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标题: 高技术武器装备中光电子技术的作用及发展 [打印本页]

作者: suncon 时间: 2003-5-19 10:29
标题: 高技术武器装备中光电子技术的作用及发展
高技术武器装备中光电子技术的作用及发展

1　“沙漠之狐”行动的概况
　　在对伊拉克历时70个小时空袭中，美国舰艇发射了325枚“战斧”巡航导弹，空军发射了90枚巡航导弹。美、英战斗机出动约650架次，对100个目标进行了空袭，其主要目标包括地空导弹发射场、指挥控制中心、大规模杀伤性武器设计和生产基地、共和国卫队设施和机场。据统计，空袭后，被摧毁的目标只有10个，被重创的目标18个，中度毁损的28个，轻度毁损的17个。
　　在这次行动中，双方军事实力差距极其悬殊。美、英两国拥有大量的先进战斗平台和侦察监视以及损伤评估能力，具有强大的远程精确打击能力；而伊拉克虽有一部份靠购买的先进武器，但在空袭中不能发挥作用，只能靠高炮部队实施重点防御，基本处于被动挨打的局面。因此，“沙漠之狐”行动几乎一边倒，不能充分体现高技术战争的特点。
　　“沙漠之狐”行动中，美军在海湾部署各种飞机348架，其中有59架F-16战斗机、28架F-15C战斗机、10架F-117A隐形战斗机、13架A-10攻击机、6架B-1B轰炸机、15架B-52轰炸机、3架E-3预警机、2架U-2高空侦察机、2架RC-135侦察机、8架KC-135加油机、4架C-130E运输机、8架EA-6B电子战飞机、20架F-14战斗机和72架F/A-18战斗机。英国派出了18架“旋风”战斗机和4架“美洲虎”攻击机。在这次行动中除了B-1B轰炸机第一次使用外，其余都在1991年海湾战争中使用过。
　　在这些飞机中除了电子战飞机和运输机外，大多数装有先进的夜视导航系统、光电火控系统和各类光电制导武器。例如F-16和F-15C飞机上就装有先进的夜视红外导航和目标定向系统，即“蓝天”系统，而U-2和RC-135侦察机装备的是红外行扫仪和光电侦察设备。另外，这些战斗轰炸机大多数装有各类精确光电制导武器。例如，“斯拉姆”防区外攻击的红外成像制导导弹和宝石路Ⅱ/Ⅲ激光制导炸弹等。附表列出了海湾战争以来所用过的各类飞机及其光电装备和武器。
　　空中和空间侦察能力的综合作用对这次打击的总体作战效能至关重要。例如，美国空军航天司令部(AFSPC)有近600人执行各种空间支援任务。由于自海湾战争以来不断改进红外预警卫星和侦察卫星系统，美军比“沙漠风暴” 时能更好地运用航天系统及时准确地进行导航、通信、空间监察和气象监测。战区部署的U-2侦察机能够提供侦察情报。第93空军控制大队再次部署海湾地区，这种新的联合监视和目标攻击雷达系统能够提供远程空对地监视，并在全天候条件下定位和跟踪地面目标。
　　适时的战斗毁伤评估对加速战役进程、提高攻击效果和节省弹药有着十分重要的作用。此“沙漠之狐”作战也不例外。在每一次空军打击后，美军都及时地对侦察卫星和U-2飞机拍摄的打击目标照片进行分析研究，将目标的毁伤程度按照等级划分，为下一次空袭提供决策依据。
2　光电技术在高技术武器装备中的作用和特点
　　现代战争的特点之一是快速、昼夜全天侯作战和远距离攻击目标命中率高，这些已被近十年来局部战争尤其是1991年海湾战争所证实。从附表所列数据不难看出，国外先进的战斗机几乎都采用光电设备及其武器系统。其主要作用有：
2.1　增强夜战能力
　　从附表所列的飞机大多数都装有性能先进的脉冲多普勒火控雷达、前视红外系统、红外搜索跟踪系统、微光电视设备、激光测距/目标指示系统和激光目标自动跟踪系统，使飞机能在各种恶劣气候条件下作战，而且大大地增强了夜战能力。例如F-117A隐形飞机上装有红外搜索跟踪系统和激光测距/目标指示器，F/A-18多用途战斗机上装有前视红外探测系统和激光跟踪器。总之，这些飞机不仅配备先进的夜战装备，还普遍装有被动探测系统，使飞机能在机载雷达关机处于无线电静默状态下完成攻击目标的战斗任务。
2.2　提高武器命中精度
　　美国在历次空袭中广泛采用了精确制导武器使空袭命中目标平均误差从越战时10m降低到1m以下。据报导，精确激光制导炸弹的目标命中率达90%，而普通炸弹的命中率只有25%。
　　据报导，这次“沙漠之狐”行动中用的“战斧”巡航导弹基本上都是战斧Ⅲ型，1995年才定型，其中采用GPS制导代替惯性导航提高命中精度。战斧巡航导弹目前还在不断改进，据说战斧Ⅳ巡航导弹可能采用红外双波段成像末制导。
　　1991年海湾战争中，美国飞机在距目标90km的距离上超低空发射2枚“斯拉姆”导弹，都取得了百步穿杨的战绩。“斯拉姆”是美国海军研制的第四代机载远程对地攻击导弹，是“鱼叉”反舰导弹的派生型，吸收了“小牛”空地导弹在红外成像制导、白星眼空地电视制导导弹在数据链方面的先进技术、并加装了GPS接收机。该型导弹采用了复合式制导方式。它在中段使用惯性制导并结合雷达高度表控制导弹按预定航向和高度飞行，GPS系统修正惯导误差，使其精度达到10～16m，此时发射飞机和导弹之间没有信息传输，数据链静默。导弹在距目标只有1min，即约15km的飞行距离时接通数据链，弹上的红外成像制导系统开始搜索和捕获目标，并将探测图像通过数据链传输装置发送给跟踪引导飞机的飞行员。飞行员通过电视屏幕可以观察并修正导弹飞行轨迹，选定目标要害部位，锁定目标并引导导弹精确打击。这次空袭中使用的“斯拉姆”可能是改进后的AGM-84E增程型，制导方式改为电视/红外/GPS制导，圆概率误差提高到4～6m。
　　反辐射导弹是美军现代战争中必用武器，这次使用了AGM-88A哈姆反辐射导弹，它是美国第三代反辐射导弹。其制导方式为被动雷达寻的，频率范围可覆盖所有雷达工作频率。哈姆导弹还采用激光近炸引信和加装记忆软件，使导弹实战命中率达到100%。据报导，哈姆导弹将加装被动红外制导，以提高导弹抗干扰能力。
　　这次空袭中使用最多的炸弹是GBU-16和GBU-24，属“宝石路”激光制导炸弹系列。在上次海湾战争中，为了对付伊拉克的地下指挥所，美空军紧急研制了GBU-28“掩护破坏者”钻地炸弹，用来攻击地下掩体，据说最深钻地18m。海湾战争结束后，GBU-28炸弹作为一个关键项目进行攻关。新的带智能钻地弹头的炸弹可穿透多层钢筋混凝土或钢板后到达地下掩体时才发生爆炸。钻地炸弹分2000磅和5000磅两种，5000磅激光制导炸弹可穿透3.7m厚混凝土。从报导来看这次行动中采用2000磅激光制导钻地炸弹。
3　光电子武器装备的发展趋势
　　从1991年初的“沙漠风暴”到1998年底的“沙漠之狐”，美国接连实施军事打击行动，力图用高技术战争解决国际热点问题，并利用这些军事行动来促进高技术武器装备的发展和验证新的作战概念。这一系列军事行动的战果表明美军武器装备质量的先进性、体系结构的合理性及在实战中的有效性与“沙漠风暴”之前已不可同日而语。从8年来的高技术战争和美军的武器装备发展规划大体上可以看出：2010年前后武器装备将实现体系化、信息化、网络化、精确化和隐身化，一批新概念武器装备将陆续实用化，使21世纪战场成为陆、海、空、天、信息五维战场，作战空间将向外层空间扩展。随着高技术武器装备的发展，从总体上看，光电子武器装备的发展正呈现出以下的特点和趋势。
3.1　红外预警和监视
　　海湾战争后，各国十分重视反导技术的发展和反导武器系统研制和部署。据国外一些专家预计，美国在今后10年左右时间有可能初步形成全面的弹道导弹防御体系，其中红外探测技术在导弹发射预警中起到关键作用。美国针对战术弹道导弹飞行时间短、巡航导弹飞行高度低，难于探测、预警和跟踪，提出了空间、空中、海上和陆地等多种平台的预警技术发展计划。
3.1.1　加速发展天基红外探测预警系统
　　红外预警卫星作为探测弹道导弹飞行轨迹，在现代立体战争中起着其他设备无法替代的作用。海湾战争中爱国者导弹成功地击落飞毛腿导弹，其主要的原因之一就在于美国国防支援计划(DSP)红外预警卫星及早地探测到导弹的发射。目前，只有美国和俄罗斯拥有导弹预警卫星。从海湾战争中DSP卫星也暴露出许多问题，例如实时传输数据、对短程小导弹的探测能力等问题。美国为此一方面改进DSP系统，增设地面移动接收站，另一方面提出天基红外系统(SBIRS)计划，其目的是要代替DSP卫星。
　　SBIRS包括6颗高轨道卫星和11颗低轨道空间和导弹跟踪系统(SMTS)卫星。该系统具有更快的预警能力，改善对战术弹道导弹的发射预警信息，特别是着重进行弹道导弹中段弹道跟踪的SMTS将改善对战术弹道导弹和巡航导弹发射点及弹头落地的定位能力，并能提示其他探测器对导弹的跟踪。
　　SBIRS/SMTS可能采用的先进技术包括由24000元HgCdTe探测器组成的凝视型阵列和灵敏度比DSP卫星高20倍、扫描速度快10倍的扫描型探测器。
3.1.2　积极发展机载红外反导探测系统
　　海湾战争期间尽管DSP预警卫星能够观察到飞毛腿导弹的发射和飞行方面，但不能够知道导弹的落点。为此，美国一方面积极改进预警卫星；另一方面积极发展机载反导探测系统，其中包括(a)用于机载激光拦截战术弹道导道的助推段红外探测系统，(b)用于攻击战术弹道导弹发射车的红外探测系统，(c)用于巡航导弹发射的预警红外系统，(d)正在研究把预警卫星和机载红外焦平面阵列传感器的数据融合问题，(e)红外探测与激光测距相结合，提高定位精度。
　　从上述计划中充分说明，目前美国机载反导探测、跟踪、预警技术正在从单一雷达探测向红外、激光探测方向发展。
　　美国最早的机载预警试验机是机载光学辅助装置(AOA)，自海湾战争后改名为机载监视试验台(ASTB)。试验表明，ASTB上的红外望远镜能观察320km外的导弹试验目标。
　　美国一方面积极试验机载红外预警能力，另一方在极端情况下研制RC-135s眼睛蛇球战略侦察机。据最近透露的消息看，将有3架RC-135s飞机服役于美国第55空军联队。在RC-135s飞机上有四个光学窗口，内有三个主要传感器系统：二个中波红外焦平面阵列系统，每个系统由6台红外摄像机组成；一个实时光学系统(RTOS)，它有8个捕获和5个跟踪传感器组合而成。据说，该系统能定位导弹发射场，其精度达几千米，能跟踪400km以外的导弹飞行，并在几秒钟时间内确定发动机关机点和预测碰撞点。
　　目前在机载红外预警和监视系统方面红外搜索跟踪系统是迅速探测、预警、定位和识别红外威胁源的关键技术，而且将装备在现有的预警机上，成为机载反导红外探测预警系统。
3.2　激光雷达
　　现在人们把激光雷达发展的希望寄托在二极管泵浦单频固体激光器上，其军事应用包括测风速、大气数据采集、对目标定位和测速等。美国防部关键技术把激光雷达列为高灵敏度雷达之一，指望在下世纪初做出战术用激光雷达，作为战术自动目标识别系统(ATR)的三维传感器。
　　近年来，国外随着战区弹道导弹防御技术的发展，要求早期探测和跟踪，以精确定出发射点、碰撞点和可能的拦截点。因此，激光雷达与被动红外搜索跟踪系统相结合，就能精确测量弹道轨迹。据分析表明，对于要求几百公里外战区导弹防御任务，现有激光测距系统或将研制成激光系统完全具有这样的测距能力。例如最近已在RC-135s眼睛蛇球红外预警机上装了Nd∶YAG激光测距仪。
3.3　激光通信
　　在光通信中，远距离和高比特率一直是人们努力追求的方向，而且正在为21世纪信息时代的需求研制各种新的光通信系统。
　　在光纤通信领域中，波分复用(WDM)系统及其技术的突飞猛进，使得宽频带大容量通信光纤系统达到技术高峰。1996年已出现了1011～1012bit/s大容量WDM光纤通信系统样机，将是21世纪信息社会中信息高速公路的骨干，也是全球通信网的主要骨架。另一方面，光孤子通信系统的研究是目前光纤通信研究最活跃的领域。由于光孤子脉冲传输不变形的特性，再加上光放大和光脉冲压缩技术，将极大地提高传输速率和大幅度增加无中继的传输距离。
　　在空间光通信方面，国外目前卫星激光通信已经从理论研究进入到应用基础研究的试验阶段，发展日新月异。卫星激光通信的出现是现代信息社会对大容量、远距离、低成本通信的需求必然结果，而它的优点也表明了它能够承担此重任，但就目前技术水平来看还有许多技术关键尚待解决，要进入实用化阶段还有一段较长的时间。
3.4　激光武器
　　激光武器的发展已历时三十余年，一些简单的激光干扰和致盲武器已投入使用，战术防空武器的发展日趋成熟。预计激光武器的广泛使用将会使未来的战争发生深刻的变化，会对参战双方造成很大的心理威胁。
　　目前，国外以美国为代表正在发展战区弹道导弹防御用的机载激光武器。激光反导技术的重点是发展对前沿战区、战术目标如战术弹道导弹、巡航导弹、反舰导弹、反辐射导弹及空地精确制导武器的拦截能力，但是某些战略激光武器如天基化学激光武器也作为战术导弹防御计划的后备技术。从目前美国激光反导技术水平来看，已不存在重大的难题，主要是从工程上解决在各种平台上实现武器化的问题。
3.5　精确光电制导武器
　　各国在发展武器装备计划中均重点投资发展精确光电制导武器，在开发研制新型号同时，十分重视改进老的型号，其今后的发展重点在于以下几点：
3.5.1　防区外发射武器
　　这种新一代精确制导武器除已研制完成并投入使用的AGM-130、斯拉姆、陆军战术导弹系统外，正在发展的还有防区外发射多用途撒布器、反装甲战斧巡航导弹以及远射程火炮制导导弹等。在新型的精确制导武器发展中，大多数制导方案是用惯导/全球定位系统接收机作为中段制导，用红外成像或毫米波作为末制导。
3.5.2　直接碰撞动能拦截器
　　所谓动能拦截器(KI)通常是指新一代高层拦截防空导弹的末级。国外在研的新一代具有反导能力的防空导弹大都采用KI技术，而且主要采用红外成像探测技术，包括中波(3～5μm)、长波(8～12μm)以及中、长波复合探测技术。例如，美国战区高空区域防御(THAAD)系统导引头采用中波红外寻的器，而大气层外动能杀伤拦截器(ERIS)则采用长波红外寻的器，在大气层内外拦截器(E2I)采用中波与长波红外复合导引头。由于红外探测距离远、精度高，美国已把它视为反战术导弹的一种主要探测和跟踪手段。
4　启示和建议
　　纵观“沙漠之狐”行动和历次部局战争，可以看到：
　　1.未来战争中，以中远程精确打击为主导的脱离接触作战将成为美军重要的作战模式。
　　2.美军未来的作战将更加倚重精确制导武器，对地下目标与加固目标的摧毁能力更强。
　　3.美军通过实验检验空中远征部队及其作战概念，旨在提高全球快速反应交战能力。
　　4.巡航导弹和战区弹道导弹的攻防对抗将成为未来高技术局部战争的重要组成部份。
　　5.未来战争的开始、作战和取胜将可能都是在夜间。
　　6.C3I系统、防空设施和有战略威胁作用的目标在战争中将会首先受到攻击。
　　7.美军军用航天系统的作战支援保障能力将更强。空间将成为未来战争的主要战场之一。
　　针对未来战争的特点和主要威胁，从区域电子和电子战范围来看，在光电子技术方面应着重发展光电预警技术、夜视技术、光电对抗技术及其相关基础配套技术，具体建议如下：
4.1　发展光电预警监视技术
　　预警机可以探测、识别跟踪来袭空中目标、控制导引地面和机上的防空兵器进行拦截、还能监视、侦察敌军的部署和调动情况，及时判断。在区域电子系统中，当前许多国家已把有无电子预警机的设备作为衡量它的系统先进性的标准。
　　美国从导弹预警卫星投入使用开始，就着手机载红外预警技术的发展，以期建立一个在预警卫星、预警飞机和地面系统的基础上构成一个完整的红外和光学系统的导弹监视网。
　　目前红外预警已从单一的被动监视改为主/被动监视，即利用激光雷达和被动红外实现导弹轨道的三维测量，为舰载、机载、或陆基防御系统提供足够状态矢量精度的弹道轨迹。目前美国眼睛蛇球(Cobra Ball)预警机已装备部队，其中关键技术采用中红外焦平面阵列探测器和远程固体激光测距机，正在研制中的海军“门警”(Gatekeeper)系统，计划加装在现有的电子预警机(如E-3)中，其中采用了红外搜索跟踪系统和二极管泵浦固体激光雷达。
　　在未来研制电子预警机过程中，考虑到高技术战争的特点和主要威胁，发展机载光电预警监视技术势在必行，以缩短与国外的差距。当然，从长远考虑，根据国家的财力，应该积极准备研制红外预警卫星，以构成一个完整红外和光学系统的导弹预警监视网。另外，随着机载激光武器的发展，最终有可能把红外跟踪、激光雷达与激光武器相结合，成为一种综合性机载战术导弹防御系统。
4.2　加速发展基础配套技术
　　光电子技术是一门新的技术，从总体上看，我国与国外差距较大。影响我国光电子技术发展主要因素之一是光电子元器件及其配套技术，因此一定要抓住基础技术不放，为上先进的光电子系统提供充分必要的条件。
　　首先，围绕图像信息的获取和处理、存贮和显示发展光电子器件和技术。
　　图像信息所含信息量最大，可以认为是信息的最高形式。在高技术战争中，不仅侦察、预警、精确制导、导航、夜视都需要图像信息，而且指挥决策、训练、后勤保障都越来越依赖于图像信息。光电子技术由于其固有特点，正好在图像信息方面大显身手。
　　在图像信息获取方面，近期应着重发展以HgCdTe和InSb材料为重点的红外中波和长波及双色焦平面探测器阵列，加强信号处理电路和其他配套技术，相应发展以焦平面阵列探测器为基础的红外前视或红外搜索跟踪系统，同时研制非致冷红外焦平面阵列探测器。中远期要扩大焦平面阵列规模，发展多光谱高分辩率阵列，提高其作用距离、空间分辩率和目标识别能力。在发展被动探测技术的同时，积极发展以二极管泵浦固体激光器为重点的主动激光成像技术。
　　在图像信息传输方面，在发展地面和武器平台内光纤通信技术同时，开展空间激光通信技术的研究，相应研制高速图像信息传输所需要的关键光电子器件，如高速半导体激光器、二极管泵浦固体激光器、高速光调制器和高灵敏宽带探测器等。
　　在图像显示方面，发展适合于军用恶劣环境的平板显示技术、大屏幕显示技术，适用于虚拟现实头盔所需要的微型高分辩率液晶显示器。从长远看，还要发展中型、大型三维显示技术。
　　最后，针对光电对抗和定向能武器的需求发展大功率激光器及相应配套技术。以激光能量作为杀伤武器的光电对抗和定向能武器是军用光电子技术的又一个重要方向，在高技术战争中有着特别重要的作用。当前公认的最适合作定向能武器的激光器是氧碘化学激光器和氟化氘化学激光器，但从发展势头和潜力看，二极管泵浦固体激光器和锁相二极管激光器阵列最具优势。经过努力，它的波长、功率、光束质量、效率等主要指标可能最适合星载和机载的要求。为此，必须从提高激光器效率、功率、光束质量和降低器件成本几个方面作出巨大努力，包括以新的固体激光工作物质代替现有Nd∶YAG晶体，发展新的高功率激光二极管机理和结构、发展更有效的散热技术等等。

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