混合激光制導(dǎo)信號分選與解碼研究

羅 威,王良斯,林賢斌

(空軍預(yù)警學(xué)院六系,湖北 武漢 430019)

1 引 言

半主動激光制導(dǎo)武器具有制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中大量用于對重要目標(biāo)的空地精確打擊。激光角度欺騙干擾是對付激光制導(dǎo)武器的有效手段[1],其前提條件是對激光制導(dǎo)信號的偵察告警和解碼識別。目前,對單一激光制導(dǎo)信號的解碼技術(shù)和激光告警設(shè)備發(fā)展較為成熟[2]。然而,現(xiàn)代戰(zhàn)爭空對地打擊行動中,如攻擊機(jī)場、橋梁、坦克集群時(shí),就涉及發(fā)射多枚激光制導(dǎo)導(dǎo)彈同時(shí)打擊多個(gè)目標(biāo)的情況,這時(shí)將產(chǎn)生在時(shí)域、空域、頻域交疊重合的混合激光制導(dǎo)信號。若激光告警設(shè)備不能對其進(jìn)行正確分選和解碼,就無法實(shí)施有效的激光角度欺騙干擾以保護(hù)重要目標(biāo)免遭打擊。

在混合激光制導(dǎo)信號分選與解碼技術(shù)研究方面,基于信號脈沖間隔、脈寬等時(shí)間域特征,先后有文獻(xiàn)提出序列差值直方圖和變步長序列搜索法[3]、加權(quán)歸一自相關(guān)方法[4]、碼元周期搜索法[5]、基于統(tǒng)計(jì)方法[6]、基于頻率方法[7]、基于深度自編碼網(wǎng)絡(luò)方法[8]等系列方法。但是,這些方法一般都是先識別相對簡單或具備先驗(yàn)知識的單路信號,而后再對混合信號進(jìn)行分選。本文基于骨架周期分析方法,編寫了相應(yīng)MATLAB程序,可實(shí)現(xiàn)對無先驗(yàn)知識、相對復(fù)雜混合激光制導(dǎo)信號的自動分選和解碼。

2 混合激光制導(dǎo)信號特征分析

激光編碼技術(shù),是激光半主動制導(dǎo)武器避免自擾和對抗轉(zhuǎn)發(fā)式激光干擾的關(guān)鍵技術(shù)。激光脈沖編碼類型包括:脈寬編碼、精確頻率碼、二間隔碼、脈沖調(diào)制碼、有限位隨機(jī)周期碼、偽隨機(jī)編碼等。

目前激光制導(dǎo)武器中主要采用的是精確頻率碼和有限位隨機(jī)周期碼。精確頻率碼即脈沖重復(fù)頻率(Pulsed Repetition Frequency,PRF)激光編碼,是指激光脈沖的頻率重復(fù)不變,相鄰激光脈沖間隔為固定值。有限位隨機(jī)周期碼即脈沖時(shí)間間隔調(diào)制(Pulse Interval Modulate,PIM)激光編碼,是指各激光脈沖時(shí)間間隔是隨機(jī)無關(guān)聯(lián)的,但其位數(shù)有限,具有可重復(fù)性。例如設(shè)置一個(gè)4位PIM激光編碼,對應(yīng)有4個(gè)脈沖間隔{t1,t2,t3,t4},其重復(fù)周期也可稱為骨架周期,為同一周期內(nèi)各脈沖間隔之和,即T=t1+t2+t3+t4。

本文主要針對PRF信號和PIM編碼信號所組成的混合激光制導(dǎo)信號開展研究?；旌闲盘柊≒RF與PRF混合信號、PRF與PIM混合信號、PIM與PIM混合信號等三種類型?；旌闲盘枙r(shí)序分布分別如圖1、圖2、圖3所示。信號1重復(fù)周期為T1,信號2重復(fù)周期為T2,假設(shè)信號1先到達(dá)激光告警器,兩組信號的達(dá)到時(shí)間差為Δt。

圖1 PRF與PRF混合信號示意圖Fig.1 PRF mixed PRF signals

圖2 PRF與PIM混合信號示意圖Fig.2 PRF mixed PIM signals

圖3 PIM與PIM混合信號示意圖Fig.3 PIM mixed PIM signals

由于激光制導(dǎo)武器所使用的激光目標(biāo)指示器性能相同,因此兩組激光制導(dǎo)信號的頻率、脈寬相同,照射方位也基本一致,故兩組信號會形成一個(gè)混合信號,且很難直接進(jìn)行區(qū)分。混合信號會形成一個(gè)新的骨架周期Tm,Tm為T1和T2的最小公倍數(shù)。為避免自擾影響,T1和T2會避免設(shè)置為簡單倍數(shù)關(guān)系,甚至互為質(zhì)數(shù),故大部分情況下,Tm為一較大值,即兩組信號混合后的激光脈沖間隔近似為偽隨機(jī)序列,脈沖間隔值在很長時(shí)間內(nèi)都不重復(fù)。

另外,當(dāng)兩組信號的達(dá)到時(shí)間間隔較大且滿足|Δt|>2T1時(shí),激光告警器在信號2到達(dá)之前就可以完成對信號1的解碼,對后續(xù)混合信號的分選與解碼難度也會相應(yīng)減小。本文中主要考慮的是|Δt|<2T1這種更復(fù)雜的情況,上述情況也可兼容處理。

3 混合激光制導(dǎo)信號分選與解碼方法

當(dāng)混合信號中包含PRF信號時(shí),即對于PRF與PRF混合信號、PRF與PIM混合信號,其分選和解碼相對簡單,本文采用時(shí)差矩陣統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理。對于PIM與PIM混合信號,其分選和解碼相對復(fù)雜,本文針對性提出骨架周期分析方法,較好地解決了問題。

3.1 PRF與PRF混合信號分選與解碼

兩個(gè)PRF信號組成混合信號,其重復(fù)周期分別為T1和T2,如圖1所示。假設(shè)共有L個(gè)脈沖,每個(gè)脈沖信號的到達(dá)時(shí)間XTOA已知,設(shè)ΔTmn為第m個(gè)脈沖和第n個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)間XTOAm、XTOAn之差,則有:

ΔTmn=XTOAm-XTOAn(m>n)

(1)

從L個(gè)脈沖中選取相鄰的k個(gè)脈沖,可以構(gòu)建一個(gè)(k-1)階的時(shí)差矩陣ΔT:

如果第m個(gè)脈沖和第n個(gè)脈沖是同一個(gè)重頻信號相鄰脈沖,則此時(shí)的ΔTmn=T1或T2。如果不是,則ΔTmn為非相關(guān)值,且基本不重復(fù)。對該時(shí)差矩陣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,在統(tǒng)計(jì)結(jié)果中出現(xiàn)次數(shù)最多的值即為T1或T2。

k的取值會直接影響信號分選準(zhǔn)確度和分選時(shí)間。當(dāng)k取值較小時(shí),時(shí)差中相關(guān)值可能偏少,影響信號分選準(zhǔn)確度,一般取k>5。k取值也不宜過大,否則運(yùn)算量會大大增加,分選時(shí)間也相應(yīng)增大。在時(shí)差矩陣中還會出現(xiàn)很多T1和T2的倍頻值,在時(shí)差矩陣基礎(chǔ)上,還需要對時(shí)差矩陣的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步處理,將統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為第二個(gè)矩陣,稱為統(tǒng)計(jì)矩陣,對統(tǒng)計(jì)矩陣進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,可以更加準(zhǔn)確提取T1或T2。

3.2 PRF與PIM混合信號分選與解碼

對于PRF與PIM混合信號,同樣可利用上述矩陣統(tǒng)計(jì)方法,建立時(shí)差矩陣對混合信號進(jìn)行分選,從中分選出重頻信號,剩下的信號就是編碼信號,在此不再詳述。也可用下文即將介紹的動態(tài)自相關(guān)算法對混合信號進(jìn)行分選,從中分選出編碼信號,剩下的信號就是重頻信號。

3.3 PIM與PIM混合信號分選與解碼

假設(shè)PIM與PIM混合信號如圖3所示,其中一組為4位編碼信號,脈沖間隔為t1、t2、t3、t4,骨架周期為T1=t1+t2+t3+t4,另一組同樣為4位編碼信號,脈沖間隔為t5、t6、t7、t8,骨架周期為T2=t5+t6+t7+t8。如前文所述,混合信號形成的新的骨架周期很長,相鄰激光脈沖間隔近似為偽隨機(jī)序列,即脈沖間隔值基本不重復(fù)。若同樣建立時(shí)差矩陣并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,相比包含PRF信號的混合信號,分選出t1、t2、t3、t4這4個(gè)值要困難很多,原因一是要分析的脈沖數(shù)量大大增加,二是統(tǒng)計(jì)結(jié)果差距不顯著。

因此,本文將骨架周期作為PIM與PIM混合信號分選的主要參數(shù)。其流程描述如下:(1)確定分選脈沖數(shù)動態(tài)范圍(x,y)。以4位編碼信號為例,其骨架周期最少需要5個(gè)脈沖序列構(gòu)成,即最小值x取值5即可。根據(jù)實(shí)際情況,激光指示器無論是PRF信號還是PIM信號,其脈沖間隔大小一般不會有數(shù)量級的差異,因此y取值為x的2倍或略大即可,就可以保證(x,y)內(nèi)存在一個(gè)完整的骨架周期。(2)建立時(shí)差矩陣。從第n個(gè)脈沖開始,在(x,y)的脈沖長度范圍內(nèi),構(gòu)建時(shí)差序列,注意此時(shí)時(shí)差并非是相鄰脈沖的時(shí)差,而是相距x個(gè)以上、y個(gè)以下脈沖的時(shí)差,再從(n+1)個(gè)脈沖開始,重復(fù)上述流程,形成時(shí)差矩陣。(3)統(tǒng)計(jì)分析獲取骨架周期。對時(shí)差矩陣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可以得到編碼信號的骨架周期T1和T2。(4)根據(jù)骨架周期進(jìn)行信號分選。從第1個(gè)脈沖序列開始分析,其到達(dá)時(shí)間加上T1,如果在混合信號脈沖序列中存在相應(yīng)脈沖,則說明這2個(gè)脈沖均屬于信號1的脈沖；如果不存在,則該脈沖屬于信號2。遍歷完整混合信號脈沖序列,就可以完成混合信號的分選。(5)信號解碼。對分選后得到的信號進(jìn)行解碼,得出其位數(shù)和脈沖間隔。

4 混合激光制導(dǎo)信號分選與解碼分析

根據(jù)上述混合激光制導(dǎo)信號分選與解碼方法,基于MATLAB軟件平臺編寫了混合激光制導(dǎo)信號分選與解碼軟件,軟件界面如圖4所示。其功能包括:模擬產(chǎn)生PRF與PRF、PRF與PIM、PIM與PIM等三種類型混合信號,對混合信號進(jìn)行自動分選和解碼,分選與解碼結(jié)果的圖文可視化顯示。

圖4 混合激光制導(dǎo)信號分選與解碼軟件界面圖Fig.4 Interface of the sorting and decoding software

以相對最復(fù)雜的PIM與PIM混合信號為例介紹混合信號產(chǎn)生操作,其信號設(shè)置和產(chǎn)生的混合信號如圖5所示。其中PIM信號1的骨架周期是T1=69 ms+85 ms+67 ms,PIM信號2的骨架周期是T2=42 ms+65 ms+81 ms。

圖5 PIM與PIM混合信號生成及可視化Fig.5 PIM mixed PIM signals generation and visualization

模擬產(chǎn)生PRF與PRF、PRF與PIM、PIM與PIM等三種類型混合信號,每種類型各100組,并利用混合激光制導(dǎo)信號分選與解碼軟件分別對其進(jìn)行分選與解碼,其中信號1和信號2達(dá)到時(shí)間間隔隨機(jī)生成。對100組PRF與PRF混合信號的典型分選與解碼結(jié)果如圖6所示,平均分選用時(shí)0.453 s。對100組PRF與PIM混合信號的典型分選與解碼結(jié)果如圖7所示,其中PIM信號為3位編碼信號,平均分選用時(shí)1.190 s。對100組PIM與PIM混合信號的典型分選與解碼結(jié)果如圖8所示,PIM信號均為3位編碼信號,平均分選用時(shí)2.206 s。

圖6 PRF與PRF混合信號分選與解碼結(jié)果Fig.6 Sorting and decoding result of PRF mixed PRF signals

圖7 PRF與PIM混合信號分選與解碼結(jié)果Fig.7 Sorting and decoding result of PRF mixed PIM signals

圖8 PIM與PIM混合信號分選與解碼結(jié)果Fig.8 Sorting and decoding result of PIM mixed PIM signals

5 結(jié) 論

本文主要研究混合激光制導(dǎo)信號分選和解碼方法,并編寫了混合激光制導(dǎo)信號分選與解碼軟件,對PRF與PRF、PRF與PIM、PIM與PIM等三類混合信號進(jìn)行了分選和解碼。其中,PIM信號由于包含編碼位數(shù)和脈沖間隔值等多重未知參數(shù),分選難度較大,本文利用骨架周期分析方法,能夠正確分選包含PIM信號的混合信號,且分選和解碼總用時(shí)較短,能夠較好滿足實(shí)際需求。研究工作為下一步在實(shí)際環(huán)境下對混合激光制導(dǎo)信號進(jìn)行分選與解碼打下了良好基礎(chǔ)。