高重頻激光誘餌運用研究

宿天橋， 劉志國， 滿芳芳

(1.火箭軍工程大學,西安 710000； 2.中國人民解放軍96922部隊,遼寧 大連 116000)

0 引言

高重頻激光干擾裝備可以根據(jù)不同的作戰(zhàn)背景，對來襲的激光半主動制導導彈實施誘餌干擾和擾亂干擾。而對于導彈發(fā)射車的激光防護，需要對來襲激光半主動制導導彈實施指向性的誘餌干擾，誘偏其攻擊預設的高重頻激光誘餌，避免誤傷導彈發(fā)射車附近散布的警戒人員和保障裝備。

高重頻激光誘餌干擾和擾亂干擾是高重頻激光干擾產生的兩種干擾現(xiàn)象，高重頻誘餌干擾是一種以角度欺騙為目的的高重頻激光誘偏干擾；高重頻擾亂干擾是一種堵塞式高重頻激光壓制干擾。

高重頻激光誘餌干擾和擾亂干擾這兩種不同的干擾模式之間并沒有明確的頻率分界線，如果高重頻激光干擾機對激光脈沖重復頻率設置不當，誘餌干擾可能會轉變成擾亂干擾，在特定的作戰(zhàn)背景下甚至會產生嚴重的后果。因此，高重頻激光重復頻率的選擇是高重頻激光誘餌誘偏干擾能否成功的關鍵。

1 高重頻激光誘餌誘偏干擾原理

如圖1所示，高重頻激光誘餌干擾是激光高重頻誘餌根據(jù)告警單元提供敵方激光半主動導彈方位信息，發(fā)射高重頻激光脈沖直接照射激光導引頭，高于導引頭探測閾值的高重頻干擾激光脈沖入瞳，然后利用高重頻干擾激光脈沖極高重復頻率和極小脈沖間隔的優(yōu)勢，使高重頻干擾激光脈沖與編碼信號匹配，同步或超前制導信號進入導引頭時間波門內，由于激光干擾信號脈沖能量高于激光制導信號，使導引頭將干擾信號錯誤識別成制導信號，最終將敵方激光半主動導彈引偏至高重頻誘餌處，從而達到保護我方目標的目的。

圖1 高重頻激光干擾工作原理Fig.1 Working principle of high-repetition-rate laser jamming

激光高重頻誘餌誘偏干擾原理比較簡單，但影響其干擾效果的因素較多:激光脈沖重復頻率、激光脈沖峰值功率、激光能量穩(wěn)定性、激光束散角、干擾距離、跟蹤瞄準精度等。其中，激光脈沖峰值功率、激光能量穩(wěn)定性、激光束散角、干擾距離和跟蹤瞄準精度因素最終都反映在入瞳激光能量強度上[1]。因此，激光高重頻誘餌的干擾效果影響因素主要考慮入瞳激光能量，對激光束散角、激光能量穩(wěn)定性、干擾距離和跟蹤瞄準精度等因素可以不再單獨進行分析，高重頻激光干擾信號的能量和重復頻率是影響高重頻誘餌干擾效果的主要因素。

通過高重頻激光誘餌干擾的原理分析，高重頻誘餌要達到有效誘偏干擾效果的條件為：1) 選擇合適的重復頻率，保證采用的是高重頻誘餌干擾模式；2) 進入導引頭視場干擾激光的能量必須高于導引頭探測閾值；3) 干擾激光信號能夠同步或超前于制導指示激光信號進入導引頭時間波門；4) 干擾激光信號和制導指示激光信號的脈沖峰值功率干信比PJK/PGK不小于1。

2 高重頻激光誘餌運用機理分析

2.1 高重頻誘餌能量

高重頻誘餌采用直瞄式干擾，激光干擾信號進入導引頭的脈沖能量為

(1)

式中：ESJ為高重頻誘餌輸出脈沖能量；KJ為高重頻誘餌光學系統(tǒng)透過率；KR為導引頭光學系統(tǒng)透過率；A為導引頭入瞳處口徑面積；R1為高重頻誘餌到導引頭的距離；θ1為高重頻干擾激光束散角；c1為大氣衰減系數(shù)；m為跟蹤瞄準精度修正系數(shù)。

考慮高重頻激光器輸出的是等間隔規(guī)則脈沖，脈沖峰值功率PRJ、脈沖寬度τ1、脈沖能量ESJ三者之間的關系為

ESJ=PRJ·τ1。

(2)

高重頻激光器輸出的平均功率PJ與其脈沖重復頻率fJ、脈沖能量ESJ之間的關系為

PJ=ESJ·fJ。

(3)

高重頻誘餌要達到有效的誘偏干擾效果，首先要滿足干擾激光信號能量密度ERJ/A必須大于等于激光導引頭探測靈敏度Eth，所以有

(4)

代入式(3)進行計算,可得出高重頻誘餌干擾脈沖重復頻率與最大干擾距離之間的關系為

(5)

另外，激光指示器發(fā)射指示激光照射導彈發(fā)射車形成光斑，光斑尺寸小于目標尺寸，經真目標漫反射后形成激光制導信號，進入到導引頭的干擾脈沖能量度為

(6)

式中：ESG為激光指示器輸出的干擾脈沖能量；KG為激光指示器光學系統(tǒng)透過率；R2為激光指示器與目標之間的距離；c2為激光指示器與目標之間的大氣衰減系數(shù)；R3為目標與激光導引頭之間的距離；c3為目標與激光導引頭之間的大氣衰減系數(shù)；ρ為目標漫反射率；θ2為指示激光入射角。

激光制導信號既要指引導彈攻擊敵方目標，也要滿足制導激光信號能量密度ERG/A必須大于等于激光導引頭探測靈敏度Eth，所以有

(7)

又考慮高重頻激光器輸出的是等間隔規(guī)則脈沖，脈沖峰值功率PKJ、脈沖寬度τ2、脈沖能量ERJ三者之間的關系為

ERJ=PKJ·τ2。

(8)

實際運用時，為了編碼識別的通過率，高重頻激光脈沖的脈寬通常與指示激光的脈寬相等，即τ1=τ2。定義激光干擾脈沖峰值功率與制導脈沖峰值功率的干信比為R，其等于激光干擾信號和制導信號脈沖能量的比值，即

(9)

通常，真、假目標與導引頭之間的距離R1≈R3，大氣衰減率c1≈c2≈c3，高重頻誘餌和激光指示器光學系統(tǒng)透過率KJ≈KG,式(9)可化簡為

(10)

將式(3)代入式(10)計算,可得干信比與高重頻干擾信號重復頻率之間的關系

(11)

2.2 高重頻誘餌能量的計算分析

在高重頻誘餌對導彈發(fā)射車防護運用中，假設激光導引頭探測靈敏度Eth=20×10-15J/cm2,導引頭和高重頻誘餌光學系統(tǒng)透過率為KR≈KJ=0.8，高重頻干擾機平均功率為PJ=30 W，高重頻干擾激光束散角為θ1=1.5 mrad，激光指示器輸出的激光脈沖能量為ESG=30 mJ,激光指示器指示激光入射角θ2=30°，目標漫反射率ρ=0.2，大氣衰減系數(shù)c1≈c2=0.166×10-3，跟蹤瞄準精度修正系數(shù)m=20%。

通過式(2)和式(3)可知，高重頻激光脈沖峰值能量和脈沖重復頻率成反比，脈沖重復頻率越高，脈沖峰值能量越小，高重頻激光干擾機可設置為最高重復頻率，對式(5)、式(7)進行計算可得，高重頻干擾信號最遠干擾距離遠大于激光指示信號的作用距離；對式(11)計算可得，高重頻干擾信號的干信比遠大于1。由上述計算可知，對于高重頻誘餌誘偏干擾而言，在選取干擾信號重復頻率時不用考慮能量對誘偏干擾效果的影響。

2.3 高重頻誘餌重復頻率

根據(jù)高重頻誘餌干擾原理，被導引頭四象限探測器探測到的激光干擾信號在時序上必須通過脈沖解碼、時間波門和脈沖選通三重抗干擾電路的篩選，才能完成激光干擾信號的“誤識別”，即導引頭把干擾信號誤認為制導信號，因此，高重頻誘偏干擾信號重復頻率的選取與激光導引頭脈沖編碼識別、時間波門和脈沖選通技術密切相關[2-6]。

1) 導引頭脈沖編碼識別。

導引頭激光編碼技術采用脈沖間隔調制編碼，主要有以下幾種編碼方式：精確頻率碼、脈沖調制碼、任意時間碼和偽隨機碼，將這些編碼方式的編碼序列置于時間軸上，會發(fā)現(xiàn)相位的變化可以反映其脈沖間隔的變化。因此，高重頻誘偏干擾在導引頭脈沖編碼識別階段，就是利用高重復頻率包含豐富相位信息的特性來完成與預設編碼的匹配。

導引頭脈沖編碼識別階段，高重頻干擾激光與預設編碼(指示激光脈沖間隔)的匹配程度存在如下關系

fJ=N·fG

(12)

式中，fG為指示激光脈沖頻率。① 當fJ與fG成整數(shù)倍或近似為整數(shù)倍關系時，高重頻激光脈沖序列中含有與指示激光相同的編碼序列,只要滿足相位的同步關系，就可以與預設編碼完全匹配，高重頻干擾信號每個周期都能有脈沖進入時間波門；② 當fJ與fG不成整數(shù)倍關系時，雖然在進行相關編碼識別時只能完成部分編碼序列的匹配，當重復頻率足夠高時可以使導引頭對編碼的識別出現(xiàn)混亂，使得導引頭一直處于搜索識別階段而無法正常地輸出誤差信號。

上述兩種情況分別對應高重頻誘餌干擾和擾亂干擾這兩種干擾模式：第一種情況高重頻干擾脈沖重復頻率足夠高，也就是N·fG足夠大時，誘餌干擾可能會轉變成擾亂干擾；第二種情況中有部分編碼完成匹配，也存在著誘餌干擾的概率。因此，式(12)并非是發(fā)射誘偏干擾和擾亂干擾的必要條件,高重頻干擾模式干擾頻率的選擇還需通過具體的干擾實驗進行驗證。

2) 導引頭時間波門。

在時間波門階段，要保證每個時間波門內至少接收到一個干擾激光脈沖信號，重復頻率fJ的設置必須不小于波門寬度Δτ的倒數(shù),即

fJ≥1/Δτ。

(13)

波門寬度是導引頭時間波門抗干擾技術的重要指標，激光指示器發(fā)射激光脈沖間隔的不確定性、彈目距離變化導致接收制導信號的延時有差異、導引頭電路的延時造成與指示器時基的不一致等,使得導引頭的波門寬度不可能設計得太小，一般會設為幾十微秒以上。固定時間波門要考慮波門設置的累計誤差，實時波門有效消除了波門設置的累計誤差，波門寬度一般比固定波門設置得更窄。實時波門的波門寬度小于固定波門的寬度，干擾脈沖進入波門的概率會隨之減小，因此，實時波門成為導引頭廣泛采用的抗干擾技術。但是，如果實時波門時間同步基點為干擾脈沖，有可能在后續(xù)實時調整過程中，導引頭波門位置將被干擾信號“牽引”離開制導信號位置，導致制導信號被高重頻干擾拉偏出波門之外。

3) 導引頭脈沖選通。

導引頭脈沖選通技術主要包括首脈沖選通、最優(yōu)脈沖選通和末脈沖選通，其中，首脈沖選通是當波門內出現(xiàn)多個激光脈沖時，只選通波門內的第一個脈沖，其應用最為廣泛。

首脈沖選通在實際運用時會面臨兩種情況：① 在導引頭搜索階段，高重頻激光脈沖滿足重復頻率不小于波門寬度倒數(shù)的條件，至少有1個干擾脈沖進入導引頭波門，如果導引頭采用實時波門并在一定時間內沒有制導信號進入波門，由于實時波門的牽引效應，后續(xù)的制導信號可能無法進入波門，因此進入波門的干擾脈沖會被當作制導脈沖選通，成功實現(xiàn)高重頻誘偏干擾；② 在導引頭跟蹤階段，導引頭已經跟蹤鎖定制導信號，后面進入波門的干擾脈沖有可能出現(xiàn)在波門的首脈沖位置，因此在這種情況下，確定波門內干擾脈沖超前制導脈沖的概率，就能確定高重頻誘偏干擾概率。

在導引頭采用實時波門和首脈沖選通的條件下，制導脈沖出現(xiàn)在波門內的位置是個隨機變量,定義為X，則X服從正態(tài)分布(Δτ/2,σ2)，且制導激光全部進入導引頭波門內，則X～N(Δτ/2,Δτ2/6.182),制導概率密度函數(shù)為

(14)

假設有k個高重頻干擾脈沖進入一個時間波門內，進入時間波門內的干擾脈沖的位置是個隨機變量,定義為Y,則干擾脈沖在波門內的位置Y服從均勻分布U(0,k/Δτ),干擾脈沖概率密度函數(shù)為

(15)

干擾脈沖超前制導脈沖的概率為

(16)

2.4 高重頻誘餌重復頻率的計算分析

當時間波門Δτ分別取20 μs和10 μs時，干擾脈沖超前制導脈沖的概率P與時間波門內高重頻干擾脈沖數(shù)量k的關系如圖2所示。

圖2 P與k的關系Fig.2 Relationship between P and k

把式(16)的仿真結果代入f=k/Δτ，可得k，f，P三者之間的關系如表1所示。

表1 k， f，P三者之間的關系Table 1 Relationship between k， f and P

由表1可知，時間波門寬度一定時，隨著進入時間波門的高重頻脈沖數(shù)的增加，干擾脈沖超前制導脈沖的概率隨之增高，當k≥7時，干擾脈沖超前制導脈沖的概率不再隨k值發(fā)生變化；對于不同寬度的時間波門，k與P之間的關系基本上保持不變；在導引頭跟蹤階段，3～4個干擾脈沖同時進入時間波門時，干擾脈沖超前制導脈沖的概率在96%以上，高重頻重復頻率又不是太高，對于高重頻誘餌干擾而言能夠達到良好的誘偏干擾效果。

2.5 高重頻誘餌重復頻率運用方案

通過對高重頻誘餌運用機理分析，高重頻誘餌采用直瞄干擾，在選擇其重復頻率時不用考慮與能量相關的影響因素；受激光導引頭脈沖編碼識別、時間波門和脈沖選通技術影響，高重頻誘餌要想達到理想的干擾效果，其重復頻率的選擇方案為：在導引頭搜索階段，高重頻干擾脈沖重復頻率是指示激光脈沖頻率的整數(shù)倍，并保證至少有1個干擾脈沖進入時間波門；在導引頭跟蹤階段，高重頻干擾脈沖重復頻率是指示激光脈沖頻率的整數(shù)倍，并保證至少有3～4個干擾脈沖進入時間波門。

3 干擾效果實驗驗證

3.1 實驗前的準備工作

圖3為高重頻激光誘餌干擾效果實驗布局圖。

圖3 高重頻激光誘餌干擾效果實驗布局圖Fig.3 Experimental layout of jamming effect of high-repetition-rate laser decoy

實驗室要對實驗區(qū)進行消光處理，考慮在實驗室采用直接瞄準式干擾會損傷導引頭模擬器，因此改用漫反射式干擾，把高重頻干擾脈沖信號投射到漫反射屏上形成光斑，經漫反射屏漫反射后到達導引頭模擬器入瞳。

參加實驗的設備布設完畢后,先按照搜索模式和跟蹤模式兩個干擾對抗背景對參加實驗設備的參數(shù)進行設置和標定：1) 設置激光指示器和導引頭模擬器的編碼方式為脈沖調制碼，指示激光波長1.064 μm、頻率20 Hz，導引頭模擬器實時時間波門寬度20 μs；2) 高重頻誘餌距離導彈發(fā)射車200 m，在漫反射屏上等比例標定好導引頭搜索和跟蹤兩種模式下真目標和高重頻誘餌的光斑位置；3) 標定反射鏡兩軸轉臺角度，使激光指示器和高重頻激光干擾器在漫反射屏上的照射光斑和預設的光斑重合；4) 計算出等比例入瞳干擾激光和制導激光的能量密度，標定激光指示器和高重頻激光干擾器電壓，使進入導引頭模擬器的干擾激光和制導激光的能量密度符合計算值。

3.2 導引頭搜索階段和跟蹤階段干擾效果實驗

搜索階段實驗中，高重頻激光重復頻率分別選擇50 kHz，60 kHz和70 kHz。具體實驗為：首先，激光導引頭模擬器開機,開啟搜索模式，然后打開高重頻激光干擾器,設置重復頻率為50 kHz，將高重頻激光經反射鏡反射到標定好的漫反射屏光斑位置，讓激光導引頭模擬器鎖定跟蹤高重頻干擾激光一段時間；然后，激光指示器開機工作，通過反射鏡瞄準漫反射屏標定的真目標位置，同時，實驗數(shù)據(jù)錄取設備記錄分析高重頻干擾效果數(shù)據(jù)；改變高重頻重復頻率，按上述步驟重復實驗。

跟蹤階段實驗中，高重頻激光重復頻率分別選擇150 kHz,200 kHz和250 kHz。與搜索階段不同：首先，激光導引頭模擬器開啟搜索模式，然后激光指示器開機工作，讓激光導引頭模擬器鎖定跟蹤高重頻干擾激光一段時間；然后，打開高重頻激光干擾器,設置重復頻率為150 kHz，對激光導引頭進行誘偏干擾，同時，試驗數(shù)據(jù)錄取設備記錄分析高重頻干擾效果數(shù)據(jù)；按照已選定的高重頻重復頻率按以上步驟重復實驗。

3.3 實驗結果及分析

分別組織了搜索階段和跟蹤階段兩個干擾效果實驗對高重頻誘餌重復頻率的選擇方案進行驗證，實驗結果如表2所示。

表2 干擾效果與干擾頻率之間的關系Table 2 Relationship between jamming effect and jamming frequency

實驗結果驗證了仿真計算的結論，通過實驗結果可以看出,高重頻激光誘餌在激光導引頭搜索階段進行干擾,只需要較低的頻率就能達到理想的干擾效果。

4 結論

通過理論分析、數(shù)值計算和實驗驗證，高重頻激光誘餌在重復頻率選擇時：

1) 不用考慮與能量相關的影響因素；

2) 在導引頭搜索階段，高重頻干擾脈沖重復頻率是指示激光脈沖頻率的整數(shù)倍，并保證至少有1個干擾脈沖進入時間波門；

3) 在導引頭跟蹤階段，高重頻干擾脈沖重復頻率是指示激光脈沖頻率的整數(shù)倍，并保證至少有3～4個干擾脈沖進入時間波門；

4) 在干擾時機的選擇上，搜索階段優(yōu)于跟蹤階段。