高重頻干擾對激光解碼識別過程的影響

趙 乾，劉志國，王仕成，張 帥

(第二炮兵工程大學控制工程系，西安710025)

引 言

激光制導(dǎo)武器由于其制導(dǎo)精度高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強等特點［1］，在精確制導(dǎo)武器中正占有越來越大的比例。隨著激光制導(dǎo)武器對戰(zhàn)場的威脅與日俱增，各國均深入研究發(fā)展激光制導(dǎo)武器干擾技術(shù)。

激光制導(dǎo)干擾技術(shù)主要有激光有源干擾技術(shù)和無源干擾技術(shù)兩種［2］。目前應(yīng)用于實戰(zhàn)的無源干擾主要是煙幕干擾，有源干擾包括壓制式有源干擾和欺騙式有源干擾［3］，其中欺騙式有源干擾又分為角度欺騙式干擾和高重頻干擾。國內(nèi)外對角度欺騙式干擾的研究比較深入，技術(shù)比較成熟且研發(fā)了相應(yīng)裝備;而對于高重頻激光干擾，由于其進行干擾時無需對敵方激光制導(dǎo)信號進行識別和復(fù)制，對抗的適應(yīng)能力和主動性得到較大提高［4］，干擾效果較好。因而，作為一種新的光電對抗方式，激光高重頻干擾正受到越來越多的重視和研究。

根據(jù)激光高重頻干擾的原理，本文中對激光解碼，重點是解碼識別階段的干擾效果進行了定量分析，總結(jié)歸納了在編解碼搜索識別階段提高激光高重頻干擾效果的因素。

1 高重頻激光干擾

高重頻激光干擾按作用效果可分為壓制式高重頻干擾和欺騙式高重頻干擾兩種，文中研究的是欺騙式高重頻干擾的效果。

欺騙式高重頻激光干擾是指:通過直接向激光導(dǎo)引頭照射或由激光導(dǎo)引頭視場內(nèi)的假目標反射的方式發(fā)射高重頻激光干擾脈沖，當重復(fù)頻率足夠高時，干擾脈沖可進入每個波門之內(nèi)，迫使導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)以較高地概率處理干擾信號，從而對目標檢測的不確定性增加，致使激光制導(dǎo)武器因提取不出信息而迷盲，或因提取錯誤信息而被引偏，從而達到干擾作用［4-6］。

高重頻激光形成有效干擾的關(guān)鍵條件是干擾信號超前制導(dǎo)信號進入導(dǎo)引頭波門［6］。分析激光導(dǎo)引頭的工作機理以及目前主要的抗干擾措施可知，導(dǎo)引頭處于搜索識別狀態(tài)時較容易干擾，處于鎖定跟蹤狀態(tài)時不容易形成有效干擾。要在鎖定跟蹤狀態(tài)形成有效干擾，需要滿足波長、脈寬、峰值功率和能量等條件［7］。

2 滑動匹配相關(guān)解碼

2.1 精確頻率碼

從本質(zhì)上講，激光編碼是在時間特性上具有唯一可譯性信息的激光脈沖串。本文中取精確頻率碼［8］進行高重頻激光干擾下激光編碼抗干擾性能的定量分析。

精確頻率碼是指編碼的激光脈沖間隔ΔT0在整個照射周期內(nèi)固定不變［9］。其脈沖序列由下式給出:

式中，t1為初始脈沖時刻，ti為第i個脈沖時刻。而精確頻率碼的脈沖間隔序列為:

則精確頻率碼脈沖時域分布如圖1所示。

Fig.1 Precise frequency code pulse in temporal distribution

2.2 滑動匹配相關(guān)解碼原理

滑動匹配相關(guān)解碼的原理:將激光半主動制導(dǎo)武器采用的編碼預(yù)先設(shè)定到導(dǎo)引頭中作為參考信息P1，則各個脈沖在編碼中的位置是確定的;導(dǎo)引頭進行解碼時，首先接收一段脈沖子序列P2進行滑動匹配，若P2與P1的某一段編碼完全匹配，則認為P1是制導(dǎo)信號(即搜索識別目標);然后根據(jù)編碼的唯一可譯性對P1在編碼中的位置進行定位，由此確定下一脈沖的到來時刻，進行波門的設(shè)置(即鎖定跟蹤目標)?；瑒悠ヅ涫疽鈭D如圖2所示。

Fig.2 Principle diagram of slidingmatch decoding

假設(shè)編碼序列P1周期為N，其脈沖間隔序列為:

激光導(dǎo)引頭接收到的脈沖子序列P2為:

式中，ΔTP2，i表示第 i個脈沖間隔，i≥1，N≥1。

則P1，P2的互相關(guān)函數(shù)可說明匹配相關(guān)解碼原理:ΔTP2必定與ΔTP1的某一子序列ΔT的互相關(guān)函數(shù)滿足:

因此，若ΔTP2滿足(5)式，則說明導(dǎo)引頭接收到的脈沖子序列為預(yù)設(shè)的制導(dǎo)編碼信號，由此就實現(xiàn)了激光編碼的識別。(5)式也被稱為脈沖間隔序列匹配相關(guān)解碼方程［10］。

3 激光編碼在識別過程的抗干擾性能分析

光電干擾對激光制導(dǎo)武器干擾效果的評估多以脫靶量為評估指標，并依托全彈道仿真進行。本文中采用新的方法，即以制導(dǎo)編碼脈沖和高重頻激光干擾信號的歸一化互相關(guān)函數(shù)分析描述激光編碼在識別過程的抗干擾性能。

3.1 干擾效果分析的數(shù)學模型

由第2.2節(jié)可知，激光解碼分為搜索識別過程和鎖定跟蹤過程，而滑動匹配發(fā)生在識別過程中，故解碼方程僅適用于識別過程。假設(shè)高重頻激光干擾脈沖滿足波長、脈寬和功率要求，并超前制導(dǎo)脈沖一定時間進入導(dǎo)引頭波門，則當高重頻激光有效干擾激光解碼的識別階段時，干擾信號必然與編碼信息滿足解碼方程。

假設(shè)激光編碼參考信息為x(n)，導(dǎo)引頭接收的高重頻激光干擾信號為y(n)，則二者的歸一化互相關(guān)函數(shù)為［10］:

式中，M表示進行滑動匹配選取的參考編碼內(nèi)包含的有效編碼個數(shù)，N為參考編碼的長度。

因此，(6)式可用于描述高重頻激光對制導(dǎo)信號的干擾效果，即若rxy=1，則高重頻激光干擾效果好;若rxy＜1，則高重頻激光干擾效果差。

3.2 抗干擾性能的定量分析

根據(jù)上面所介紹的精確頻率碼，這里列出精確頻率碼的碼字表［11］，如表1所示。根據(jù)表中所給精確頻率碼在搜索識別階段的抗干擾性能定量分析。

Table 1 Precise frequency code

當存在激光告警裝備時，激光高重頻干擾脈沖可在編碼制導(dǎo)脈沖信號發(fā)射前發(fā)射。故本文中在對識別階段導(dǎo)引頭抗干擾性能進行分析時取兩種情況:(1)僅有干擾信號進入導(dǎo)引頭波門;(2)干擾信號超前制導(dǎo)信號一定時間進入導(dǎo)引頭波門。

3.2.1 僅識別高重頻干擾信號 假設(shè)通過告警裝置進行激光告警，激光高重頻干擾信號發(fā)出時的超前時間大于導(dǎo)引頭識別時間，則僅識別高重頻干擾信號。取不同碼字、不同解碼方程參量、不同采樣頻率對干擾效果進行定量仿真分析。

取周期為99.06ms的精確頻率碼3，取解碼方程參量為 M=4，采樣周期分別為 0.01ms和0.005ms，則其與高重頻激光干擾信號的歸一化互相關(guān)函數(shù)如圖3所示。由圖3可以看出，采樣周期越大，識別過程中高重頻激光干擾的干擾效果越好。

取周期為97.87ms的精確頻率碼6，采樣周期設(shè)置為0.01ms，分別取解碼方程參量為M=4和M=7，則其與高重頻激光干擾信號的歸一化互相關(guān)函數(shù)如圖4所示。由圖4可以看出，M越大即激光解碼的采樣長度越長，識別過程中高重頻干擾的干擾效果越差。

由圖3、圖4可以看出，在高重頻干擾頻率為100kHz時，對于精確頻率碼3和精確頻率碼6，采用不同的采樣周期、解碼方程參量，其歸一化互相關(guān)函數(shù)值都為1，此時重頻干擾的干擾效果最好。這是由于100kHz的干擾頻率已經(jīng)大于激光編碼的最小時間單元。

Fig.3 Normalized cross-correlation function of different sampling period with precise frequency code 3 and decoding equation parameters M=4 a—sampling period 0.01ms b—sampling period 0.005ms

Fig.4 Normalized cross-correlation function of different decoding equation parameters with precise frequency code 6 and sampling period 0.01ms a—decoding equation parameters M=4 b—decoding equation parameters M=7

此外，對于不同條件下的互相關(guān)結(jié)果，均存在高重頻干擾頻率較小而互相關(guān)函數(shù)值較大甚至為1的結(jié)果，如圖3中的33kHz與50kHz、圖4中的23kHz與46kHz。由于激光器的重復(fù)頻率與脈沖輸出功率是一個矛盾，重復(fù)頻率越高對激光器要求也就更高，故由以上分析可知，對于精確頻率碼，若要提高干擾效果，可以通過上述互相關(guān)結(jié)果選擇合適的干擾頻率，降低對激光器的要求。

3.2.2 同時存在干擾信號與制導(dǎo)信號 取周期為97.87ms的精確頻率碼6，取解碼方程參量為M=10，采樣周期0.01ms，分別取高重頻干擾信號超前300ms和500ms，則其與高重頻激光干擾信號的歸一化互相關(guān)函數(shù)如圖5所示。

Fig.5 Normalized cross-correlation function with different leading time a—leading time 300ms b—leading time 500ms

由圖5中不同超前時間互相關(guān)結(jié)果進行對比可知，高重頻干擾信號超前越多，高重頻干擾效果越好，將高重頻干擾信號作為制導(dǎo)信號的可能性越大。當超前時間較短時，對制導(dǎo)信號的識別較為準確，但會出現(xiàn)干擾信號被誤識別為制導(dǎo)信號的現(xiàn)象。如在高重頻干擾頻率為31kHz時，超前300ms時其互相關(guān)函數(shù)值為0.9，而由解碼方程參量M=10、超前時間為300ms可知實際制導(dǎo)信號僅有7個，故將2個高重頻干擾信號誤識別為制導(dǎo)信號;超前500ms時其互相關(guān)函數(shù)值也為0.9，故將4個高重頻干擾信號誤識別為制導(dǎo)信號，這些干擾信號在激光制導(dǎo)過程中將起誘偏作用。

4 結(jié)束語

采用歸一化互相關(guān)函數(shù)法，對激光高重頻干擾對激光編碼識別過程的影響效果進行了定量分析。通過僅有干擾信號進入導(dǎo)引頭波門和干擾信號超前制導(dǎo)信號一定時間進入導(dǎo)引頭波門兩種情況的仿真結(jié)果可知，激光編解碼抗干擾性能與采樣長度和采樣周期都有關(guān)。解碼時采樣長度越短，采樣周期越大，高重頻干擾信號越超前制導(dǎo)信號，識別過程中高重頻激光干擾效果越好。對于精確頻率碼，要增強高重頻干擾效果，不必將高重頻頻率增加至激光編碼最小時間單元，可以根據(jù)不同精確頻率碼選擇較低頻率的高重頻而達到相同的干擾效果，同時降低了對激光器的要求。

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