基于雙門限法的激光引信抗云霧干擾技術研究

路 明，孔德浩，蘇益德

(1.海軍航空大學， 山東 煙臺 264001； 2.中國人民解放軍92916部隊， 海南 三亞 572000)

現(xiàn)代海戰(zhàn)中激光引信以其良好的距離截止特性和高精度的特點得以廣泛應用于各類導彈。與無線電引信相比，其通過激光光束對目標進行探測，具有天然的抗電磁干擾能力[1]。但激光引信受自然環(huán)境如陽光、雨雪、云霧等因素影響較大，成為制約激光引信發(fā)展應用的重要原因。

本文針對海戰(zhàn)場環(huán)境下云霧對反輻射導彈中激光引信的影響，分析激光引信云霧后向散射信號與艦載雷達目標回波信號的特點，在傳統(tǒng)的幅度門限檢測基礎上，提出了運用信號增速門限的雙門限方法，對激光引信接收到的回波信號進行判別，區(qū)分目標信號與云霧散射信號，實現(xiàn)激光引信抗云霧干擾。

1 云霧干擾特性分析

云和霧都是由大氣中水滴等水汽凝結而成的氣溶膠顆粒，這類顆粒對激光的影響主要體現(xiàn)為：衰減和后向散射。其中，衰減通常只影響激光的傳輸環(huán)境，減少激光回波能量，從而使得激光引信探測距離減小，并不會引起異常啟動信號。后向散射則是由于氣溶膠顆粒直徑與激光波長相近而形成虛假回波信號，易引起激光引信誤判而早炸[2]，因此主要研究激光引信抗云霧后向散射信號的干擾。

1.1 云霧后向散射信號數(shù)學模型建立

云霧粒子由于其表面張力和自身重力的作用，基本呈球形或橢球形。根據(jù)氣象學資料，霧中的水滴半徑一般小于40 μm，多在7～15 μm之間。又根據(jù)Mie散射理論，當散射微粒尺寸等于或大于光波長時，以產(chǎn)生Mie散射為主[3]。激光引信的發(fā)射器主要采用半導體砷化鎵激光器，其激光波長在0.83～1.06 μm之間，故云霧可看作由Mie散射粒子從而進行計算與分析。

當激光引信工作于云霧條件下時，根據(jù)Mie散射，其接收到的云霧后向散射信號可如下表達[4]：

(1)

式(1)中：Pj為接收到的信號強度函數(shù)；R為激光傳輸距離；P0為發(fā)射激光功率；Sr為接收機有效入射孔徑面積；f(θ)為氣溶膠散射方向函數(shù)；σs為氣溶膠顆粒散射系數(shù)；Dc為接收機與云霧輪廓邊緣的距離；D0為引信盲區(qū)深度；k=2/cτ，c為光速，τ為激光脈沖寬度。

1.2 云霧后向散射信號仿真分析

對于不同的激光發(fā)射脈沖寬度，其產(chǎn)生的云霧后向散射信號的幅度與脈沖寬度均不相同。根據(jù)式(1)，取Dc=5 m，σs=0.4 m-1，分別對寬度為5,10,20,50,100 ns發(fā)射脈沖的后向散射信號隨距離的分布特性進行計算，得到如圖1所示結果。

由上述仿真結果可以看出，對于不同脈沖寬度的激光發(fā)射脈沖，其產(chǎn)生的云霧后向散射信號在幅度與展寬上均不相同。發(fā)射脈寬越窄，其接收到的后向散射信號幅度越低且脈沖展寬也越窄。這是因為發(fā)射脈寬變寬時，由于信號的積累作用，散射信號距離范圍變寬，積累后的信號功率就越大，響應的脈寬也越寬。

考慮到實際海戰(zhàn)場環(huán)境中，云霧散射系數(shù)分布不均勻，而且常常會有導彈穿過云霧的情況，而上述仿真計算是在激光引信完全處于云霧中且散射系數(shù)不變情況下得到的。于是對散射系數(shù)以dσs/dR=0.01 m-2梯度均勻遞減的情況下，同樣對不同發(fā)射脈寬進行計算，得到的后向散射信號隨距離的分布如圖2所示。

從圖2中可以看出，在散射系數(shù)均勻變化時，不同發(fā)射脈沖所產(chǎn)生的云霧后向散射信號隨距離的分布規(guī)律與散射系數(shù)不變時差異不大，只是幅度與脈沖展寬相應降低。因此在后續(xù)研究中可將散射系數(shù)考慮為均勻不變，從而簡化仿真計算過程。另一方面，驗證了窄發(fā)射脈沖激光所產(chǎn)生的云霧后向散射信號幅度和展寬相對較小，表明其本身就具有相應的抗云霧干擾能力，也有相關文獻對此進行詳細研究[4-6]，這里不做過多討論。

1.3 云霧后向散射信號的變化特性

霧通?？煞譃檩椛潇F和平流霧，陸地霧多是輻射霧，沿海霧多是平流霧[7]。本文研究對象為反輻射導彈激光引信的抗干擾技術，其針對艦載雷達目標進行打擊，因此激光引信所處環(huán)境為海戰(zhàn)場，這里主要研究海上平流霧的特性，后文將云霧統(tǒng)稱為海霧。

海霧的散射系數(shù)與海霧氣溶膠顆粒的分布密度、含水量、能見度等相關，這些參數(shù)可以直接測得，因而工程上基于能見度的經(jīng)驗模型應用廣泛，這里選用Naboulsi提出的平流霧衰減系數(shù)模型，其公式為：[8]

(2)

式(2)中：σs的單位為km-1；λ為激光波長，μm；V為能見度，km。

根據(jù)式(2)，對波長為0.905 μm的激光，計算不同能見度下的平流霧散射系數(shù)如表1所示。

表1 不同能見度下的散射系數(shù)

再根據(jù)式(1)，對不同能見度對應的散射系數(shù)下的海霧后向散射信號進行計算，仿真結果如圖3所示。

從計算結果可看出，海霧能見度越高，其后向散射信號幅度越小，海霧能見度越低，后向散射信號幅度越高，這與實際情況相符。當能見度由500 m降低至10 m時，云霧后向散射信號幅度變化量約為ΔPj=30 dB。

由于海霧的氣溶膠特性，其能見度不會發(fā)生突變，可設能見度按照均勻梯度ΔV/ΔR=50變化(即能見度在10 m范圍內有500 m降低至10 m)。此時，反輻射導彈在海霧中穿越，其激光引信產(chǎn)生的云霧后向散射信號的增速為：

ΔPj/t=ΔPj·v/r

(3)

式(3)中，v為導彈相對海霧飛行速度，r為海霧半徑。取v=1 000 m/s，則信號增速為ΔPj/t=30 dB·1 000 m·s-1/10 m=3 dB/ms。由此可以得到海霧后向散射信號的變化特性，根據(jù)其不同于目標信號變化特性，可將其作為信號判別的一個重要因素，為后續(xù)信號增速門限的設計提供了支持。

2 目標回波信號的變化特性分析

針對反輻射導彈激光引信對艦載雷達目標進行打擊的彈目交會過程，目標回波強度與發(fā)射激光脈沖掃過的目標有效反射面積成正比[9-10]。激光引信與艦載雷達目標交會過程示意圖如圖4所示。

對于雷達這類“硬”目標來說，當激光引信光束剛照射到目標至完全掃過目標的過程，是有效反射面積變化最快的階段。根據(jù)上述彈目交會過程，其時間可由下式得到：

(4)

由于激光發(fā)射為窄光束，則彈目距離越大，交會時間越長，因而在激光引信作用距離邊緣處的彈目交會時間最長。于是，取Ωs=2°，v=1 000 m/s，R=20 m，計算得到t=0.698 ms。

根據(jù)激光引信回波強度與間距的關系，目標距離越小回波強度越高，因此在作用距離的邊緣處目標回波信號強度最小。由信號檢測理論可知[11]，當檢測概率Pd=99%，虛警概率Pfa=10-8時，需要大于SNR=15.5 dB的信噪比。取此信噪比為門限值進行計算，得到目標信號增速為ΔPr/t=15.5 dB/0.698 ms=22.2 dB/ms。隨著彈目距離的減小，目標信號的增速將越來越劇烈。

3 抗云霧干擾的雙門限方法

根據(jù)前兩節(jié)對海霧后向散射信號與目標回波信號的特性分析可知，激光引信在海霧環(huán)境中工作，由海霧后向散射產(chǎn)生的干擾信號有時會出現(xiàn)強度較大的情況進而超過傳統(tǒng)的幅度閾值門限，引起虛警。然而海霧后向散射產(chǎn)生的干擾信號增長變化速度卻比目標回波信號緩慢很多，因此可將這一特點作為抗干擾判別的一個依據(jù)，在傳統(tǒng)幅度門限的基礎上，再設置一個信號增速門限，從而提出雙門限法來實現(xiàn)抗海霧干擾，降低引信虛警概率。

在上述給定的彈目交會條件下，海霧后向散射信號的最大增速為ΔPj/t=3 dB/ms，而目標回波信號的最小增速為ΔPr/t=22.2 dB/ms，可見兩者間存在較大差距。針對海霧干擾信號與目標回波信號的不同，可以提出在對激光引信接收到的回波信號進行雙門限判別，其中一個門限為傳統(tǒng)的幅度閾值門限對信號強度進行判別，另一個門限為信號增速門限即對信號的變化速度進行判別，其示意圖如圖5所示。

圖5中的“回波信號”指的是激光引信接收到海霧后向散射與目標真實回波反射回來的混合信號，首先對“回波信號”進行幅度門限判別，對超過閾值門限的信號再進行增速門限判別，最終判定并區(qū)別出云霧干擾信號與目標回波信號，進而引信動作，降低虛警概率。

4 仿真與驗證分析

圖6為激光脈沖反射目標表面產(chǎn)生的回波信號仿真結果。從圖6可以看到，回波脈沖信號的上升沿在約0.8 ms時間內信號幅度變化了20 dB，則信號增速為20 dB/0.8 ms=25 dB/ms>22.2 dB/ms，符合上述理論分析結果，可利用信號增速門限將其與云霧干擾信號區(qū)別開來。

根據(jù)前文對海霧后向散射信號與目標回波信號的分析，分別設置信號幅度門限與信號增速門限，利用MATLAB軟件進行雙門限法的仿真驗證。這里采用蒙特卡羅法的思想進行設計，產(chǎn)生100個能見度隨機在0～500 m之間的海霧后向散射信號，對這些信號首先進行幅度門限判別，將超過幅度門限閾值的信號再送入增速門限進行判別，最終將超出增速門限閾值的信號記為虛警信號，由此可得到虛警概率。再將這一過程重復進行10次，從而得到10次虛警概率并取平均值，即可計算出雙門限法的虛警概率，再與傳統(tǒng)的信號幅度門限判別所得到的虛警概率進行對比分析。雙門限法的設計流程圖如圖7所示。

根據(jù)圖7所示流程圖，本文首先只采用傳統(tǒng)信號幅度門限的單門限法對海霧干擾信號進行判定，再采用將信號幅度門限與信號增速門限同時使用的雙門限法進行判定，分別各進行了10次仿真，記錄了超出門限閾值所導致的虛警次數(shù)結果如圖8、圖9所示。

由上述仿真結果可以明顯計算出進行10次仿真后得到單門限法與雙門限法的虛警概率平均值分別為14.3%和2%，從而驗證了雙門限法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的信號幅度門限法，能夠從回波信號中排除海霧后向散射信號的干擾對目標信號進行識別。

5 結論

1) 通過對激光引信工作在云霧環(huán)境中云霧后向散射信號與真實目標回波信號的分析，其在信號增速上有明顯的區(qū)別。

2) 本文在傳統(tǒng)信號幅度門限判別的基礎上，提出了增設信號增速門限判別的雙門限法。利用MATLAB進行仿真，驗證了雙門限法明顯優(yōu)于單一的幅度門限判別法，能夠有效排除云霧后向散射信號的干擾，降低了虛警概率，為激光引信抗云霧干擾研究提供了理論基礎技術支持。