丁軍輝

(中國人民解放軍 91851部隊，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

實彈攔截試驗是反導武器系統(tǒng)必須開展的測試科目，彈靶高速交匯瞬間，反導戰(zhàn)斗部引爆，命中目標或脫靶。為可靠支撐防空武器系統(tǒng)攔截性能鑒定，并為防空導彈的飛行導引、引信觸發(fā)、引戰(zhàn)配合等性能改進提供進一步的支撐，在空靶上通常配備毀傷檢測設(shè)備，探測彈靶交匯和破片殺傷情況。

陸上條件下，依托目前成熟的實時高速數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，態(tài)勢信息可靶上存儲，墜地后回收分析。海上試驗時，因彈、靶墜海，靶上存儲、搜索打撈方案技術(shù)難度大，成本高，不確定性大，基本不具備可實施性，海上反導試驗較陸上試驗對毀傷探測技術(shù)、數(shù)據(jù)實時傳輸技術(shù)要求明顯偏高。

公開文獻顯示，目前海環(huán)境下多采用無線電測量方法探測彈靶交匯態(tài)勢，從實際使用效果看，該方法存在應(yīng)用局限大、頻譜沖突、支撐毀傷評估效果不明顯等問題。本文結(jié)合相關(guān)資料和具體實踐，對比探討高速攝像、無線電測量、光纖網(wǎng)絡(luò)、導電涂料網(wǎng)絡(luò)四種測量方案的技術(shù)特點與能力，數(shù)據(jù)傳輸需求及效費比等，明晰各方法的適用環(huán)境、應(yīng)用條件和前提要求，給海上反導攔截試驗空靶毀傷檢測技術(shù)的研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 高速攝像方法

高速攝像是高動態(tài)環(huán)境下優(yōu)先考慮的信息錄取手段，在爆炸毀傷、導彈出筒等場景中廣泛使用[1-5]。對防空導彈攔截高速空靶場景，方法有一定的適用性：小型化、集成化的高速攝像設(shè)備裝載在空靶前后某一端，根據(jù)可能的導彈來襲方向預置視角，高速采集彈靶交匯、空靶毀傷情況。

以法國V5S型海響尾蛇防空導彈攔截高亞聲速空靶為例，導彈最大飛行速度750 m/s，戰(zhàn)斗部殺傷半徑6～8 m，考慮引戰(zhàn)配合、戰(zhàn)斗部起爆正常，空靶被擊中后毀傷嚴重、全系統(tǒng)瞬間斷電情況。前述條件下態(tài)勢信息采集窗口為戰(zhàn)斗部破片飛抵空靶時間，V5S型導彈采用破片聚焦型戰(zhàn)斗部，內(nèi)部預裝曲線形破片殼體，根據(jù)相關(guān)文獻[6-12]，破片飛射速度因用途、裝藥、飛行距離等不同而變化，通常集中在1 700～2 500 m/s之間，疊加彈、靶速度后，破片與空靶的相對速度不小于3 000 m/s。導彈引信作用距離因目標RCS變化而不同，對典型飛航導彈作用距離按照6 m進行分析，則戰(zhàn)斗部引爆至空靶被擊中最大時長約2 ms。

戰(zhàn)斗部破片擊中空靶后，結(jié)構(gòu)件發(fā)生形變、破損、脫落等，飛行失控直至墜毀，從動量守恒角度分析，小質(zhì)量破片和大質(zhì)量彈體或殘片相互作用后，幾十克的破片速度大幅降低，因彈體或結(jié)構(gòu)殘片質(zhì)量遠大于破片質(zhì)量，彈體結(jié)構(gòu)的變形速度、運動變化速度等會遠小于破片變化速度，即以采集戰(zhàn)斗部破片飛行窗口為目的來設(shè)計毀傷檢測用高速攝像設(shè)備，對采集彈體結(jié)構(gòu)變形、殘片脫落等場景同樣適用。由以上分析，在2 ms內(nèi)獲取6 m內(nèi)的動態(tài)信息，按照0.5 m的距離分辨精度，空靶需搭載最低6 000 幀/s性能的高速攝像設(shè)備并穩(wěn)定可靠拍攝。

高速攝像機視場越寬、幀率越高，數(shù)據(jù)量就越大，某微小型高速攝像設(shè)備基本性能見表1，模式3下，壓縮數(shù)據(jù)率已經(jīng)達到3.21 Gb/s，數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)傳輸需求遠遠超過目前空靶下行無線數(shù)據(jù)傳輸能力，很難通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)實時、遠距發(fā)送至地面接收系統(tǒng)。

表1 某微小型高速攝像性能簡表Tab.1 A brief description of the performance of a micro-miniature high-speed camera

綜合來看，受當前無線傳輸能力限制，高速攝像設(shè)備存在較大的使用局限性，目前只能以類似民航客機“黑匣子”方式工作，海上應(yīng)用需要空靶具備回收功能且可安全返回，對飛行穩(wěn)定性較好的低速可回收飛行器中較為適用，對于一次性使用的導彈類空靶，由于同時存在回收投入大、圖像抖動處理技術(shù)復雜、成本偏高等因素，該方式使用較少。

2 無線電測量方法

無線電測量亦即雷達脫靶量測量，是彈靶交匯態(tài)勢測量應(yīng)用早，使用廣泛的一種測量方式。測量設(shè)備本質(zhì)上通常是小型化的小功率測距或小功率三坐標精密測量雷達，基于單脈沖測距、多普勒測距或調(diào)頻連續(xù)波測距等具體技術(shù)途徑開展工作，各有特點[13-15]。

單脈沖方法通過測量目標回波延遲換算出彈靶距離，測量相對誤差與間距呈反比，間距越近時間分辨率要求越高，彈靶間距每1 m對應(yīng)延遲約6.67 ns。對于近距測量，大信號帶寬對信號處理設(shè)備的時間采樣速率提出了很高的要求，難度和成本均較高。多普勒測量方法首先測量防空導彈回波多普勒頻率隨時間變化的曲線，而后進行最優(yōu)擬合，計算出彈靶相對距離，該方法具有測量速度范圍寬的優(yōu)點，但缺點是需較為準確地預知彈靶相對運動規(guī)律，以利用最小二乘等算法進行最優(yōu)分析，計算量大，實時性要求高，適用于理論遭遇態(tài)勢較為明確的試訓場景，尤其是反導武器攔截相對低速的靶機等態(tài)勢。調(diào)頻連續(xù)波雷達測距基本原理是利用發(fā)射信號與目標回波信號之間的差頻來確定目標距離，與其他方法相比，該方法具有不存在測距盲區(qū)，測距精度高，輻射功率小，設(shè)備集成度高等特點，適用于反導武器攔截亞音速、超音速等目標態(tài)勢。

近幾十年來，雷達脫靶量測量技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展迅速，使用廣泛，國內(nèi)外使用的脫靶量測量系統(tǒng)典型性能見表2[16]。

表2 典型測量設(shè)備性能表Tab.2 Performance table of typical measuring equipment

對比戰(zhàn)斗部有效殺傷半徑，探測視場合適條件下，空靶脫靶量測量設(shè)備能夠在導彈戰(zhàn)斗部爆炸前捕獲來襲導彈并穩(wěn)定測距，戰(zhàn)斗部爆炸后因多目標測量和測速能力限制、設(shè)備損毀或系統(tǒng)斷電等緣故，測量設(shè)備失效，不能直接探測空靶毀傷情況，因此無線電測量屬毀傷檢測間接檢測手段，評估毀傷效果時，需綜合利用空靶和導彈的姿態(tài)及位置信息、時統(tǒng)信息、脫靶量測量信息、戰(zhàn)斗部爆炸模型、空靶外形尺寸信息等間接推算中靶毀傷情況。

無線電測量方法的突出優(yōu)點是數(shù)據(jù)量小，只輸出相對距離、相對方位和高低角等信息，可基于空靶既有無線傳輸鏈路及時發(fā)送至地面測控設(shè)備，有效支撐毀傷態(tài)勢實時研判，缺點是需根據(jù)攔截方案預估導彈來襲方位，提前預置測量天線朝向，該方法更適用于彈靶交匯態(tài)勢測量，輔助空靶毀傷評估。

3 光纖網(wǎng)絡(luò)檢測方法

光纖網(wǎng)絡(luò)測量是近些年發(fā)展和應(yīng)用的一種中靶毀傷檢測方法，該方法將光纖網(wǎng)絡(luò)以平行線或較復雜紋理方式嵌入彈身，利用光纖的通斷作為是否被擊中的判決依據(jù)，具有敏感度高、虛警率低的優(yōu)點，能可靠感知布設(shè)部位是否有物理損傷。受成本、加工工藝影響，光纖網(wǎng)絡(luò)方法同時存在較多應(yīng)用限制，需根據(jù)光纖規(guī)模配套多路光電轉(zhuǎn)換組件和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，成本偏高；光纖網(wǎng)絡(luò)嵌入至彈體外表層，其布設(shè)加工需要依托專業(yè)化設(shè)施設(shè)備完成，通常需要在空靶結(jié)構(gòu)組件生產(chǎn)階段開展，總裝完成后的應(yīng)用階段調(diào)整、更改困難。上述特性與靶標經(jīng)濟性、適用性、靈活性要求存在較大沖突。目前，光纖網(wǎng)絡(luò)檢測方法一般在應(yīng)用場景明確早，毀傷態(tài)勢測量需求強烈，其他測量手段難以有效保障的重大任務(wù)中使用，中小型任務(wù)受制于經(jīng)費、生產(chǎn)安排等因素鮮有使用。

4 導電涂料檢測方法

4.1 導電涂料方法及應(yīng)用現(xiàn)狀

導電涂料是功能涂料的一種，在裝設(shè)備抗靜電、電磁屏蔽、寬頻段吸波隱身等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[17-19]，工業(yè)生產(chǎn)中，摻合型導電涂料制備工藝簡單、性能優(yōu)異，實際應(yīng)用最多。根據(jù)相關(guān)文獻和涂層實測，摻合型銀系涂層在微米量級厚度內(nèi)即可導通，阻值穩(wěn)定(見表3)，對于信號采集用途，其導電性能與直通金屬導線相當。

導電涂料網(wǎng)絡(luò)附著在彈體絕緣層表面，采用十分稀疏的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格間距遠離C、X、Ku、Ka等反導系統(tǒng)常用頻段波長，對空靶自身的氣動特性、電磁屏蔽特性和雷達散射特性影響可忽略不計。檢測網(wǎng)絡(luò)的工程實施工作可安排在飛行器生產(chǎn)、使用、改裝等各個階段，可根據(jù)攔截方案靈活選定網(wǎng)格區(qū)域，具備極大的使用靈活性。查詢相關(guān)文獻，目前僅在縫隙監(jiān)測中有類似應(yīng)用[20-22]，未發(fā)現(xiàn)高動態(tài)毀傷檢測應(yīng)用研究相關(guān)內(nèi)容，為推動毀傷檢測技術(shù)發(fā)展進步，本文詳細探討檢測網(wǎng)絡(luò)相關(guān)問題。

表3 不同銀系涂層電阻率Tab.3 Resistivity of different silver coating

4.2 檢測網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)

從全面感知毀傷態(tài)勢出發(fā)，導電網(wǎng)絡(luò)需連續(xù)、完整覆蓋空靶表面，實際上空靶外形是由翼面、舵面、機體或艙段、進氣道、天線、操作艙口等多種組件拼接而成，組件間存在諸多接縫、活動機構(gòu)，全機身連續(xù)鋪設(shè)不具備可行性，檢測網(wǎng)絡(luò)需根據(jù)機身情況、導彈來襲方向等分區(qū)，重點鋪設(shè)，盡可能完整感知中靶態(tài)勢，同時兼顧工程實施方便、信息采集簡單的需要。滿足上述要求的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有多種，不同的結(jié)構(gòu)形式對穿艙布線規(guī)模、數(shù)據(jù)采集規(guī)模和檢測算法復雜度等要求不同，可行的形式包括直通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、組合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。

4.2.1 直通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

直通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用相互平行的經(jīng)緯線形成檢測網(wǎng)絡(luò)，通過經(jīng)緯線的通斷感知擊中部位，該方法邏輯簡單，可以實現(xiàn)面區(qū)域均勻檢測。

圖1 直通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Straight-through network structure

直通檢測網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)面檢測和點檢測，適合大面積平整區(qū)域鋪設(shè)，信號獨立成路，檢測直觀方便，但存在狹窄區(qū)域展開鋪設(shè)困難，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大后檢測路數(shù)多的問題。出于信號采集需要，機(彈)體表面的檢測網(wǎng)絡(luò)最終都需要引入到空靶內(nèi)部的信號采集設(shè)備上，檢測路數(shù)越多，需要穿艙的線路越多，對于要求良好密封性的高速空靶，對機體外形整流、布網(wǎng)工藝、網(wǎng)絡(luò)防護要求就越復雜，給飛行器應(yīng)用階段開展布網(wǎng)工作帶來困難，同時增加了無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的工作壓力。

4.2.2 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與輕武器射擊用胸環(huán)靶類似，采用多路嵌套、路內(nèi)支路并聯(lián)的檢測線路感知擊中態(tài)勢，通過由內(nèi)向外分布的檢測環(huán)感知毀傷散布情況，在并聯(lián)支路中的檢測端串入大小不等的標識電阻Ri0、Ri1，信息采集設(shè)備設(shè)備利用第i路電阻值只可能在∞、Ri+Ri0、Ri+Ri1、Ri+Ri0/(Ri+Ri1)間變化的特性，檢測網(wǎng)格區(qū)域毀傷情況。

圖2 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Ring network structure

環(huán)形檢測網(wǎng)絡(luò)具體形狀可為方形、圓形、不規(guī)則環(huán)狀結(jié)構(gòu)等，隨飛行器表面形狀不同靈活布設(shè)，與直通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，該方法只能分辨出位于某條檢測環(huán)路的哪一個支路上，無法實現(xiàn)點擊中感知。該結(jié)構(gòu)形式區(qū)域適應(yīng)性強，可鋪設(shè)于平整、狹長、不規(guī)則等多種飛行器表面上，較為適合破片戰(zhàn)斗部毀傷分布定性探測，同時，有效減少信號檢測路數(shù)，降低了對無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的壓力。

4.2.3 組合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

組合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)形式上與直通網(wǎng)絡(luò)類似，但檢測經(jīng)緯線非獨立成路，而是經(jīng)線為一路，緯線為一路，采用檢測算法分析網(wǎng)絡(luò)電阻來感知擊中態(tài)勢。圖3中，所有檢測經(jīng)線或緯線均為檢測支路，以檢測經(jīng)線為例，通過合理配置檢測電阻R1、R2、…、RN，使N個檢測支路中任意1路或M路斷開都會使檢測經(jīng)線總電阻R發(fā)生明顯變化，且互不相同，檢測設(shè)備通過分析回路電阻的差異，僅一路信息采集即可完成全部經(jīng)線網(wǎng)絡(luò)擊中態(tài)勢感知。

圖3 組合網(wǎng)路結(jié)構(gòu)Fig.3 Composite network structure

圖3中，未擊中無毀傷，線路完好狀態(tài)下，經(jīng)線回路總電阻R滿足：

(1)

為可靠測量，任一種斷裂情況形成的電路電阻在M種組合中具備明顯的可識別性，即M種情況下的電路總電阻互相顯著可區(qū)分，同時為降低測量電路設(shè)計難度和復雜性，方便測量，任一狀態(tài)下電路總電阻值應(yīng)位于合理區(qū)間內(nèi)，電路總電阻RXI表示為：

1) 全網(wǎng)完好未斷裂：

(2)

(3)

i，j∈[1，N]。

(4)

j，k，…，p∈[1，N]。

4) 全部斷裂時，電路阻值：

(5)

實際應(yīng)用中，檢測經(jīng)線或緯線的支路數(shù)總為確定有限數(shù)，合理設(shè)計每一支路檢測電阻Ri并歸納成表，檢測算法通過查表能快速識別出毀傷態(tài)勢。組合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大幅降低數(shù)據(jù)采集路數(shù)，基于常規(guī)使用的無線傳輸鏈路即可將數(shù)據(jù)實時下傳，極大降低數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計和成本壓力。

4.3 檢測網(wǎng)格線

布網(wǎng)間隔主要考慮兩個因素，一是毀傷檢測需求，檢測經(jīng)緯線間隔需與戰(zhàn)斗部破片物理尺寸相適配，以大概率敏感轟擊態(tài)勢，斷裂結(jié)果能較好反映毀傷分布與輪廓；二是電磁屏蔽效果，雷達反射特性是空靶裝備的核心指標，過密的檢測網(wǎng)絡(luò)會形成較強的電磁屏蔽效果，可能影響其雷達反射特性，與逼真模擬作戰(zhàn)對象目標特性的使用目的相悖。

當前警戒、跟蹤、制導雷達的工作頻段從S波段至Ka波段均有使用，波長范圍150～7.5 mm(2～40 GHz)，典型巡航類戰(zhàn)術(shù)導彈的彈徑位于300～500 mm之間，考慮戰(zhàn)斗部攔截只可能擊中空靶一側(cè)的現(xiàn)實，檢測網(wǎng)絡(luò)只需周向覆蓋75%外廓即可，對應(yīng)周向長度706.5～1 177.5 mm。以常用的破片式戰(zhàn)斗部為例進行分析[23-24]，預制破片物理尺寸通常4～6 mm，數(shù)量有數(shù)萬粒之多，爆破時在一定出射角內(nèi)均勻分布，從檢測中靶部位和毀傷輪廓目的出發(fā)，檢測網(wǎng)絡(luò)可以不必受限于預制破片物理尺寸約束，只需在概率層面上捕獲破片分布即可，基于避免電磁屏蔽效應(yīng)、毀傷態(tài)勢概率檢測目的，彈體表面的經(jīng)緯線間隔可選擇在20 mm及以上，在300～500 mm外徑機身表面，對應(yīng)布設(shè)經(jīng)線數(shù)約35～60根，緯線數(shù)量則依據(jù)彈體長度而定。

5 結(jié)論

本文詳細論述了海上反導攔截試驗空靶毀傷檢測技術(shù)四種測量方案的技術(shù)特點與能力、數(shù)據(jù)傳輸需求、效費比等，適用性各不相同。高速攝像和無線電測量方案更適用于交匯態(tài)勢測量，由交匯態(tài)勢進一步推算中靶毀傷情況，兩種方案都存在視角預置問題。光纖網(wǎng)絡(luò)和導電涂料網(wǎng)絡(luò)方案為中靶毀傷直接測量手段，都具備虛警率低、可靠性高的特點，但在工藝復雜度、成本等方面存在較大差異。

近年來，以無線電測量為代表的檢測技術(shù)研究和應(yīng)用發(fā)展較快，受各種因素影響，實際測量效果一般。長遠看，以導電涂料、柔性傳感器等為代表的直接測量手段因具備數(shù)據(jù)量小、布設(shè)靈活、經(jīng)濟性好的優(yōu)點，是今后主要的毀傷檢測技術(shù)發(fā)展方向。