高重频激光对激光导引头干扰过程的建模研究

徐炜波,刘志国,王仕成,沈 涛

(火箭军工程大学,陕西 西安 710025)

1 引 言

激光制导武器具有精度高、抗干扰能力强、结构简单、成本低等优点,这使得激光制导武器在现代战争中具有极重要的位置。研究激光制导武器对抗技术也成为了研究热点[1]。当前对有源激光干扰技术的研究较多,主要包括欺骗干扰技术和高重频干扰技术,其中,高重频干扰技术具有无需识别敌方激光制导编码的特点而备受关注[2-5]。

当前对高重频激光干扰的研究,主要集中于对干扰机理的研究,或者对单一波门干扰概率的研究,但是高重频激光对激光导引头的干扰作用是一个连续的过程,研究一个波门的干扰概率对干扰效能的评估还不全面。

本文建立了高重频激光对导引头制导过程的干扰模型,通过定义成功诱偏波门数分析干扰频率、波门宽度、脉冲锁定方式对制导过程的影响。

2 激光导引头抗干扰技术

导引头是激光半主动制导武器的核心器件,具有对目标搜索、捕获和跟踪的作用,并输出控制弹体运动姿态与目标方位信息相关的制导控制指令。因此,导引头处的信息处理部分对激光制导抗干扰能力有着决定性作用。激光导引头抗干扰技术有时间波门技术、脉冲锁定技术、脉冲编码技术[6-10]。

2.1 时间波门技术

时间波门技术是激光制导导引头普遍采用的技术。时间波门技术即当导引头接收一组激光脉冲时,仅对时间波门内的信号加以处理。时间波门技术分为固定波门技术和实时波门技术。目前,主要采用的是实时波门技术,实时波门技术即根据上一时刻脉冲信号到达时刻实时设置脉冲波门,对一组脉冲序列T1,T2,…,Tn。若j个周期第l个脉冲到来时刻为Tjl,则下一个脉冲Tj,l+1的实时波门设置为:

(1)

其中,Tg1和Tg2是Tj,l+1实时波门的开启时刻和关闭时刻,Δt为波门宽度,Δτ为激光脉冲到来不确定时间误差。

2.2 脉冲锁定技术

当波门内出现两个或两个以上脉冲时,如何确定哪个脉冲作为制导信号被接受,此时,就需要进行脉冲时序的判断,即脉冲锁定技术。脉冲锁定技术分为首脉冲锁定技术、末脉冲锁定技术和最优时序脉冲锁定技术。首脉冲锁定技术即当波门内出现多个脉冲时,只处理波门内的第一个脉冲；末脉冲锁定技术则处理最后一个脉冲；最优时序脉冲锁定技术则处理最靠近波门中心的脉冲。如图1所示,Tj为已确定的脉冲,根据该脉冲设置下一脉冲到来时刻Tj+1的波门开启时刻Tg1和关闭时刻Tg2；假设此时波门内存在三个脉冲Ta,Tb,Tc,若采用首脉冲锁定方式,会处理Ta；若采用末脉冲锁定方式,则会处理Tc；若采用最优时序脉冲锁定方式,则处理Tb。

图1 脉冲锁定技术示意图

2.3 脉冲编码技术

激光编码即对目标指示器发射的激光脉冲物理特性进行调制,激光编码技术能够避免同一战场上多个指示器相互干扰的问题,并且提高激光导引头的抗干扰能力。当前最常用的编码方式是脉冲间隔编码,主要分为精确频率码、二变间隔码、脉冲调制码、等差型编码、伪随机编码。其中,伪随机编码 在制导周期内不重复,规律不易寻找等优点,伪随机编码的出现使得激光制导的抗干扰性能得到极大的提升。

图2 LFSR状态码脉冲间隔序列

3 高重频干扰建模

通过上文对激光导引头抗干扰技术的分析,结合高重频干扰激光的作用原理,建立高重频干扰激光对导引头干扰过程的模型。

3.1 高重频干扰激光作用原理分析

高重频激光脉冲干扰即使用重复频率很高的干扰脉冲强行挤入导引头波门内,干扰或者淹没制导信号,使得导引头无法提取正确的制导信号,从而引偏制导武器。理论上讲,只要高重频干扰脉冲的重复频率足够高且满足能量阈值,就可以引偏制导武器。

影响高重频干扰效能的因素有很多,一方面来源于上文提到的导引头信息处理部分采取的抗干扰措施,主要有时间波门技术、脉冲锁定技术、脉冲编码技术；另一方面则取决于高重频干扰激光的重复频率、干扰时机和激光脉冲功率。

本文建立高重频激光对导引头干扰过程的模型,旨在研究高重频干扰激光干扰效能的影响因素并进行分析。

3.2 无干扰条件下导引头制导概率研究

无干扰条件下,导引头接收到一个制导脉冲后,立即设置下一个脉冲到来的实时波门,受大气湍流和时钟震荡等因素的影响,实际导引头接收到的脉冲信号不会精准的出现在波门中心,而是服从以Tjl为均值,σ2为方差的正态分布。

T1概率密度函数:

(2)

3.3 高重频干扰建模

若第j个周期第(l-1)个制导脉冲被导引头识别,之后高重频激光对导引头实施了干扰,若脉冲锁定方式为首脉冲锁定方式,则在第l个制导波门内,干扰信号脉冲到来时刻tl2小于等于制导脉冲到来时刻tl1,则干扰脉冲被导引头识别,即干扰成功的概率为P(tl1≥tl2):

(3)

因此,在Tj,l对应波门内,高重频干扰脉冲被导引头识别的概率为P(tl1≥tl2),根据这一脉冲到来时刻开启下一个制导脉冲Tj,l+1的实时波门,此时波门中心Tj,l+1=min(tl1,tl2)+ΔTl+1,其中ΔTl+1=Tl+1-Tl。则第l+1波门内的干扰概率为P(tl+1,1≥tl+1,2):

(4)

以此类推,对首脉冲锁定而言,受干扰脉冲影响,波门中心的位置相较于无干扰时的波门会发生前移,其原理图如图3所示。

图3 首脉冲锁定干扰原理图

如图3所示,上面为无高重频干扰条件下制导波门的设置,下面为高重频干扰信号被导引头识别的图,在第l个制导波门内干扰信号被识别,下一个波门开启中心时刻提前了Tij-Tg,由此推断,若干扰信号持续干扰并代替制导信号被导引头接收,则制导信号会被诱偏出波门,此时认为干扰成功。图3中,干扰信号首次出现在第l个制导波门,假设在第n个波门内刚好没有制导信号,即制导信号在第n个波门内被诱偏出波门,则定义(n-l+1)为成功诱偏波门数,即定义从干扰信号进入波门算起至制导信号被诱偏出波门后的第一个波门对应的波门序号为成功诱偏波门数。因为制导信号和干扰信号都具有随机性,因此讨论单次干扰成功概率的意义不大,这里取多次成功诱偏波门数的均值对制导效能影响因素的评估进行讨论。

4 高重频干扰因素的效能评估

4.1 高重频干扰重复频率f对干扰效能的影响

取实时波门宽度Δt=10 μs,为满足f≥1/Δt的干扰条件,f取100 kHz～500 kHz,仿真结果如图4所示。

图4 不同干扰频率下的干扰效能

图4中k为经过200次仿真后对成功诱偏波门数取均值得到的结果,直接反映了干扰效能。k越大,干扰成功所需要的时间越长,干扰效能越差；反之,干扰效能越好。由图可知,随着高重频干扰重复频率的增加,k值下降,干扰效能提升；当f≥300 kHz时,随着干扰频率的提升,干扰效能的提升趋于平缓。

4.2 波门宽度Δt对干扰效能的影响

取高重频干扰重复频率为100 kHz,为满足波门宽度Δt≥6.18σ,Δt取10～40 μs,仿真结果如图5所示。

图5 不同波门宽度下的干扰效能

如图5所示,随着波门的宽度的增加,k减小,当波门宽度从10 μs增加到30 μs,干扰效能迅速增加；当Δt≥30 μs时,增加波门宽度,干扰效能增加幅度减小。

4.3 单位波门内干扰脉冲数量对干扰效能的影响

本段研究高重频干扰重复频率f和波门宽度Δt的乘积f×Δt。f×Δt=Δt/f-1,该式含义为波门宽度除相邻干扰脉冲间的时间间隔,即单位波门内干扰脉冲的数量,下面以波门宽度Δt为变量,研究单位波门内干扰脉冲的数量对干扰效能的影响,进行了仿真,仿真结果如图6所示。

图6 单位波门内不同干扰脉冲数量的干扰效能

如图6所示,f×Δt越高,干扰效能越好。因此,单位波门内干扰脉冲的数量越多,干扰效能越好；当单位波门内干扰脉冲数量大于3时,继续增加单位波门内干扰脉冲数,干扰效能的提升趋于平缓。当单位波门内干扰脉冲数量大于3时,k≤3。且制导信号的脉冲间隔ΔTi≤90 ms(1≤i≤160),因此当单位波门内干扰脉冲数量大于3时,高重频干扰时间小于270 ms。

4.4脉冲锁定技术对干扰效能的影响

在之前的仿真中均使用首脉冲锁定技术,此外,脉冲锁定技术还包括末脉冲锁定技术和最优时序脉冲锁定技术。下面对三种脉冲锁定方式对干扰效能的影响进行仿真。仿真条件设置为波门宽度Δt=10 μs,f取100 kHz～500 kHz。

如图7所示,三种脉冲锁定方式干扰效能均随着高重频干扰频率增加而增加,且在f≤200 kHz时,干扰效能随高重频干扰频率f增加较快；f>200 kHz时增加较慢。分析可得,首脉冲锁定和末脉冲锁定对高重频干扰的抗干扰性能效果相当,最优时序脉锁定对高重频干扰的抗干扰性能远高于其余两种脉冲锁定方式。

图7 不同脉冲锁定方式下的干扰效能

5 结 论

本文通过分析高重频干扰概率和干扰原理对干扰过程进行了建模研究,使用成功诱偏波门数作为评价干扰效能的指标,研究了波门宽度、干扰频率对干扰效能的影响。仿真结果表明:波门宽度越宽,干扰频率越高,干扰效果越好。分析得出了影响干扰效能的直接因素是单位波门内干扰脉冲的数量,单位波门内干扰脉冲的数量越多,干扰效能越好；当单位波门内干扰脉冲数量超过3个时,继续增加单位波门内干扰脉冲数,干扰效能的提升趋于平缓,此时高重频干扰时间小于270 ms；最优时序脉冲锁定对高重频干扰的抗干扰性能远高于首脉冲锁定和末脉冲锁定。本文对干扰过程进行了仿真,在此基础上对干扰效能影响因素的分析,能够为提高高重频干扰装备的干扰效能提供理论参考。