高重頻激光對(duì)激光導(dǎo)引頭干擾過程的建模研究

徐煒波,劉志國,王仕成,沈 濤

(火箭軍工程大學(xué),陜西 西安 710025)

1 引 言

激光制導(dǎo)武器具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn),這使得激光制導(dǎo)武器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中具有極重要的位置。研究激光制導(dǎo)武器對(duì)抗技術(shù)也成為了研究熱點(diǎn)[1]。當(dāng)前對(duì)有源激光干擾技術(shù)的研究較多,主要包括欺騙干擾技術(shù)和高重頻干擾技術(shù),其中,高重頻干擾技術(shù)具有無需識(shí)別敵方激光制導(dǎo)編碼的特點(diǎn)而備受關(guān)注[2-5]。

當(dāng)前對(duì)高重頻激光干擾的研究,主要集中于對(duì)干擾機(jī)理的研究,或者對(duì)單一波門干擾概率的研究,但是高重頻激光對(duì)激光導(dǎo)引頭的干擾作用是一個(gè)連續(xù)的過程,研究一個(gè)波門的干擾概率對(duì)干擾效能的評(píng)估還不全面。

本文建立了高重頻激光對(duì)導(dǎo)引頭制導(dǎo)過程的干擾模型,通過定義成功誘偏波門數(shù)分析干擾頻率、波門寬度、脈沖鎖定方式對(duì)制導(dǎo)過程的影響。

2 激光導(dǎo)引頭抗干擾技術(shù)

導(dǎo)引頭是激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器的核心器件,具有對(duì)目標(biāo)搜索、捕獲和跟蹤的作用,并輸出控制彈體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與目標(biāo)方位信息相關(guān)的制導(dǎo)控制指令。因此,導(dǎo)引頭處的信息處理部分對(duì)激光制導(dǎo)抗干擾能力有著決定性作用。激光導(dǎo)引頭抗干擾技術(shù)有時(shí)間波門技術(shù)、脈沖鎖定技術(shù)、脈沖編碼技術(shù)[6-10]。

2.1 時(shí)間波門技術(shù)

時(shí)間波門技術(shù)是激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭普遍采用的技術(shù)。時(shí)間波門技術(shù)即當(dāng)導(dǎo)引頭接收一組激光脈沖時(shí),僅對(duì)時(shí)間波門內(nèi)的信號(hào)加以處理。時(shí)間波門技術(shù)分為固定波門技術(shù)和實(shí)時(shí)波門技術(shù)。目前,主要采用的是實(shí)時(shí)波門技術(shù),實(shí)時(shí)波門技術(shù)即根據(jù)上一時(shí)刻脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)刻實(shí)時(shí)設(shè)置脈沖波門,對(duì)一組脈沖序列T1,T2,…,Tn。若j個(gè)周期第l個(gè)脈沖到來時(shí)刻為Tjl,則下一個(gè)脈沖Tj,l+1的實(shí)時(shí)波門設(shè)置為:

(1)

其中,Tg1和Tg2是Tj,l+1實(shí)時(shí)波門的開啟時(shí)刻和關(guān)閉時(shí)刻,Δt為波門寬度,Δτ為激光脈沖到來不確定時(shí)間誤差。

2.2 脈沖鎖定技術(shù)

當(dāng)波門內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上脈沖時(shí),如何確定哪個(gè)脈沖作為制導(dǎo)信號(hào)被接受,此時(shí),就需要進(jìn)行脈沖時(shí)序的判斷,即脈沖鎖定技術(shù)。脈沖鎖定技術(shù)分為首脈沖鎖定技術(shù)、末脈沖鎖定技術(shù)和最優(yōu)時(shí)序脈沖鎖定技術(shù)。首脈沖鎖定技術(shù)即當(dāng)波門內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)脈沖時(shí),只處理波門內(nèi)的第一個(gè)脈沖；末脈沖鎖定技術(shù)則處理最后一個(gè)脈沖；最優(yōu)時(shí)序脈沖鎖定技術(shù)則處理最靠近波門中心的脈沖。如圖1所示,Tj為已確定的脈沖,根據(jù)該脈沖設(shè)置下一脈沖到來時(shí)刻Tj+1的波門開啟時(shí)刻Tg1和關(guān)閉時(shí)刻Tg2；假設(shè)此時(shí)波門內(nèi)存在三個(gè)脈沖Ta,Tb,Tc,若采用首脈沖鎖定方式,會(huì)處理Ta；若采用末脈沖鎖定方式,則會(huì)處理Tc；若采用最優(yōu)時(shí)序脈沖鎖定方式,則處理Tb。

圖1 脈沖鎖定技術(shù)示意圖

2.3 脈沖編碼技術(shù)

激光編碼即對(duì)目標(biāo)指示器發(fā)射的激光脈沖物理特性進(jìn)行調(diào)制,激光編碼技術(shù)能夠避免同一戰(zhàn)場上多個(gè)指示器相互干擾的問題,并且提高激光導(dǎo)引頭的抗干擾能力。當(dāng)前最常用的編碼方式是脈沖間隔編碼,主要分為精確頻率碼、二變間隔碼、脈沖調(diào)制碼、等差型編碼、偽隨機(jī)編碼。其中,偽隨機(jī)編碼 在制導(dǎo)周期內(nèi)不重復(fù),規(guī)律不易尋找等優(yōu)點(diǎn),偽隨機(jī)編碼的出現(xiàn)使得激光制導(dǎo)的抗干擾性能得到極大的提升。

圖2 LFSR狀態(tài)碼脈沖間隔序列

3 高重頻干擾建模

通過上文對(duì)激光導(dǎo)引頭抗干擾技術(shù)的分析,結(jié)合高重頻干擾激光的作用原理,建立高重頻干擾激光對(duì)導(dǎo)引頭干擾過程的模型。

3.1 高重頻干擾激光作用原理分析

高重頻激光脈沖干擾即使用重復(fù)頻率很高的干擾脈沖強(qiáng)行擠入導(dǎo)引頭波門內(nèi),干擾或者淹沒制導(dǎo)信號(hào),使得導(dǎo)引頭無法提取正確的制導(dǎo)信號(hào),從而引偏制導(dǎo)武器。理論上講,只要高重頻干擾脈沖的重復(fù)頻率足夠高且滿足能量閾值,就可以引偏制導(dǎo)武器。

影響高重頻干擾效能的因素有很多,一方面來源于上文提到的導(dǎo)引頭信息處理部分采取的抗干擾措施,主要有時(shí)間波門技術(shù)、脈沖鎖定技術(shù)、脈沖編碼技術(shù)；另一方面則取決于高重頻干擾激光的重復(fù)頻率、干擾時(shí)機(jī)和激光脈沖功率。

本文建立高重頻激光對(duì)導(dǎo)引頭干擾過程的模型,旨在研究高重頻干擾激光干擾效能的影響因素并進(jìn)行分析。

3.2 無干擾條件下導(dǎo)引頭制導(dǎo)概率研究

無干擾條件下,導(dǎo)引頭接收到一個(gè)制導(dǎo)脈沖后,立即設(shè)置下一個(gè)脈沖到來的實(shí)時(shí)波門,受大氣湍流和時(shí)鐘震蕩等因素的影響,實(shí)際導(dǎo)引頭接收到的脈沖信號(hào)不會(huì)精準(zhǔn)的出現(xiàn)在波門中心,而是服從以Tjl為均值,σ2為方差的正態(tài)分布。

T1概率密度函數(shù):

(2)

3.3 高重頻干擾建模

若第j個(gè)周期第(l-1)個(gè)制導(dǎo)脈沖被導(dǎo)引頭識(shí)別,之后高重頻激光對(duì)導(dǎo)引頭實(shí)施了干擾,若脈沖鎖定方式為首脈沖鎖定方式,則在第l個(gè)制導(dǎo)波門內(nèi),干擾信號(hào)脈沖到來時(shí)刻tl2小于等于制導(dǎo)脈沖到來時(shí)刻tl1,則干擾脈沖被導(dǎo)引頭識(shí)別,即干擾成功的概率為P(tl1≥tl2):

(3)

因此,在Tj,l對(duì)應(yīng)波門內(nèi),高重頻干擾脈沖被導(dǎo)引頭識(shí)別的概率為P(tl1≥tl2),根據(jù)這一脈沖到來時(shí)刻開啟下一個(gè)制導(dǎo)脈沖Tj,l+1的實(shí)時(shí)波門,此時(shí)波門中心Tj,l+1=min(tl1,tl2)+ΔTl+1,其中ΔTl+1=Tl+1-Tl。則第l+1波門內(nèi)的干擾概率為P(tl+1,1≥tl+1,2):

(4)

以此類推,對(duì)首脈沖鎖定而言,受干擾脈沖影響,波門中心的位置相較于無干擾時(shí)的波門會(huì)發(fā)生前移,其原理圖如圖3所示。

圖3 首脈沖鎖定干擾原理圖

如圖3所示,上面為無高重頻干擾條件下制導(dǎo)波門的設(shè)置,下面為高重頻干擾信號(hào)被導(dǎo)引頭識(shí)別的圖,在第l個(gè)制導(dǎo)波門內(nèi)干擾信號(hào)被識(shí)別,下一個(gè)波門開啟中心時(shí)刻提前了Tij-Tg,由此推斷,若干擾信號(hào)持續(xù)干擾并代替制導(dǎo)信號(hào)被導(dǎo)引頭接收,則制導(dǎo)信號(hào)會(huì)被誘偏出波門,此時(shí)認(rèn)為干擾成功。圖3中,干擾信號(hào)首次出現(xiàn)在第l個(gè)制導(dǎo)波門,假設(shè)在第n個(gè)波門內(nèi)剛好沒有制導(dǎo)信號(hào),即制導(dǎo)信號(hào)在第n個(gè)波門內(nèi)被誘偏出波門,則定義(n-l+1)為成功誘偏波門數(shù),即定義從干擾信號(hào)進(jìn)入波門算起至制導(dǎo)信號(hào)被誘偏出波門后的第一個(gè)波門對(duì)應(yīng)的波門序號(hào)為成功誘偏波門數(shù)。因?yàn)橹茖?dǎo)信號(hào)和干擾信號(hào)都具有隨機(jī)性,因此討論單次干擾成功概率的意義不大,這里取多次成功誘偏波門數(shù)的均值對(duì)制導(dǎo)效能影響因素的評(píng)估進(jìn)行討論。

4 高重頻干擾因素的效能評(píng)估

4.1 高重頻干擾重復(fù)頻率f對(duì)干擾效能的影響

取實(shí)時(shí)波門寬度Δt=10 μs,為滿足f≥1/Δt的干擾條件,f取100 kHz～500 kHz,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同干擾頻率下的干擾效能

圖4中k為經(jīng)過200次仿真后對(duì)成功誘偏波門數(shù)取均值得到的結(jié)果,直接反映了干擾效能。k越大,干擾成功所需要的時(shí)間越長,干擾效能越差；反之,干擾效能越好。由圖可知,隨著高重頻干擾重復(fù)頻率的增加,k值下降,干擾效能提升；當(dāng)f≥300 kHz時(shí),隨著干擾頻率的提升,干擾效能的提升趨于平緩。

4.2 波門寬度Δt對(duì)干擾效能的影響

取高重頻干擾重復(fù)頻率為100 kHz,為滿足波門寬度Δt≥6.18σ,Δt取10～40 μs,仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同波門寬度下的干擾效能

如圖5所示,隨著波門的寬度的增加,k減小,當(dāng)波門寬度從10 μs增加到30 μs,干擾效能迅速增加；當(dāng)Δt≥30 μs時(shí),增加波門寬度,干擾效能增加幅度減小。

4.3 單位波門內(nèi)干擾脈沖數(shù)量對(duì)干擾效能的影響

本段研究高重頻干擾重復(fù)頻率f和波門寬度Δt的乘積f×Δt。f×Δt=Δt/f-1,該式含義為波門寬度除相鄰干擾脈沖間的時(shí)間間隔,即單位波門內(nèi)干擾脈沖的數(shù)量,下面以波門寬度Δt為變量,研究單位波門內(nèi)干擾脈沖的數(shù)量對(duì)干擾效能的影響,進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 單位波門內(nèi)不同干擾脈沖數(shù)量的干擾效能

如圖6所示,f×Δt越高,干擾效能越好。因此,單位波門內(nèi)干擾脈沖的數(shù)量越多,干擾效能越好；當(dāng)單位波門內(nèi)干擾脈沖數(shù)量大于3時(shí),繼續(xù)增加單位波門內(nèi)干擾脈沖數(shù),干擾效能的提升趨于平緩。當(dāng)單位波門內(nèi)干擾脈沖數(shù)量大于3時(shí),k≤3。且制導(dǎo)信號(hào)的脈沖間隔ΔTi≤90 ms(1≤i≤160),因此當(dāng)單位波門內(nèi)干擾脈沖數(shù)量大于3時(shí),高重頻干擾時(shí)間小于270 ms。

4.4脈沖鎖定技術(shù)對(duì)干擾效能的影響

在之前的仿真中均使用首脈沖鎖定技術(shù),此外,脈沖鎖定技術(shù)還包括末脈沖鎖定技術(shù)和最優(yōu)時(shí)序脈沖鎖定技術(shù)。下面對(duì)三種脈沖鎖定方式對(duì)干擾效能的影響進(jìn)行仿真。仿真條件設(shè)置為波門寬度Δt=10 μs,f取100 kHz～500 kHz。

如圖7所示,三種脈沖鎖定方式干擾效能均隨著高重頻干擾頻率增加而增加,且在f≤200 kHz時(shí),干擾效能隨高重頻干擾頻率f增加較快；f>200 kHz時(shí)增加較慢。分析可得,首脈沖鎖定和末脈沖鎖定對(duì)高重頻干擾的抗干擾性能效果相當(dāng),最優(yōu)時(shí)序脈鎖定對(duì)高重頻干擾的抗干擾性能遠(yuǎn)高于其余兩種脈沖鎖定方式。

圖7 不同脈沖鎖定方式下的干擾效能

5 結(jié) 論

本文通過分析高重頻干擾概率和干擾原理對(duì)干擾過程進(jìn)行了建模研究,使用成功誘偏波門數(shù)作為評(píng)價(jià)干擾效能的指標(biāo),研究了波門寬度、干擾頻率對(duì)干擾效能的影響。仿真結(jié)果表明:波門寬度越寬,干擾頻率越高,干擾效果越好。分析得出了影響干擾效能的直接因素是單位波門內(nèi)干擾脈沖的數(shù)量,單位波門內(nèi)干擾脈沖的數(shù)量越多,干擾效能越好；當(dāng)單位波門內(nèi)干擾脈沖數(shù)量超過3個(gè)時(shí),繼續(xù)增加單位波門內(nèi)干擾脈沖數(shù),干擾效能的提升趨于平緩,此時(shí)高重頻干擾時(shí)間小于270 ms；最優(yōu)時(shí)序脈沖鎖定對(duì)高重頻干擾的抗干擾性能遠(yuǎn)高于首脈沖鎖定和末脈沖鎖定。本文對(duì)干擾過程進(jìn)行了仿真,在此基礎(chǔ)上對(duì)干擾效能影響因素的分析,能夠?yàn)樘岣吒咧仡l干擾裝備的干擾效能提供理論參考。