高重頻激光對激光制導(dǎo)武器的干擾機(jī)理分析

王云萍，張海洋，鄭星元，馮 爽，趙長明*

高重頻激光對激光制導(dǎo)武器的干擾機(jī)理分析

王云萍1，2，張海洋1，鄭星元1，馮 爽1，趙長明1*

（1.北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京100081；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094）

為了研究高重頻激光對激光制導(dǎo)武器的干擾機(jī)理，根據(jù)高重頻激光干擾原理，建立了半主動激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭編碼識別模型、時間波門模型、多信號處理模型和干擾信號調(diào)制處理模型等相關(guān)理論模型，提出了導(dǎo)引頭干擾有效的3σ判定準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了多源干擾和信號調(diào)制特性對高重頻激光干擾效果的影響，并進(jìn)行了仿真系統(tǒng)測試。結(jié)果表明，多源干擾和干擾信號頻率調(diào)制能夠有效增強(qiáng)干擾效果，干擾信號幅值調(diào)制對干擾效果改善作用并不明顯。該研究結(jié)果將為高重頻激光干擾效果評估和高重頻激光干擾系統(tǒng)應(yīng)用提供理論參考。

激光技術(shù)；高重頻激光；激光導(dǎo)引頭；干擾機(jī)理；效果評估

引 言

高重頻激光脈沖能夠有效對抗半主動激光制導(dǎo)武器［1］。高重頻激光對半主動激光制導(dǎo)武器的干擾效果，很大程度上取決于導(dǎo)引頭信息處理部分的抗干擾措施，同時還取決于干擾信號的樣式以及干擾方式的運(yùn)用，與雙方的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。由于高重頻激光干擾脈沖重復(fù)頻率非常高，干擾激光脈沖信號特性比較復(fù)雜，而且激光導(dǎo)引頭可能采用編碼識別、時間波門和首脈沖鎖定等多種抗干擾措施，因此，關(guān)于高重頻激光對激光導(dǎo)引頭的干擾機(jī)理比較復(fù)雜［2-7］，有待進(jìn)一步深入研究。本文中建立了干擾機(jī)理分析模型，并基于不同的導(dǎo)引頭信號處理特性，研究了多源干擾和干擾信號調(diào)制特性對半主動激光導(dǎo)引頭的干擾效果，為高重頻激光干擾效果評估和高重頻激光干擾系統(tǒng)應(yīng)用提供參考。

1 高重頻激光干擾基本原理

高重頻激光干擾不需要知道敵方的重復(fù)頻率、碼型等制導(dǎo)參量，只要激光脈沖的重復(fù)頻率足夠高，保證干擾脈沖能夠進(jìn)入敵方導(dǎo)引頭的時間波門，就可能影響導(dǎo)引頭提取目標(biāo)信號，最終使制導(dǎo)武器偏離攻擊，達(dá)到干擾的目的。高重頻激光干擾原理如圖1所示。

Fig.1 Diagram of high-frequency laser jamming principle

2 干擾機(jī)理分析模型

2.1編碼識別模型

由于使用得比較多的是精確頻率碼和脈沖間隔編碼，下面主要建立這兩種編碼的數(shù)學(xué)模型。

對于精確頻率碼，是指編碼的激光脈沖間隔T0在整個照射周期內(nèi)固定不變，其脈沖序列為：

在識別的時候，需要根據(jù)2個或3個脈沖確定脈沖時間間隔，進(jìn)而準(zhǔn)確地確定脈沖的重復(fù)頻率，即可識別碼型。

對于脈沖間隔編碼，假設(shè)激光導(dǎo)引頭預(yù)先設(shè)置的脈沖位數(shù)為n，周期為T，編碼方式為Pi，則有：

假設(shè)導(dǎo)引頭接收到一串激光脈沖序列為tj，下標(biāo)j為接收到的激光脈沖序號，則設(shè)立一個參量Qji：

式中，Δτ為信號識別的時間范圍。設(shè)j取k值時，計(jì)算Qki與Pi相等，則導(dǎo)引頭識別出的制導(dǎo)回波信號的時間為tk+T。

2.2時間波門模型［8-10］

一般情況下激光導(dǎo)引頭都會對信號的采集設(shè)置時間波門控制，相當(dāng)于對連續(xù)時間的信號在時域上進(jìn)行加窗處理，得到時間窗內(nèi)的信號。下面分為固定波門和實(shí)時波門兩種情況建立模型。

對于固定波門，當(dāng)導(dǎo)引頭識別出目標(biāo)回波信號后，第k個周期第i脈位的波門打開時間為：

式中，ΔT為波門的設(shè)置寬度，相應(yīng)的波門關(guān)閉的時間為tki′＝tki+ΔT。

對于實(shí)時波門，假設(shè)上一次接收到脈沖的時間為tm，在制導(dǎo)信號的周期中對應(yīng)的脈沖位數(shù)為m，下一個脈沖對應(yīng)的脈沖位數(shù)為l，則下一波門打開的時間為：

相應(yīng)的波門關(guān)閉時間為tl′＝tl+ΔT。對每個波門內(nèi)的波形進(jìn)行采集數(shù)字化后，即可得到每一幀數(shù)據(jù)的信息，根據(jù)所需進(jìn)行判別選取，即可得到所需的信號信息。

2.3多信號處理模型［8-10］

高重頻干擾時，激光導(dǎo)引頭在一個波門內(nèi)接收的激光信號可能不止一個，采用首脈沖鎖定時，則導(dǎo)引頭認(rèn)為波門里的第1個信號為制導(dǎo)信號。假設(shè)有多臺高重頻干擾機(jī)同時干擾激光制導(dǎo)武器，其中序號為i的高重頻激光干擾機(jī)發(fā)射的激光脈沖序列被激光導(dǎo)引頭接收到的時間為：式中，ti為第i臺激光干擾機(jī)發(fā)射第1個脈沖的時間；fi為第i臺激光干擾機(jī)的重復(fù)頻率；Rij為第i臺激光干擾機(jī)第j個脈沖發(fā)射時干擾機(jī)到激光導(dǎo)引頭的距離；c＝3×108m／s為光速。

假設(shè)第l個波門的前、后沿時間分別為t1l和t2l，則最靠近此波門前沿的第i臺激光干擾機(jī)發(fā)射的干擾信號的序號為：

則第Ni（l+1）脈沖干擾信號被導(dǎo)引頭接收到的時間til，由（8）式計(jì)算。如果til＜t2l，則此干擾信號就是第i臺干擾機(jī)進(jìn)入第l個波門的第1個信號。此時，導(dǎo)引頭接收制導(dǎo)回波信號的時間為：

式中，R1為導(dǎo)引頭識別出制導(dǎo)回波信號時的彈-目標(biāo)距離；Rl為實(shí)時波門的第l－1個波門接收到制導(dǎo)回波信號時的彈-目標(biāo)距離；R2為與第l個波門接收的制導(dǎo)信號發(fā)射時的彈-目標(biāo)距離。

如果最靠近波門前沿的信號與后續(xù)信號時間間隔很小以致不能被分辨，則在理論上這兩個信號應(yīng)被作為一個信號處理。但考慮到波門的寬度為數(shù)十微秒到數(shù)百微秒，而調(diào)Q激光的脈沖寬度只有十幾個納秒，假設(shè)導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)激光脈沖信號或者對激光脈沖信號展寬很小，則兩個信號時間間隔很小以致不能被分辨的概率很小，所以，只要比較各臺干擾機(jī)進(jìn)入波門的第1個信號到達(dá)激光導(dǎo)引頭的時間和制導(dǎo)信號到達(dá)激光導(dǎo)引頭的時間，激光導(dǎo)引頭只處理最靠近波門前沿的信號。

若采用的不是首脈沖檢測的方式進(jìn)行判定，則需要根據(jù)不同的算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，例如采用峰值保持電路（數(shù)字峰值采樣），則不需要對脈沖位置進(jìn)行判別，只需要選取最大峰值點(diǎn)作為有用信號即可。

2.4掃幅和掃頻信號處理模型

2.4.1 掃幅模型 對于掃幅，是指高重頻激光脈沖幅值按照一定的函數(shù)變化，假設(shè)其變化函數(shù)為：式中，A0為信號未加調(diào)制時初始幅值；ω為信號掃描的角頻率。

導(dǎo)引頭接收時，假設(shè)為固定波門，接收時間為指示光周期的M倍，此時接收波門內(nèi)指示光個數(shù)為M，則波門內(nèi)中心位置的干擾光的幅值為：

式中，Δt為脈沖時間間隔。

2.4.2 掃頻模型 對于掃頻，則指高重頻激光脈沖的頻率按照一定的函數(shù)變化，假設(shè)其變化規(guī)律按照鋸齒波形變化，表達(dá)式為：

式中，A′是一個系數(shù)，掃描周期T為：

若存在多個脈沖，則：

式中，fs為指示光頻率；Δf為掃頻步長；fmax，fmin為掃頻的最大值和最小值。

導(dǎo)引頭波門中心位置的頻率為：

3 干擾效果分析

3.1干擾有效的判別準(zhǔn)則

在進(jìn)行下述干擾效果分析時，通過對干擾前后的數(shù)據(jù)處理，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)觀點(diǎn)建立干擾效果分析模型。

在無干擾時，假設(shè)導(dǎo)引頭輸出目標(biāo)的位置服從以r0為中心、標(biāo)準(zhǔn)差為σ的正態(tài)分布，則目標(biāo)位置r處的概率分布為：式中，x，y分別為r對應(yīng)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

若干擾后，導(dǎo)引頭輸出的目標(biāo)位置位于±3σ以外，則認(rèn)為干擾有效：

式中，fs為目標(biāo)指示激光脈沖的頻率，單位為Hz。

3.2干擾效果仿真結(jié)果分析

3.2.1 多干擾源對干擾效果的影響 假設(shè)同時存在兩個干擾源，頻率均為100kHz，干擾源之間不存在相關(guān)性，進(jìn)入波門的時間差為半個周期，干擾源1的位置重心在第一象限，干擾源2的位置重心在第二象限，對應(yīng)的能量值如表1所示。

根據(jù)上述干擾有效的判別準(zhǔn)則，首先統(tǒng)計(jì)處理無干擾時段導(dǎo)引頭輸出的目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，獲得目標(biāo)位置中心值（均值）r0和均方根誤差σ。之后，統(tǒng)計(jì)處理實(shí)施干擾時段t內(nèi)導(dǎo)引頭輸出的目標(biāo)位置的總個數(shù)N，依據(jù)（18）式計(jì)算干擾有效的次數(shù)Ne，并按照下式計(jì)算干擾有效的概率P：

Table 1 Location of the target and interference sources with dual-source interference simulation

干擾源1單獨(dú)存在時，其干擾概率為20.6%，如圖2所示。干擾源2單獨(dú)存在時，其干擾概率為19.77%，如圖3所示。兩個干擾源同時存在時，干擾成功的概率為37.38%，如圖4所示。圖中坐標(biāo)原點(diǎn)為指示信號的坐標(biāo)分布圖，第一象限和第二象限點(diǎn)為干擾之后的坐標(biāo)點(diǎn)，左上圖為干擾的時域波形，前半段未加干擾，后半段加上相應(yīng)的干擾，右上圖為未加干擾時坐標(biāo)分布圖，左下圖為在干擾作用下的概率分布，右下圖為干擾作用下的坐標(biāo)分布圖。

3.2.2 干擾信號調(diào)制對干擾效果的影響 若高重頻激光器發(fā)射單一頻率干擾光，可能會被導(dǎo)引頭接收系統(tǒng)識別干擾頻率進(jìn)而進(jìn)行剔除處理，從而達(dá)到干擾效果失效，因此考慮干擾光頻率和幅值按照一定的規(guī)律變化，仿真界面如圖5所示。

Fig.2 Individual results of interference source 1

Fig.3 Individual results of interference source 2

Fig.4 Results of double interference sources

Fig.5 The simulation interface of interference effect under jamming signal modulation

（1）干擾激光幅值調(diào)制對干擾效果的影響

假設(shè)高重頻激光干擾脈沖幅值按照正弦頻率A（1+0.5cosθ）變化，掃幅變化區(qū)間為幅值的0.5倍～1.5倍，按照波門內(nèi)的脈沖個數(shù)為1，2，3，4，6，分別仿真導(dǎo)引頭時間波門內(nèi)不同干擾脈沖個數(shù)時的干擾效果。圖6為時間波門內(nèi)有4個脈沖的掃幅結(jié)果，左上圖為前段時間為未加干擾，后半段時間為加上掃幅干擾的波形，左下圖為干擾光存在時的坐標(biāo)概率密度。可以看到干擾光干擾合成位置不固定，分布在干擾源和指示目標(biāo)的連線上。

Fig.6 Results of amplitude-sweep with four pulses in the time gate

圖7 為干擾效果與掃幅關(guān)系仿真圖，圖中，y1表示固定幅值的測試結(jié)果，y3表示掃幅條件下的測試結(jié)果，可以看出對干擾激光能量進(jìn)行調(diào)制對于抗干擾效果的影響不是很大。

Fig.7 Simulation image of the relationship between interference effect and amplitude-sweep

（2）干擾激光頻率調(diào)制對干擾效果的影響

假設(shè)高重頻激光的頻率按照鋸齒波形變化，其變化步長通過Δf設(shè)定，頻率從100kHz～1MHz掃描變化，導(dǎo)引頭的時間波門固定為10μs，仿真結(jié)果見圖8。

Fig.8 The relationship between interference effect and freq-sweep step

由仿真結(jié)果可以看出，相對于固定頻率可被抗干擾算法剔除而言，掃頻的干擾效果比較明顯，但是應(yīng)該注意掃頻步長不宜過大。對于掃頻而言，保證幅值不發(fā)生變化、控制頻率為單一變量，則干擾效果差異主要體現(xiàn)在中心頻率上以及掃描步長，中心頻率越高干擾效果越明顯。

4 結(jié) 論

建立了高重頻激光與激光導(dǎo)引頭相互作用模型，提出了導(dǎo)引頭干擾有效的3σ判定準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了多源干擾和信號調(diào)制對干擾效果的影響，結(jié)果表明，多源干擾和干擾信號頻率調(diào)制能夠有效增強(qiáng)干擾效果，研究結(jié)果將為高重頻干擾效果評估提供理論參考。

［1］ XIE X Ch.Performance of high-repetition-rate laser jamming laser seeker［J］.Aerospace Electronic Warfare，2005，21（5）：23-25（in Chinese）.

［2］ ZHU Ch Ch，NIE JS，TONG Zh Ch，et al.Analysis on the mode of high repetition laser jamming［J］.Infrared and Laser Engineering，2009，38（6）：1060-1063（in Chinese）.

［3］ ZHANG H W，ZHAOW，JIX，et al.Jamming effect of the highrepetition-frequency laser to the laser seeker［J］.Electro-Optic Technology Application，2009，24（1）：26-28（in Chinese）.

［4］ XU P Ch，SUN X Q.Analysis of high repetition frequency laser interference with real time gate signal［J］.Electro-Optic Technology Application，2005，20（1）：21-23（in Chinese）.

［5］ TONG Zh Ch.Simulation research on ahead-time of laser-angle-cheating jamming signal［J］.Journal of China Ordnance，2008，29（5）：633-636（in Chinese）.

［6］ XUE JG，CHEN Y.Research on the jamming effect of the high repetition laser to the laser guidance［J］.Aero Weaponry，2006（3）：30-32（in Chinese）.

［7］ XU D Sh，WANG JY.Interactional effect between a suppressive laser jammer with high frequency and a laser guidance system［J］.Chinese Journal of Quantum Electronics，2006，23（2）：209-211（in Chinese）.

［8］ TONG Zh Ch，SUN X Q，YANG X W.High-PPS laser jamming technology based on ballistic simulation［J］.Electronics Optics＆Control，2008，15（3）：14-18（in Chinese）.

［9］ TONG Zh Ch，SUN X Q，YANG X W，et al.Simulation of laser-barrage-jamming for laser-guided weapon［J］.Journal of Ballistics，2008，20（1）：106-110（in Chinese）.

［10］ TONG Zh Ch，SUN X Q，HAN Ch L，et al.Modeling and simulation of laser jam for laser-guiding weapon［J］.Journal of System Simulation，2007，19（22）：5115-5119（in Chinese）.

Analysis of interference mechanism of high-frequency laser to laser guided weapons

WANG Yunping1，2，ZHANG Haiyang1，ZHENG Xingyuan1，F(xiàn)ENG Shuang1，ZHAO Changming1
（1.School of Optoelectronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Institute of Tracking and Telecommunication Technology，Beijing 100094，China）

In order to study the interference mechanism of high-frequency laser to laser guided weapons，according to the principle of high-frequency laser interference，a series of related theoretical models such as semi-active laser seeker coded identification model，time door model，multi-signal processing model and interference signal modulation processing model were established.Then the 3σcriterion was proposed for interfering the seeker effectively.Based on this，the study of the effect of multi-source interference and signal characteristics of the effect of high repetition frequency laser interference were studied.According to the simulation system testing，the results show that the multi-source interference and interference signal frequency modulation can effectively enhance the interference effect.While the interference effect of the interference signal amplitude modulation is not obvious.The research results will provide the evaluation of high-frequency laser interference effect and provide theoretical references for application of high-frequency laser interference system.

laser technique；high-repetition-rate laser；laser seeker；jamming mechanism；evaluation method

TJ765.3+31

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.005

1001-3806（2014）01-0021-05

王云萍（1975-），女，博士研究生，主要從事激光對抗技術(shù)方面的研究工作。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：zhaochangming＠bit.edu.cn

2013-05-08；

2013-05-27