冗余脈沖法抗激光誘偏干擾技術(shù)研究

劉 虎,趙志剛,孟智勇,謝安寧,郭云峰

(中國(guó)人民解放軍63895部隊(duì),河南 孟州 454750)

1 引 言

激光制導(dǎo)武器不受電磁脈沖和地球磁場(chǎng)的影響,能夠在復(fù)雜的自然背景或人為干擾條件下,特別是電子對(duì)抗環(huán)境中進(jìn)行作戰(zhàn),具備很強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性和抗干擾能力;可采用激光編碼技術(shù),與激光目標(biāo)指示器配合,實(shí)現(xiàn)對(duì)單目標(biāo)或多目標(biāo)的精確打擊;制導(dǎo)精度高,具有較強(qiáng)的命中精度;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉,并且可與其他制導(dǎo)技術(shù)集成,形成多模制導(dǎo)體制[1]。因此,激光制導(dǎo)武器自問(wèn)世以來(lái),就展現(xiàn)出了極強(qiáng)的戰(zhàn)斗力。1968年,寶石路摧毀河內(nèi)大橋一戰(zhàn)成名;海灣戰(zhàn)爭(zhēng),激光制導(dǎo)彈藥實(shí)現(xiàn)了接近90 %的命中率。以及在最近幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中,精確制導(dǎo)武器的使用比例越來(lái)越大,其輝煌戰(zhàn)果更加引人注目。可以預(yù)測(cè),在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中,精確制導(dǎo)武器的威脅將會(huì)越來(lái)越大[2-3]。

因此,如何有效應(yīng)對(duì)激光精確制導(dǎo)武器的巨大威脅成為了研究熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年的探索與實(shí)踐,形成了激光誘偏、假目標(biāo)、光箔條和高重頻壓制等干擾技術(shù)[4]。假目標(biāo)干擾技術(shù),多為與真實(shí)目標(biāo)形體一致的充氣式或橡膠等材質(zhì)假體,體積小、重量輕、成本低、幾乎可以模擬全波譜段特性,早在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中就已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用。光箔條干擾技術(shù)通過(guò)施放金屬箔條來(lái)反射或散射激光指示信號(hào)實(shí)現(xiàn)干擾,多應(yīng)用于機(jī)載和艦載平臺(tái)。高重頻壓制干擾采用高重頻率激光脈沖遮蔽激光導(dǎo)引頭接收真實(shí)目標(biāo)的回波信號(hào),降低目標(biāo)的截獲概率,達(dá)到引偏效果[5]。激光誘偏干擾通過(guò)發(fā)射、轉(zhuǎn)發(fā)或反射激光指示信號(hào),形成具有欺騙功能的激光干擾信號(hào),擾亂或欺騙對(duì)方制導(dǎo)系統(tǒng),極大降低激光導(dǎo)引頭的作戰(zhàn)效能[6-7]。在這些干擾技術(shù)中,激光誘偏干擾因與激光告警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),且與真實(shí)指示激光信號(hào)特征一致,時(shí)效性和抗干擾能力較強(qiáng),而應(yīng)用相對(duì)廣泛。

通過(guò)激光制導(dǎo)武器與干擾技術(shù)的博弈研究發(fā)現(xiàn),受限于激光導(dǎo)引頭和誘偏干擾系統(tǒng)技術(shù)體制,如果激光導(dǎo)引頭不具備末脈沖鎖定等抗干擾措施,激光導(dǎo)引頭被誘偏的概率將接近100 %,難以實(shí)時(shí)進(jìn)行反制干擾?；诖?文章提出了一種冗余脈沖法抗激光誘偏干擾技術(shù)。理論研究與初步試驗(yàn)驗(yàn)證表明,這種技術(shù)具備實(shí)操可行性,可為激光制導(dǎo)武器的實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2 原理簡(jiǎn)介

半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器主要有半主動(dòng)激光制導(dǎo)導(dǎo)彈、半主動(dòng)激光制導(dǎo)炸彈、半主動(dòng)激光制導(dǎo)火箭彈、半主動(dòng)激光制導(dǎo)炮彈等多種類(lèi)型,是戰(zhàn)場(chǎng)上最常用的精確制導(dǎo)武器之一。其基本原理為:通過(guò)彈體外的激光目標(biāo)指示器照射目標(biāo),彈上的激光導(dǎo)引頭探測(cè)并跟蹤目標(biāo)反射的回波信號(hào),解算出目標(biāo)信息,由彈上計(jì)算機(jī)根據(jù)彈體信息和制導(dǎo)律形成制導(dǎo)控制信號(hào),控制其飛向目標(biāo),直至命中目標(biāo)。半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器通常由包含半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭的彈體和彈外激光目標(biāo)指示器組成,如圖1所示,其中虛線(xiàn)箭頭表示激光信號(hào),實(shí)線(xiàn)箭頭表示電信號(hào)。

圖1 激光制導(dǎo)炸彈武器系統(tǒng)原理框圖

激光誘偏干擾技術(shù)是對(duì)抗半主動(dòng)激光制導(dǎo)的有效手段之一。激光誘騙干擾系統(tǒng)通常由激光告警分系統(tǒng)、信息處理分系統(tǒng)和激光干擾分系統(tǒng)三部分組成,如圖2所示。其工作原理:激光告警分系統(tǒng)接收來(lái)襲激光信號(hào)并解算出激光信號(hào)的波長(zhǎng)、重頻、編碼、方位、到達(dá)時(shí)刻等信息,給出警報(bào)并將來(lái)襲激光信息傳輸至信息處理分系統(tǒng);信息處理分系統(tǒng)根據(jù)來(lái)襲激光的信息,制定合理的干擾策略,驅(qū)動(dòng)激光干擾分系統(tǒng)發(fā)射誘偏激光信號(hào);激光干擾分系統(tǒng)根據(jù)信息處理分系統(tǒng)的指令以一定的參數(shù)、向某一方向發(fā)射激光誘偏信號(hào),使來(lái)襲的半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭跟蹤誘偏信號(hào)而攻擊假目標(biāo)。

圖2 激光誘偏干擾系統(tǒng)工作原理框圖

圖3 冗余脈沖法抗激光誘偏干擾原理框圖

半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭被成功誘偏的關(guān)鍵在于,通過(guò)某種時(shí)序的競(jìng)爭(zhēng)使導(dǎo)引頭只處理激光干擾信號(hào)而不處理激光指示信號(hào)。半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭要達(dá)到對(duì)抗激光誘偏干擾的目的,就必須使激光誘偏干擾系統(tǒng)產(chǎn)生的激光干擾信號(hào)無(wú)法以匹配的編碼進(jìn)入波門(mén)并被處理。所謂冗余脈沖法,就是發(fā)射比制導(dǎo)回路所需更多的激光脈沖,干擾誘偏干擾系統(tǒng)的正常工作流程,使其無(wú)法正確解析來(lái)襲激光信息,或者即使能正確解析出來(lái)襲激光信息也無(wú)法實(shí)施有效干擾,從而對(duì)干擾回路造成信息冗余式干擾[5-6]。

3 冗余脈沖法抗激光誘偏干擾的可行性分析

從理論上講,只要使激光告警分系統(tǒng)不能準(zhǔn)確解析來(lái)襲激光信息,就可以造成干擾回路工作紊亂,從而成功對(duì)抗激光誘偏干擾。但是如何利用冗余激光脈沖實(shí)現(xiàn)干擾激光告警分系統(tǒng),還需對(duì)冗余激光脈沖發(fā)射時(shí)機(jī)、兩激光器的布局及同步等問(wèn)題進(jìn)行理論分析。

激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)的指示器和導(dǎo)引頭在執(zhí)行任務(wù)之前需裝訂匹配的編碼,激光導(dǎo)引頭采用實(shí)時(shí)波門(mén)選通、波門(mén)內(nèi)首脈沖鎖定等工作體制。激光誘偏干擾系統(tǒng)采用超前同步的工作體制,一般具備自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式:自動(dòng)工作時(shí),根據(jù)告警系統(tǒng)解析的來(lái)襲激光信息自動(dòng)同步超前發(fā)射干擾激光;手動(dòng)工作時(shí),操作員只根據(jù)激光來(lái)襲警報(bào)決定是否發(fā)射干擾激光,并不參與來(lái)襲激光信息的解析。這就使激光導(dǎo)引頭采用冗余脈沖法抗激光誘偏干擾具備可行性。

根據(jù)冗余激光脈沖和指示激光脈沖,冗余脈沖法抗激光誘偏干擾通常有兩種工作模式:超前冗余和同步冗余。所謂超前冗余,就是冗余激光超前指示器發(fā)射;所謂同步冗余,就是冗余激光與指示激光同步發(fā)射。

當(dāng)采用超前冗余模式時(shí),冗余激光器以一定的脈沖編碼發(fā)射激光信號(hào),誘使激光誘偏干擾系統(tǒng)按照冗余激光的編碼和方向發(fā)射干擾激光。一旦激光誘偏干擾信號(hào)發(fā)出,激光干擾分系統(tǒng)等干擾資源就會(huì)被占用。此時(shí),激光目標(biāo)指示器發(fā)射指示信號(hào),激光導(dǎo)引頭正常搜索跟蹤目標(biāo)。激光誘偏干擾系統(tǒng)接收到新的激光信號(hào),無(wú)論是否解析出其信息,都不會(huì)再發(fā)射新的干擾信號(hào)。只要冗余信號(hào)與指示信號(hào)采用不同的激光編碼,激光誘偏干擾系統(tǒng)就無(wú)法成功誘偏激光導(dǎo)引頭。

當(dāng)采用同步冗余工作模式時(shí),冗余脈沖和指示脈沖分別以相應(yīng)編碼同步發(fā)射。如果兩激光信號(hào)的方位角大于激光告警分系統(tǒng)的角度分辨率,則來(lái)襲激光信號(hào)將被識(shí)別為兩路激光信號(hào),但是由于干擾源數(shù)量的限制,激光誘偏干擾系統(tǒng)只能根據(jù)其優(yōu)先干擾策略選定一路信號(hào)進(jìn)行干擾。當(dāng)其選擇的干擾信號(hào)為冗余信號(hào),激光導(dǎo)引頭將不被誘偏。此時(shí),抗誘偏干擾成功的概率只有50 %。如果兩激光信號(hào)的方位角不大于激光告警系統(tǒng)的角度分辨率,則來(lái)襲激光信號(hào)將被識(shí)別為一路信號(hào),激光告警分系統(tǒng)將根據(jù)兩路激光信號(hào)的合成脈沖序列解碼。激光告警分系統(tǒng)能否對(duì)合成脈沖序列進(jìn)行準(zhǔn)確解析,需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。下面以一個(gè)特例對(duì)解碼及干擾情況進(jìn)行分析。

假設(shè)冗余激光信號(hào)和指示信號(hào)均為重復(fù)頻率碼,脈沖間隔為T(mén)0(ms);激光導(dǎo)引頭采用實(shí)時(shí)波門(mén)選通、首脈沖鎖定的工作模式,實(shí)時(shí)波門(mén)寬度為T(mén)(μs);激光告警分系統(tǒng)采用峰值保持的信號(hào)探測(cè)方式,峰值保持時(shí)間為t0(ms),激光干擾分系統(tǒng)的最小脈沖間隔為T(mén)1(ms)。沒(méi)有冗余信號(hào)時(shí),脈沖時(shí)序關(guān)系如圖4所示,激光導(dǎo)引頭被成功誘偏,其中τ(μs)為超前量,通常T>2τ。當(dāng)出現(xiàn)冗余信號(hào)時(shí),假設(shè)冗余脈沖總是落后于指示脈沖,如圖5所示,其中t(ms)為落后的具體時(shí)間。當(dāng)t≤t0時(shí),冗余信號(hào)無(wú)法被探測(cè),激光告警分系統(tǒng)仍然按照指示信號(hào)進(jìn)行解碼,此時(shí)激光導(dǎo)引頭仍可被成功誘偏;當(dāng)t>30 ms時(shí),冗余信號(hào)可以被探測(cè),激光告警分系統(tǒng)需對(duì)合成脈沖序列進(jìn)行解碼。如果合成脈沖不能形成穩(wěn)定的周期信號(hào),則會(huì)被解析成偽隨機(jī)碼;如果合成脈沖序列能夠形成穩(wěn)定的周期信號(hào),則會(huì)被解析成周期脈沖信號(hào),主要有以下幾種情形:

圖4 激光誘偏干擾激光脈沖時(shí)序圖

圖5 冗余脈沖法的激光脈沖時(shí)序圖

1)當(dāng)t、T0-t的最大公約數(shù)(t,T0-t)=T2(ms),T2>1(ms)時(shí),合成脈沖序列會(huì)被解析為最小脈沖間隔為T(mén)2(ms)的脈沖序列碼,當(dāng)且僅當(dāng)t=1/2T0,T2=1/2T0時(shí),則該合成脈沖序列會(huì)被解析為基頻為2/T0(Hz)、脈沖間隔為1/2T0的重復(fù)頻率碼;

2)當(dāng)t、T0-t的最大公約數(shù)(t,T0-t)=T2(ms),T2=1(ms)時(shí),合成脈沖序列會(huì)被解析為基頻為基頻為2/T0(Hz)的兩變間隔碼(t/T0-t)。

當(dāng)該合成脈沖序列被解析為重復(fù)頻率碼或兩變間隔碼時(shí),只有滿(mǎn)足T0/2>T1,激光干擾分系統(tǒng)才可以成功誘偏導(dǎo)引頭;當(dāng)該合成脈沖序列被解析為脈沖序列碼時(shí),只有滿(mǎn)足解析碼型的最小時(shí)間間隔大于激光干擾分系統(tǒng)的最小脈沖間隔,即T2>T1,激光干擾分系統(tǒng)才能成功誘偏導(dǎo)引頭;其余情況,激光干擾分系統(tǒng)均無(wú)法成功誘騙導(dǎo)引頭。

根據(jù)上述分析,冗余脈沖法成功抗激光誘偏干擾主要有兩種情形:

1)利用冗余脈沖誘使激光誘偏干擾系統(tǒng)提前對(duì)假指示信號(hào)進(jìn)行干擾,占用其干擾資源,使其無(wú)法對(duì)激光導(dǎo)引頭進(jìn)行誘偏干擾;

2)利用指示脈沖和冗余脈沖的同步時(shí)差,干擾激光干擾系統(tǒng)的解碼等信息處理能力,使其無(wú)法正確解碼或者解碼結(jié)果超出激光干擾分系統(tǒng)的干擾能力,從而造成誘偏干擾失敗。

4 對(duì)抗態(tài)勢(shì)構(gòu)建方法

在光電對(duì)抗訓(xùn)練任務(wù)中,根據(jù)攻擊任務(wù)類(lèi)型的不同,半主動(dòng)激光制導(dǎo)的對(duì)抗訓(xùn)練一般構(gòu)建三種攻擊對(duì)抗態(tài)勢(shì):本照模式、他照模式、地照模式,具體構(gòu)建方法在此不再贅述,這里主要討論基于冗余脈沖法的態(tài)勢(shì)構(gòu)建方法。由于場(chǎng)區(qū)中激光后向散射會(huì)嚴(yán)重影響激光導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤,因此,本照模式的對(duì)抗態(tài)勢(shì)構(gòu)建比較困難,這里只討論他照模式和地照模式的態(tài)勢(shì)構(gòu)建方法。

4.1 他照模式

如圖6所示,激光目標(biāo)指示器和激光導(dǎo)引頭分別部署于對(duì)目標(biāo)有一俯角且相對(duì)目標(biāo)有一定夾角的位置,冗余激光器與激光目標(biāo)指示器部署在同一位置,構(gòu)建激光導(dǎo)引頭他照攻擊模式的對(duì)抗態(tài)勢(shì)。激光告警設(shè)備用于探測(cè)干擾激光的發(fā)射情況以檢測(cè)干擾激光的時(shí)序,脈沖同步設(shè)備用于控制指示激光和冗余激光的時(shí)序。

圖6 他照模式對(duì)抗態(tài)勢(shì)示意圖

4.2 地照模式

如圖7所示,與他照模式的對(duì)抗態(tài)勢(shì)相比,只需將激光目標(biāo)指示器和冗余激光器抵近部署于目標(biāo)附近且相對(duì)目標(biāo)的俯角要小于導(dǎo)引頭相對(duì)目標(biāo)的俯角。激光告警設(shè)備用于檢測(cè)干擾激光的發(fā)射情況以檢測(cè)干擾激光的時(shí)序,脈沖同步設(shè)備用于控制指示激光和冗余激光的時(shí)序。

圖7 地照模式對(duì)抗態(tài)勢(shì)示意圖

構(gòu)建的上述兩種對(duì)抗態(tài)勢(shì),均可采用超前冗余和同步冗余兩種工作模式,具體戰(zhàn)術(shù)方法為:

1.冗余激光器以一定的激光編碼發(fā)射激光脈沖,待激光告警設(shè)備接收到激光誘偏干擾信號(hào)后,激光指示器發(fā)射激光制導(dǎo)脈沖,同時(shí)激光導(dǎo)引頭開(kāi)機(jī)搜索跟蹤目標(biāo)。如果冗余編碼能夠覆蓋制導(dǎo)編碼,則需用脈沖同步設(shè)備控制好兩路脈沖的時(shí)序,使干擾信號(hào)無(wú)法進(jìn)入激光導(dǎo)引頭的實(shí)時(shí)波門(mén)。這種戰(zhàn)術(shù)方法可使激光導(dǎo)引頭抗激光誘偏干擾的理論幾率達(dá)到100 %;

2.激光指示器和冗余激光器按一定的同步時(shí)序同時(shí)發(fā)射編碼激光信號(hào),導(dǎo)引頭開(kāi)機(jī)工作,搜索跟蹤目標(biāo)。這種戰(zhàn)術(shù)理論上并不能使激光導(dǎo)引頭抗激光誘偏干擾的理論達(dá)到100 %,但是通過(guò)激光編碼和時(shí)間差等參數(shù)的合理配置,可使其成功率顯著提高。如何根據(jù)干擾系統(tǒng)性能合理配置各項(xiàng)參數(shù)以達(dá)到提高抗激光誘偏干擾成功率的目的,將是后續(xù)工作的重點(diǎn)。

5 結(jié) 論

為提高激光制導(dǎo)武器抗激光誘偏干擾效率,分析了半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭抗激光誘偏干擾的關(guān)鍵要素,提出了一種基于指示激光冗余脈沖抗激光誘偏干擾的反對(duì)抗戰(zhàn)術(shù)。在理論研究的基礎(chǔ)上,給出了具體的對(duì)抗態(tài)勢(shì)構(gòu)建方法,并在試驗(yàn)?zāi)M中進(jìn)行了初步驗(yàn)證,證明具備可行性,可為精確制導(dǎo)武器的實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用提供技術(shù)參考。后續(xù)工作中,將繼續(xù)就如何科學(xué)設(shè)置全系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)以提高抗激光誘偏干擾成功率進(jìn)行更深入的試驗(yàn)研究。