2010年第2期桂林航天工业高等专科学校学报
JO U RN A L O F G U IL IN CO L LEG E O F A EROSP ACE T ECH NO L OG Y 信息与电子工程(总第58期)
微波武器反无人机效能指标体系分析
陈杰 程德胜
(南京军区三界合同战术训练基地, 江苏 滁州 239421)
＊
摘 要 武器系统的效能是评价武器系统优劣最重要的综合性指标, 建立正确的效能指标体系是进行效能分析与评价
的前提。论文在对微波武器的毁伤机理、存在不足、作战效能等方面进行分析的基础上, 建立了微波武器系统效能指标体系并对效能评估的具体内容进行了定义。
无人机; 效能指标体系关键词 微波武器;
T J762. 2 文献标志码:A 文章编号:1009-1033(2010) 02-0139-03中图分类号:
微波武器是一种具备软硬多种杀伤效应的定向能武器, 又称射频武器。它与激光武器相比, 其波束宽得多, 作用距离更远, 受气候影响更小, 并且只需大致指向目标, 不必像激光武器那样精确跟踪、瞄准目标, 便于火力控制, 因此, 利用微波定向能武器反无人机侦察可以使敌方对抗措施更加困难和复杂化。高功率微波武器能破坏无人机系统中的电子设备, 使其丧失作战效能, 还能够攻击隐身无人机武器。同时, 微波武器还能破坏无人机的通信链路, 使其机载探测设备及数据传输与处理受到影响。本文在对微波武器的毁伤机理、存在不足、作战效能等方面进行分析的基础上, 建立了微波武器系统效能指标体系并对效能评估的具体内容进行了定义, 为武器系统的研制、作战运用及反无人机的作战效能评定奠定基础。
(2) 电磁辐射场作用。微波定向能武器的电磁辐射对无人机的任务设备造成电磁干扰, 使其产生误动作或功能失效; 强电磁脉冲及其浪涌效应对设备还可以造成硬损伤, 既可以造成器件或电路的性能参数劣化或完全失效, 也可以形成累积效应。
(3) 静电场效应。微波定向能武器产生的强电场不仅可使M OS 电路的栅氧化层击穿或金属化线间介质击穿, 造成电路失效, 而且可形成潜在性损伤, 对系统和敏感电路的工作可靠性造成影响。
(4) 磁效应。微波定向能武器可产生强磁场, 使电磁能量可直接耦合到系统内部, 干扰电子设备的正常工作。
随着科学技术的发展, 无人机装备的日益现代化, 微电子器件和电发火装置大量增加, 现代化的无人机系统的电磁敏感度越来越高, 因此, 通过高能微波武器的快上升沿脉冲电流形成的电磁脉冲场, 对无人机装备的安全性乃至生存能力构成了严重的威胁。但是, 微波武器也遇到了问题:
微波武器的主要指标有输出功率、波长、光束质量和武器化程度, 高功率微波辐照目标表面之后, 可产生一系列的热学、力学等物理和化学过程, 使目标的某些部件受到暂时或永久性损伤。主要通过能量的传导耦合或辐射耦合对目标有烧蚀效应、热软化效应、辐射效应、力学效应。其破坏机理包括金属结构的硬破坏、对传感器组件的软破坏、对玻璃钢的碳化等, 其主要作用机理可以概括为以下几个方面[1-3]。
(1) 热效应。微波定向能武器产生的热效应一般是在ns 或us 量级完成的, 是一种绝热过程。作为点火源、引爆源, 瞬时可引起易燃、易爆气体或电火工品爆炸; 可使系统中的微电子器件、电磁敏感电路过热, 造成局部热损伤, 电路性能变坏或失效, 甚至导致库存物资燃烧爆炸。
一是许多国家的军用电子系统装有防原子破坏设备, 并开始制定了有关军用电子设计标准。这些电子设备使无人机对微波武器也有着防范作用, 其原因是金属板可保护电子设备不受微波热效应的影响。二是使用中对友邻部队可能构成威胁。为了发挥微波武器的作用, 其功率必须很大, 这样就可能对在一定范围内的友邻部队的电子系统构成巨大威胁。为防止这一点, 就必须采用高度定向的天线或利用地面屏蔽物。
因此, 在发展微波武器系统时, 要充分研究微波武器在作战使用中的效能指标和评估体系, 为微波武器系统的规划、研制、配置和部署提供基本依据, 从而使微波武器在反无人机对抗中发挥最大的效能。
1 高功率微波武器的毁伤机理及与作用方式
＊作者简介:陈杰(1972-) , 男, 江苏南京人。技术工作站站长。
2010年第2期桂林航天工业高等专科学校学报
JO U RN A L O F G U IL IN CO L L EG E O F A ERO SPA CE T ECH NO L OG Y 陈杰 程德胜/文(总第58期)
2 微波武器反无人机对抗效能指标体系结构
2. 1 效能指标结构
系统效能是指系统能够满足(或完成) 一组特定任务的量度。对微波武器系统建立正确的对抗效能指标体系绝不是一件容易的事。由于无人机目标小、机动灵活、飞行的轨道低和速度慢的特点, 因此, 在对抗无人机时, 必须具备四个基本能力[3-4]:(1) 发现来袭目标, 确定来袭目标的航线和轨道高度; (2) 对目标进行敌我识别、目标跟踪、射击瞄准; (3) 发射高能微波射束, 对无人机系统进行攻击; (4) 目标被摧毁程度的判定。
微波束武器是一种可重复使用的高功率微波武器, 是多脉冲重复发射装置。它由能源系统、重复频率加速器、高效微波器件和定向发射系统构成, 可用特殊天线将磁波汇聚成方向性极强、能量极高的波束, 在空中以光速直线传播, 用于杀伤人员和电子设备。对于具体的武器系统, 其对抗能力包括:搜索能力、发射能力、跟踪能力和毁伤能力, 它们各自的含义如下(如图1所示) :
(1) 搜索能力。用来表达微波武器系统发现无人机的能力。主要由发现距离、发现时间、发现概率等参数来具体描述。
(2) 发射能力。用来表现微波武器系统中微波武器性能的一项指标, 是表征微波产生的水平的。可用功率密度来表征, 它的定义是单位面积里微波波束的功率。
(3) 跟踪能力。跟踪瞄准系统用于使发射望远镜始终跟踪瞄准无人机目标, 并使微波武器的主瓣对准无人机某一固定部位, 从而有效地摧毁或损伤之。
(4) 毁伤能力。用来表示微波武器与无人机相互作用的能力, 它与到达目标处的功率密度、微波能量在目标上的驻留时间和目标特性等因素有关。当跟踪系统指引微波束以一定角速度跟踪目标时, 飞机飞行进入微波有效作用范围直到脱离, 在此过程中微波照射在目标表面上的累计时间为驻留时间。在微波功率密度一定的条件下, 能量积累与微波束在目标上的驻留时间有关。
在反无人机对抗效能分析中, 可以分为四个层次:第一层次为系统总体对抗能力, 可以描述为系统完成任务的程度, 即表现为对某无人机的总体对抗效能; 第二层次为系统四个基本对抗能力分析, 该层次描述了系统在四个基本能力层的性能。第三层次为性能指标层, 性能指标层为系统在各状态为描述其性能的一系列性能指标。第四层次为指标底层, 指标底层为影响性能指标的各个参数。
图1 微波定向能系统效能指标体系结构
2. 2 效能评估
效能评估[3-4]是对某一研究对象的作用和价值, 由其原理出发, 按照特定准则, 做出判断。考虑到微波武器系统的对抗效能呈现出较为复杂的层次结构, 且有些较高层次的效能指标与其下层指标之间有相互影响, 只有通过对其下层指标进行综合, 才能评价其效能指标, 所以采用多指标综合评价法。一般是指采用对武器效能量化手段来评估武器
系统执行任务所能达到的预期目标的可能程度。评估首先是要依据作战任务和目的, 制定效能分析的目标和衡量标准, 然后计算武器系统完成规定目标能力的概率, 从而得到系统的对抗效能分析。
表1给出了微波武器系统不同作战任务和目的时对抗效能定义。其效能分析的衡量标准为目标破坏概率。
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表1 微波武器系对抗效能定义
作战对象
航空照相机航空摄像机
侦察无人机
飞行控制器火工品发动机火花塞发电机电路天线磁航向
攻击无人机
G PS 定位仪炸弹导弹高度传感器
作战目的失效失效失控引爆失效断路损坏失效乱码引爆引爆失效
作战效能
使光学镜头损坏的概率使摄像机失效的概率使无人机失控的概率使火工品引爆的概率使发动机熄火的概率使发电机失效的概率
使天线设备温度升高损坏的概率使飞机迷失航向的概率使飞机迷失方位的概率使携带的炸弹引爆的概率使携带的导弹引爆的概率使飞机高度失控的概率
总目标, 是评价微波武器系统作战效能优劣最重要的综合
3 结束语
高功率微波武器是正在发展的一种具有威慑力量的战略战术高兵器系统, 因此这类武器一旦形成装备并广泛应用于战场, 必将对未来的战争的样式产上巨大而深远的影响。而微波武器系统的效能是研制、使用该系统所追求的
性指标。在使用微波定向能武器对抗无人机作战时, 建立正确的效能指标体系是进行效能分析与评价的前提, 同时, 效能指标作为方案的决策依据或系统的评价标准, 决定了微波武器系统的成败。
参考文献
[1] 刘尚合. 武器装备的电磁环境效应及其发展趋势[J ]. 装备指挥技术学院学报, 2005, 2(1) :29-30. [2] 范勇. 无人机对防空作战的影响及对策研究[D ]. 西安:空军工程大学, 2005. [3] 曹永珠. 定向能武器的现状及未来的研究和发展趋势[J ]. 装备发展, 1998(3) :10-12. [4] 李廷杰. 导弹武器系统的效能及其分析[M ]. 北京:国防工业出版社, 2000:1-2.
(责任编辑 李卫华)
(上接第138页)
时详细论述了接收机天线阵列的阵列选取, 并分别对接收机各功能块的实现进行了简要的论述。
通过本文的论述, 构建了基于智能天线技术的W i -Fi 数模混合接收机的系统原理框图。
4 结束语
通过对传统空间处理接收机的分析比较, 创新提出了一种新型的基于智能天线技术的数模混合接收机结构。同
参考文献
[1] A ri Ho ttinen , Olav Tirkkonen , Risto W ichman [M ]. M ulti -antenna T ransceiver T echniques fo r3G and Bey ond .
Beijing China :China Railw ay publishing house . 2004.
[2] Jo chen Schiller . M o bile Co mmunications [M ]. second editio n , Beijing China , High Educa tion Publicatio n , 2005.
171-197.
[3] 谢显中, 等. 基于T DD 的第四代移动通信技术[M ]. 北京:电子工业出版社, 2005. [4] 谢宁, 等. 低复杂性宽带自适应天线阵列[J ]. 中山大学学报, 2009(4) :31-35. [5] 罗涛, 乐光新. 多天线无线通信原理与应用[M ]. 北京:北京邮电大学出版社, 2005. [6] 吴伟陵, 牛凯. 移动通信原理[M ]. 北京:电子工业出版社, 2005:272-287. [7] 林锦顺, 等. 多波束自适应天线阵列对抗技术研究[J ]. 通信对抗, 2009(1) :37-40.
(责任编辑 李卫华)
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微波武器反无人机效能指标体系分析
陈杰 程德胜
(南京军区三界合同战术训练基地, 江苏 滁州 239421)
＊
摘 要 武器系统的效能是评价武器系统优劣最重要的综合性指标, 建立正确的效能指标体系是进行效能分析与评价
的前提。论文在对微波武器的毁伤机理、存在不足、作战效能等方面进行分析的基础上, 建立了微波武器系统效能指标体系并对效能评估的具体内容进行了定义。
无人机; 效能指标体系关键词 微波武器;
T J762. 2 文献标志码:A 文章编号:1009-1033(2010) 02-0139-03中图分类号:
微波武器是一种具备软硬多种杀伤效应的定向能武器, 又称射频武器。它与激光武器相比, 其波束宽得多, 作用距离更远, 受气候影响更小, 并且只需大致指向目标, 不必像激光武器那样精确跟踪、瞄准目标, 便于火力控制, 因此, 利用微波定向能武器反无人机侦察可以使敌方对抗措施更加困难和复杂化。高功率微波武器能破坏无人机系统中的电子设备, 使其丧失作战效能, 还能够攻击隐身无人机武器。同时, 微波武器还能破坏无人机的通信链路, 使其机载探测设备及数据传输与处理受到影响。本文在对微波武器的毁伤机理、存在不足、作战效能等方面进行分析的基础上, 建立了微波武器系统效能指标体系并对效能评估的具体内容进行了定义, 为武器系统的研制、作战运用及反无人机的作战效能评定奠定基础。
(2) 电磁辐射场作用。微波定向能武器的电磁辐射对无人机的任务设备造成电磁干扰, 使其产生误动作或功能失效; 强电磁脉冲及其浪涌效应对设备还可以造成硬损伤, 既可以造成器件或电路的性能参数劣化或完全失效, 也可以形成累积效应。
(3) 静电场效应。微波定向能武器产生的强电场不仅可使M OS 电路的栅氧化层击穿或金属化线间介质击穿, 造成电路失效, 而且可形成潜在性损伤, 对系统和敏感电路的工作可靠性造成影响。
(4) 磁效应。微波定向能武器可产生强磁场, 使电磁能量可直接耦合到系统内部, 干扰电子设备的正常工作。
随着科学技术的发展, 无人机装备的日益现代化, 微电子器件和电发火装置大量增加, 现代化的无人机系统的电磁敏感度越来越高, 因此, 通过高能微波武器的快上升沿脉冲电流形成的电磁脉冲场, 对无人机装备的安全性乃至生存能力构成了严重的威胁。但是, 微波武器也遇到了问题:
微波武器的主要指标有输出功率、波长、光束质量和武器化程度, 高功率微波辐照目标表面之后, 可产生一系列的热学、力学等物理和化学过程, 使目标的某些部件受到暂时或永久性损伤。主要通过能量的传导耦合或辐射耦合对目标有烧蚀效应、热软化效应、辐射效应、力学效应。其破坏机理包括金属结构的硬破坏、对传感器组件的软破坏、对玻璃钢的碳化等, 其主要作用机理可以概括为以下几个方面[1-3]。
(1) 热效应。微波定向能武器产生的热效应一般是在ns 或us 量级完成的, 是一种绝热过程。作为点火源、引爆源, 瞬时可引起易燃、易爆气体或电火工品爆炸; 可使系统中的微电子器件、电磁敏感电路过热, 造成局部热损伤, 电路性能变坏或失效, 甚至导致库存物资燃烧爆炸。
一是许多国家的军用电子系统装有防原子破坏设备, 并开始制定了有关军用电子设计标准。这些电子设备使无人机对微波武器也有着防范作用, 其原因是金属板可保护电子设备不受微波热效应的影响。二是使用中对友邻部队可能构成威胁。为了发挥微波武器的作用, 其功率必须很大, 这样就可能对在一定范围内的友邻部队的电子系统构成巨大威胁。为防止这一点, 就必须采用高度定向的天线或利用地面屏蔽物。
因此, 在发展微波武器系统时, 要充分研究微波武器在作战使用中的效能指标和评估体系, 为微波武器系统的规划、研制、配置和部署提供基本依据, 从而使微波武器在反无人机对抗中发挥最大的效能。
1 高功率微波武器的毁伤机理及与作用方式
＊作者简介:陈杰(1972-) , 男, 江苏南京人。技术工作站站长。
2010年第2期桂林航天工业高等专科学校学报
JO U RN A L O F G U IL IN CO L L EG E O F A ERO SPA CE T ECH NO L OG Y 陈杰 程德胜/文(总第58期)
2 微波武器反无人机对抗效能指标体系结构
2. 1 效能指标结构
系统效能是指系统能够满足(或完成) 一组特定任务的量度。对微波武器系统建立正确的对抗效能指标体系绝不是一件容易的事。由于无人机目标小、机动灵活、飞行的轨道低和速度慢的特点, 因此, 在对抗无人机时, 必须具备四个基本能力[3-4]:(1) 发现来袭目标, 确定来袭目标的航线和轨道高度; (2) 对目标进行敌我识别、目标跟踪、射击瞄准; (3) 发射高能微波射束, 对无人机系统进行攻击; (4) 目标被摧毁程度的判定。
微波束武器是一种可重复使用的高功率微波武器, 是多脉冲重复发射装置。它由能源系统、重复频率加速器、高效微波器件和定向发射系统构成, 可用特殊天线将磁波汇聚成方向性极强、能量极高的波束, 在空中以光速直线传播, 用于杀伤人员和电子设备。对于具体的武器系统, 其对抗能力包括:搜索能力、发射能力、跟踪能力和毁伤能力, 它们各自的含义如下(如图1所示) :
(1) 搜索能力。用来表达微波武器系统发现无人机的能力。主要由发现距离、发现时间、发现概率等参数来具体描述。
(2) 发射能力。用来表现微波武器系统中微波武器性能的一项指标, 是表征微波产生的水平的。可用功率密度来表征, 它的定义是单位面积里微波波束的功率。
(3) 跟踪能力。跟踪瞄准系统用于使发射望远镜始终跟踪瞄准无人机目标, 并使微波武器的主瓣对准无人机某一固定部位, 从而有效地摧毁或损伤之。
(4) 毁伤能力。用来表示微波武器与无人机相互作用的能力, 它与到达目标处的功率密度、微波能量在目标上的驻留时间和目标特性等因素有关。当跟踪系统指引微波束以一定角速度跟踪目标时, 飞机飞行进入微波有效作用范围直到脱离, 在此过程中微波照射在目标表面上的累计时间为驻留时间。在微波功率密度一定的条件下, 能量积累与微波束在目标上的驻留时间有关。
在反无人机对抗效能分析中, 可以分为四个层次:第一层次为系统总体对抗能力, 可以描述为系统完成任务的程度, 即表现为对某无人机的总体对抗效能; 第二层次为系统四个基本对抗能力分析, 该层次描述了系统在四个基本能力层的性能。第三层次为性能指标层, 性能指标层为系统在各状态为描述其性能的一系列性能指标。第四层次为指标底层, 指标底层为影响性能指标的各个参数。
图1 微波定向能系统效能指标体系结构
2. 2 效能评估
效能评估[3-4]是对某一研究对象的作用和价值, 由其原理出发, 按照特定准则, 做出判断。考虑到微波武器系统的对抗效能呈现出较为复杂的层次结构, 且有些较高层次的效能指标与其下层指标之间有相互影响, 只有通过对其下层指标进行综合, 才能评价其效能指标, 所以采用多指标综合评价法。一般是指采用对武器效能量化手段来评估武器
系统执行任务所能达到的预期目标的可能程度。评估首先是要依据作战任务和目的, 制定效能分析的目标和衡量标准, 然后计算武器系统完成规定目标能力的概率, 从而得到系统的对抗效能分析。
表1给出了微波武器系统不同作战任务和目的时对抗效能定义。其效能分析的衡量标准为目标破坏概率。
2010年第2期桂林航天工业高等专科学校学报
JO U RN A L O F G U IL IN CO L L EG E O F A ERO SPA CE T ECH NO L OG Y 陈杰 程德胜/文(总第58期)
表1 微波武器系对抗效能定义
作战对象
航空照相机航空摄像机
侦察无人机
飞行控制器火工品发动机火花塞发电机电路天线磁航向
攻击无人机
G PS 定位仪炸弹导弹高度传感器
作战目的失效失效失控引爆失效断路损坏失效乱码引爆引爆失效
作战效能
使光学镜头损坏的概率使摄像机失效的概率使无人机失控的概率使火工品引爆的概率使发动机熄火的概率使发电机失效的概率
使天线设备温度升高损坏的概率使飞机迷失航向的概率使飞机迷失方位的概率使携带的炸弹引爆的概率使携带的导弹引爆的概率使飞机高度失控的概率
总目标, 是评价微波武器系统作战效能优劣最重要的综合
3 结束语
高功率微波武器是正在发展的一种具有威慑力量的战略战术高兵器系统, 因此这类武器一旦形成装备并广泛应用于战场, 必将对未来的战争的样式产上巨大而深远的影响。而微波武器系统的效能是研制、使用该系统所追求的
性指标。在使用微波定向能武器对抗无人机作战时, 建立正确的效能指标体系是进行效能分析与评价的前提, 同时, 效能指标作为方案的决策依据或系统的评价标准, 决定了微波武器系统的成败。
参考文献
[1] 刘尚合. 武器装备的电磁环境效应及其发展趋势[J ]. 装备指挥技术学院学报, 2005, 2(1) :29-30. [2] 范勇. 无人机对防空作战的影响及对策研究[D ]. 西安:空军工程大学, 2005. [3] 曹永珠. 定向能武器的现状及未来的研究和发展趋势[J ]. 装备发展, 1998(3) :10-12. [4] 李廷杰. 导弹武器系统的效能及其分析[M ]. 北京:国防工业出版社, 2000:1-2.
(责任编辑 李卫华)
(上接第138页)
时详细论述了接收机天线阵列的阵列选取, 并分别对接收机各功能块的实现进行了简要的论述。
通过本文的论述, 构建了基于智能天线技术的W i -Fi 数模混合接收机的系统原理框图。
4 结束语
通过对传统空间处理接收机的分析比较, 创新提出了一种新型的基于智能天线技术的数模混合接收机结构。同
参考文献
[1] A ri Ho ttinen , Olav Tirkkonen , Risto W ichman [M ]. M ulti -antenna T ransceiver T echniques fo r3G and Bey ond .
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(责任编辑 李卫华)