激光测距目标指示器与目标间的距离,结合自身坐标、高低方位角以及目标与北向的夹角,解算目标坐标送火控单元进行射击诸元计算; 激光测距目标指示器根据口令手动或者自动装订激光编码,在约定时刻启动激光指示指令,发射编码激光照射目标引导制导弹药命中目标。激光测距目标指示器配置的跟踪装置,可以解决运动类目标的跟踪问题。

      激光测距目标指示器的工作原理框图见图 2

      图  2  激光测距目标指示器的工作原理框图

    • 1960年7月, 美国休斯公司实验室的研究人员梅曼成功演示了世界上第1台红宝石固体激光器,继而,全世界一批批发明家陆续地发明了各种类型的激光器,激光诞生后第1项成熟的应用就是用于军事目的,世界上早期将激光技术用于激光制导炸弹的是美国的“宝石路”,20世纪70年代开始试用并装备部队,在越南战争后期曾使用过。前苏联也于20世纪80年代将“红土地”激光制导炮弹武器系统装备部队,无论是激光激光制导炸弹还是激光制导炮弹武器系统,都配备了地面激光测距目标指示器。早期的激光测距目标指示器采用的是氙灯抽运激光技术,其体积较大、功耗较高、可靠性差,随着工艺技术水平的提升,现在已经基本上完成了半导体抽运激光技术的升级换代,缩小了体积,减轻了重量,提高了可靠性; 使用平台也由单一的炮兵地面向车载、机载、舰载等多平台发展。

    • 国外研制生产激光测距目标指示器的主要单位包括:美国的诺斯洛普格鲁门(Northrop Grumman)和通讯应用技术公司(L3)公司; 法国的西莱斯(Cilas)和泰雷兹(Thales)公司; 以色列的埃尔比特(Elbit Systems)公司等。

      选择国外目前最近装备数量较多、性能比较先进的几款地面激光测距目标指示器,在与武器系统关联的激光能量、激光编码、激光发散角、引导距离、跟踪测角以及定位等指标上进行了对比,同时针对影响到单兵使用便携性的重量以及光斑监视功能进行对比,关注了新一代激光测距目标指示器的抽运方式,统计数据见表 1

      表 1  国外地面激光测距目标指示器主要性能指标比较

      指示器产品名称 PLLD LLDR DHY307 PLDRⅡ Director-M
      制造商 Elbit Northrop Grumman Cilas Elbit Elbit
      抽运模式 二极管抽运 二极管抽运 二极管抽运 二极管抽运 二极管抽运
      激光波长/nm 1064 1064 1064 1064 1064
      能量/mJ 130 80 80 - 30
      编码 - 波段Ⅰ/Ⅱ, 伪随机码 3733 典型编码 抽运编码
      发散角/mrad 0.13 0.3 - - 0.5
      制导距离/km 10 10 10 10 6
      跟踪角测量 固定目标或移动目标 固定目标或移动目标 固定目标或移动目标 固定目标或移动目标 固定目标或移动目标
      定位 内置 外置 外置 内置 外置
      现场监测
      热成像接口
      点火方式 手动或遥控 手动或遥控 手动或遥控 手动或遥控 手动
      主机重量/kg 8 5.2 4.5 6.7 1.76
      其它 - - 无预热要求 - -
    • 美国的诺斯洛普·格鲁门(Northrop Grumman)公司出口的超轻型激光指示测距模块(lightweight laser designator rangefinder, LLDR)系列采用模块化设计,可以通过数字化战场的内部连接,迅速定位捕获并指示重要目标。通过组网方式呼唤远程精确火力打击,赢得前线战场主动权。最初研制的LLDR是用来进行外科手术式清除目标,配备于旧式、过度型和带有火控系统的运输平台。

      具备昼夜及恶劣气候条件下的目标侦查,精确定位,并能长时间跟踪指示固定或者移动目标,可以进行数字化链接。

      LLDR的产品系列见图 3

      图  3  LLDR产品图

      法国西莱斯(Cilas)公司出口的地面激光测距目标指示器(DHY307)系列可以独立安装于三脚架上,给特种部队使用; 也可以安装于光电转塔内,拥有高精度的指示功能; 能为所有的激光制导武器提供指示功能,诸如炸弹、导弹和炮弹等。

      具备长周期照射、目标坐标解算(带测角器)等功能,内置存储670种编码,并可编辑更改(北约标准或其它的),可以远程操作,拥有外扩机械接口等功能。

      DHY307的产品系列图见图 4

      图  4  DHY307产品图

      法国的泰雷兹(Thales)公司开发的轻型激光测距目标指示器LF28A,结构紧凑,性能十分可靠,采用了无需液冷的固态激光器。日常维护简易,人机界面友好,留有检测端口,能在隐蔽处快速展开。装进运输箱或者士兵的帆布包后,可由单个士兵携带然后带走,在全温度范围内拥有极佳的光束发散角和稳定的瞄准轴。

      LF28A的产品图见图 5

      图  5  LF28A产品图

      以色列的埃尔比特(Elbit Systems)公司研制的手持式轻型激光测距目标指示器(portable lightweight designator/rangefinder, PLDR)系列内置光斑监视功能,可为所有激光制导弹药进行目标指示,单兵可携带,可以远程线控指示。

      PLDR的产品图见图 6

      图  6  PLDR产品图

    • 资料显示:国外最新装备的激光测距目标指示器均采用的是二极管抽运的工作方式,可以有效降低产品体积重量,提高产品可靠性,延长产品工作时间; 激光能量基本上分为大、中、小3档,适应不同弹药及照射距离的使用需求; 产品均采用模块化的设计理念,与上一代产品及选配热像具有较好的机械接口; 产品的击发模式由单一的手动启动发展为有线遥控及无线遥控启动的多种方式; 所有产品通过自带或者选配跟踪测角装置的方式,均具有固定以及活动目标的指示能力; 大部分产品均考虑了光斑监视功能,解决近红外波段激光人眼不可见的问题,提高目标指示的准确度; 产品均可以通过内置或者外配设备实现目标定位。

      通过对国外激光测距目标指示器技术指标以及基本功能的分析,可认为激光测距目标指示器未来的发展趋势应该考虑以下几点。

    • 激光测距目标指示器引导的弹药包括:末制导炮弹、空地激光制导导弹、激光制导炸弹、火箭弹、末制导迫弹、末端修正迫弹等,各型弹药对激光测距目标指示器的激光能量、激光编码等指标存在一定的差异,通过通用化的设计手段,在一型产品上满足各型弹药的目标指示需求应该是主要的发展趋势,同时考虑电气以及机械接口向下兼容的问题,便于目前在役以及在研产品有选择性的进行组合,在功能和性能上形成互补,快速形成战斗力。

    • 作为战场感知的一个关键节点,具备自身定位、定向,光电测角,目标坐标解算等功能,如何将战场感知的目标信息可靠的上报给指挥系统,快速对该目标实施精确打击,这需要信息化的手段保障。根据《超负荷步兵战士》的报告,现代战场上的士兵通常需要携带相当于自身体重一半的装备和物资执行作战任务,这极大地影响了士兵们的战斗力。过高的单兵负重主要从两个方面拖了战斗力的后腿:(1)造成大量因疲劳性损伤导致非战斗力减员; (2)影响士兵在战斗中的灵活性和机动能力,将硬件功能软件信息化,进行轻量化设计[9]是需要考虑的。

    • 激光波长为1064nm,属于人眼不直接可见的近红外波段,而激光光斑的指示位置与激光半主动制导武器的打击精度密切相关,通过具有近红外波段响应的CCD摄像机进行激光光斑的可视化设计,可以大大提高激光测距目标指示器操作人员的目标指示信心,即使观瞄系统出现一定偏差,通过光斑可视的手段,可以及时调整指示位置,保证发射的激光光斑全部落在目标之上,确保打击效果[10-11]。激光波长为1064nm,该波段对人眼是有害的,特别是人眼如果不小心接触到,对眼睛的伤害将是永久性的; 而1550nm波段的激光对人眼的安全爆光量是1064nm波段的105倍,属于人眼安全波段,因此考虑到友军的安全性,激光发射波段可能会往训练时人眼安全波段作战时非人眼安全波段的复合输出模式发展,或者随着激光半主动制导武器接收设备的改进提升,发展为人眼安全波段的单一输出模式[12]; 同时,通过远程线控或者无线启动的方式,可以将操作人员和产品进行有效的分离,一定程度上降低操作人员暴露的风险,提高战场的生存力; 如何尽可能晚地暴露激光编码特征,减少指示器的照射时间[13],或者从提高激光编码破译的难度也是可视化设计的一个重要方面[14]; 为了探测来袭激光信号,激光告警装置越来越受到重视,并被大量研发和装备[15],如何降低激光告警装置的探测概率以及威胁等级也是可视化设计的主要工作。

    • 为了在激光器更轻、更可靠、寿命更长的基础上解决因巴条需要温控带来的新问题,当前半导体激光器发展的关注点在于免温控和即开即用。在实现途径上主要分为两种:(1)任由巴条输出波长随温度变化,虽然抽运源提供的波长不稳定,但可以采取措施保证晶体所获得的增益对波长不敏感从而实现对温度脱敏; (2)直接让巴条输出的波长不随温度变化,使抽运光本身对温度脱敏[16-17]。从长期来看,所有问题的核心都是热管理及环境适应性问题,所以激光器会向高电光效率,低发热功率方向发展[18-20]

    • 激光测距目标指示器的发展受到了越来越多国家的重视,无论是在激光末制导炮弹、空地导弹、激光制导炸弹还是激光末端修正迫弹等武器系统,都可以对该类弹药进行激光目标指示,提高弹药的命中精度,具有广阔的应用空间。本文中概述了国外地面激光测距目标指示器的发展过程,对比了国外主流产品的主要性能指标,并对发展趋势进行了分析,为国家在该类产品的研制及激光半主动制导武器系统的对抗研究提供了参考。

参考文献 (20)

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