半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭抗后向散射干擾

劉 輝， 谷瓊瓊， 李英博， 謝園華

（上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器具有精度高、成本低、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用靈活等優(yōu)點(diǎn)，是目前裝備量最大、應(yīng)用范圍最廣的一類精確打擊武器，被廣泛地應(yīng)用于無(wú)人機(jī)搭載武器。美軍在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中使用RQ-1“捕食者”無(wú)人機(jī)發(fā)射“海爾法”激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)彈，摧毀了一輛塔利班的坦克［1］。中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院研制的新型“察打一體”無(wú)人機(jī)搭載XX-1型激光制導(dǎo)導(dǎo)彈，精度達(dá)0.2 m。試驗(yàn)和實(shí)戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)激光制導(dǎo)武器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，暴露出的弱點(diǎn)也越來(lái)越明顯，激光制導(dǎo)武器制導(dǎo)激光波長(zhǎng)短，容易受大氣后向散射干擾、煙幕干擾、激光涂料隱身技術(shù)干擾、有源干擾［2］。本文針對(duì)后向散射干擾，從提高導(dǎo)引頭系統(tǒng)接收帶寬，增強(qiáng)系統(tǒng)信號(hào)提取和處理能力等方面入手，提出了一種激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭抗后向散射干擾方法。

1 激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器后向散射干擾原理

激光的波長(zhǎng)短，大氣塵埃、云霧、雨水等的組成顆粒大小在微米量級(jí)，與激光的波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)上，激光信號(hào)在空氣中傳輸?shù)倪^(guò)程中，大氣環(huán)境對(duì)激光信號(hào)的傳輸會(huì)起到衰減、散射和衍射作用，從而使激光傳輸光路發(fā)生改變，激光信號(hào)空間反射和散射示意圖如圖1所示。

圖1 激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭后向散射干擾示意圖

激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭受大氣環(huán)境中微塵顆粒和水氣顆粒的散射干擾，日光對(duì)激光波束的干擾，目標(biāo)周邊復(fù)雜環(huán)境對(duì)激光的散射干擾等［3］，使激光傳輸光路發(fā)生改變。導(dǎo)引頭激光探測(cè)器接收到這些干擾的信號(hào)回波，會(huì)得出錯(cuò)誤的解角信息，對(duì)導(dǎo)引頭的正常跟蹤造成干擾，嚴(yán)重時(shí)可能造成整個(gè)導(dǎo)彈偏離目標(biāo)方向，進(jìn)而丟失目標(biāo)。針對(duì)激光制導(dǎo)武器的這些特點(diǎn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中必須考慮相關(guān)問(wèn)題。在激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭的設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須采取特殊的方法對(duì)后向散射干擾信號(hào)加以識(shí)別和抑制，才能確保激光主波束通路順利落在激光探測(cè)器上，從而實(shí)現(xiàn)激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的抗后向散射干擾跟蹤。

2 激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭抗后向散射干擾方法

激光半主動(dòng)制導(dǎo)體制，是將激光照射雷達(dá)安置在地面進(jìn)行地面指示或安置在飛機(jī)上進(jìn)行機(jī)載指示，導(dǎo)彈上的激光探測(cè)器接收目標(biāo)反射光束，從而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)跟蹤。激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭接收目標(biāo)反射回波信號(hào)，多采用四象限探測(cè)接收控制方式，解算激光脈沖信號(hào)在四象限探測(cè)器上的成像誤差，通過(guò)對(duì)目標(biāo)回波的光學(xué)特性進(jìn)行檢測(cè)，解算彈目視線角度信息，從而實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)控制。

（1）精確頻率匹配波門和距離同步波門控制抗干擾方法

大氣中的粉塵顆粒、氣溶膠以及目標(biāo)附近的地物地貌對(duì)激光信號(hào)的傳播，形成后向散射干擾信號(hào)，干擾導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)真實(shí)回波的正常截獲。激光指示器與導(dǎo)彈分處兩處，若照射光路與接收光路之間的角度較大，則后向散射干擾較弱，通過(guò)目標(biāo)角位置精確預(yù)置技術(shù)和精確頻率匹配接收技術(shù)［4］，導(dǎo)引頭能夠正確接收目標(biāo)回波信號(hào)。地面指示器工作模式情況時(shí)，由于地面指示器激光存在束散角，激光照射傳輸過(guò)程容易產(chǎn)生貼合地面的地物后向散射干擾。對(duì)于激光指示器與導(dǎo)彈同處在一架飛機(jī)上的同機(jī)照射情況，照射光路與接收光路無(wú)法從物理上分開(kāi)，大氣后向散射干擾極易進(jìn)入導(dǎo)引頭跟蹤系統(tǒng)。同機(jī)照射有照射同步信號(hào)控制回波接收情況，如圖2所示采用距離同步波門技術(shù)，控制回波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，結(jié)合精確頻率匹配控制，能有效抑制大部分照射光路上的后向散射干擾。

（2）首/末脈沖判決鎖定抗干擾方法

圖2 距離同步與精確頻率復(fù)合控制回波接收示意圖

地照模式照射光路與地面夾角很小，目標(biāo)附近的地物情況復(fù)雜，地物對(duì)激光照射信號(hào)的二次或多次反射，與空中的大氣散射相比，不完全是超前的干擾，而是形成了超前/滯后的干擾信號(hào)。對(duì)于超前的后向散射干擾信號(hào)傳輸距離近，相對(duì)能量較強(qiáng)，而滯后的地物后向散射干擾傳輸距離較遠(yuǎn)，能量較弱。采用首/末脈沖鑒別跟蹤方式可以有效對(duì)抗后向散射干擾。首脈沖鎖定是指導(dǎo)引頭只處理第一個(gè)進(jìn)入波門且滿足預(yù)先編碼規(guī)律的激光信號(hào)，對(duì)波門內(nèi)其余激光脈沖信號(hào)不進(jìn)行處理，在系統(tǒng)信號(hào)處理能力有限的情況下，多采用首脈沖截獲的方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。末脈沖鎖定是基于后向散射和地物反射信號(hào)超前于真實(shí)目標(biāo)反射信號(hào)，導(dǎo)引頭回波接收系統(tǒng)處理最后一個(gè)進(jìn)入波門的激光信號(hào)。原理如圖3所示。

圖3 首末脈沖鎖定原理圖

運(yùn)用先進(jìn)的信號(hào)接收技術(shù)，增加光電信號(hào)接收帶寬，使目標(biāo)回波信號(hào)和散射回波信號(hào)有效維持原來(lái)的狀態(tài)進(jìn)入接收通道，放大后進(jìn)入高速信號(hào)采集系統(tǒng)，利用高速信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行脈沖識(shí)別，從時(shí)域鑒別、空間角度鑒別以及能量強(qiáng)度上甄別出后向散射干擾信號(hào)和目標(biāo)回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)抗后向散射干擾跟蹤。

3 激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭復(fù)合抗后向散射干擾跟蹤實(shí)現(xiàn)

在復(fù)雜后向散射干擾背景條件下，干擾信號(hào)和真實(shí)回波信號(hào)錯(cuò)綜復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)抗干擾跟蹤，必須找到后向散射干擾信號(hào)與真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)在傳輸距離（到達(dá)接收系統(tǒng)的時(shí)刻不同）、空間角度和能量上的差異。這些差異往往是細(xì)微的不明顯的，制導(dǎo)系統(tǒng)要在強(qiáng)干擾背景條件下檢測(cè)窄脈沖回波信號(hào)，就要求導(dǎo)引頭接收系統(tǒng)的信號(hào)處理帶寬足夠?qū)?，在接收放大的過(guò)程中盡可能保持信號(hào)的特征量。目標(biāo)和干擾信號(hào)存在模糊，信息量大的特點(diǎn)，因此導(dǎo)引頭對(duì)信號(hào)的識(shí)別、處理的復(fù)雜度較大。采用大動(dòng)態(tài)高帶寬接收機(jī)保證信號(hào)完整接收，高速信號(hào)處理機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)識(shí)別分選，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)的強(qiáng)干擾背景下的跟蹤。

（1）大動(dòng)態(tài)高帶寬接收機(jī)設(shè)計(jì)

激光脈沖信號(hào)由四象限探測(cè)器接收形成微弱的光電流信號(hào)，經(jīng)前置跨導(dǎo)放大器轉(zhuǎn)換成脈沖電壓信號(hào)，信號(hào)的脈寬會(huì)有所展寬，如圖4所示，10 ns會(huì)展寬到約50 ns。對(duì)于中頻放大電路設(shè)計(jì)考慮與四象限探測(cè)器前放帶寬相匹配，選用具有低噪聲、高速運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光回波脈沖信號(hào)的放大接收處理，采用匹配濾波技術(shù)，有效提取微弱激光回波信號(hào)，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)保證四路信號(hào)通道的一致性，同時(shí)要抑制各個(gè)通道之間的串?dāng)_、增大隔離度，以達(dá)到提高視線角度測(cè)量精度、提高接收機(jī)可靠性的目的。

圖4 脈沖回波中放輸入信號(hào)

圖4 中信號(hào)的周期是50 ms，信號(hào)脈沖的寬度是50 ns左右，信號(hào)的幅度Ui是0～2 V的范圍，背景噪聲是2 mV，信號(hào)頻譜的寬度很寬，放大器的帶寬至少要做到50 MHz以上，輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為60 d B左右，放大器的增益設(shè)計(jì)為65 d B。接收機(jī)主要由四象限雪崩光電探測(cè)器、可控高壓電源、前置放大電路、中頻電壓放大器、峰值保持電路、同步比較電路組成，原理框圖如圖5所示。

圖5 接收機(jī)系統(tǒng)原理框圖

四象限雪崩光電探測(cè)器將接收到的脈沖光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由前置放大器完成初步的放大，將光電二極管輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后由可變?cè)鲆娣糯笃鞣糯蟪梢欢ǚ鹊囊曨l信號(hào)，該信號(hào)一方面經(jīng)峰值保持電路，將窄脈寬展寬至一定寬度后送后級(jí)AD采樣電路，時(shí)刻鑒別電路處理后形成采樣同步信號(hào)，送后級(jí)信息處理機(jī)單元進(jìn)行同步處理。采用高速采集電路設(shè)計(jì)方案則直接從中頻放大器輸出進(jìn)行采樣，進(jìn)行脈沖識(shí)別，及脈沖內(nèi)解角運(yùn)算。

（2）高速信號(hào)處理機(jī)設(shè)計(jì)

使用E2V公司的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）芯片［5］，結(jié)合 Xilinx Kintex-7 FPGA 芯片以大于300 MHz的采樣率將中放電路獲取的激光回波信號(hào)高速采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)高速差分串口送給FPGA，原理如圖6所示。

圖6 高速和低速信號(hào)處理系統(tǒng)

高速信號(hào)處理機(jī)對(duì)高速采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器去除噪聲信號(hào)，用起泡算法在這些數(shù)據(jù)里提取峰值，以峰值為中心還原脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的識(shí)別和脈寬檢測(cè)。原理示意圖如圖7所示。

高速采樣系統(tǒng)提高了信號(hào)處理機(jī)的處理速度，增強(qiáng)了目標(biāo)信息的辨識(shí)能力，能夠從復(fù)雜干擾背景信號(hào)中通過(guò)脈沖到達(dá)的時(shí)間先后，快速解算空間出各個(gè)時(shí)刻的回波角位置信息，分辨提取出目標(biāo)真實(shí)回波信號(hào)的信息，從而提高激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭抗后向散射干擾跟蹤。

圖7 高速采樣系統(tǒng)與低速信號(hào)處理系統(tǒng)比較

4 激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭抗后向散射干擾跟蹤實(shí)驗(yàn)

高速信號(hào)處理機(jī)和大動(dòng)態(tài)寬帶接收機(jī)原理樣機(jī)，安裝到已有激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭上，經(jīng)過(guò)前期的原理驗(yàn)證和仿真試驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的樣機(jī)能夠正常跟蹤，抗干擾算法不影響正常截獲，為了驗(yàn)證抗干擾策略的有效性，將改進(jìn)的導(dǎo)引頭與不加策略的導(dǎo)引頭進(jìn)行外場(chǎng)跟蹤對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)選定上海長(zhǎng)興島，激光照射器提供激光照射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬目標(biāo)的照射，照射頻率為20 Hz，照射器的照射功率為100 mJ，模擬目標(biāo)為自制幕布，提供1.5 m×2.0 m的反射面積，激光照射器放置在距離目標(biāo)1 150 m，照射光路和導(dǎo)引頭接收目標(biāo)反射夾角5°。導(dǎo)引頭放置在車上的安裝支架上，導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)反射的激光信號(hào)，由遠(yuǎn)及近模擬導(dǎo)引頭接近目標(biāo)過(guò)程。

圖8所示，在地照模式，沒(méi)有同步信號(hào)的情況下，沒(méi)有抗干擾策略的導(dǎo)引頭跟蹤激光回波，導(dǎo)引頭向目標(biāo)方向接近，初始導(dǎo)引頭截獲的能量很弱，但能穩(wěn)定跟蹤，當(dāng)距離目標(biāo)400 m，時(shí)間120 s附近時(shí)，跟蹤框架角度突然變化能量陡增，從數(shù)據(jù)上可以看出，導(dǎo)引頭初始跟蹤到的激光回波不是目標(biāo)主回波，而是后向散射干擾激光回波信號(hào)。

圖8 導(dǎo)引頭跟蹤后向散射干擾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 所示，在地照模式，沒(méi)有同步信號(hào)的情況下，有抗干擾策略的導(dǎo)引頭跟蹤激光回波，采用了抗干擾措施，在初始截獲過(guò)程中通過(guò)回波信號(hào)的能量、脈沖的甄別、脈沖到達(dá)時(shí)間、首末脈沖特性，將后向散射干擾信號(hào)卡在了波門之外，導(dǎo)引頭向目標(biāo)方向接近，直至到達(dá)目標(biāo)附近，數(shù)據(jù)都是正常的，導(dǎo)引頭接收到的目標(biāo)回波能量與理論回波能量值相符，證明抗后向散射干擾策略有效。

圖9 導(dǎo)引頭抗后向散射干擾跟蹤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

隨著激光制導(dǎo)武器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中廣泛應(yīng)用，暴露了很多實(shí)際問(wèn)題，出現(xiàn)了激光制導(dǎo)武器受大氣后向散射干擾而失效的案例。本文針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中導(dǎo)引頭受后向散射干擾問(wèn)題，從提高導(dǎo)引頭系統(tǒng)接收帶寬，增強(qiáng)系統(tǒng)信號(hào)提取和處理能力等方面入手，提出了一種激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭抗后向散射干擾方法，研制了抗干擾信號(hào)處理機(jī)樣機(jī)，應(yīng)用到激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明能夠有效對(duì)抗大氣后向散射干擾，使激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭能夠在復(fù)雜環(huán)境背景下，有效提取并處理真實(shí)目標(biāo)回波的制導(dǎo)信息，對(duì)提高激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)能力具有重要意義。