半主动激光导引头抗后向散射干扰

刘 辉， 谷琼琼， 李英博， 谢园华

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

激光半主动制导武器具有精度高、成本低、战术运用灵活等优点，是目前装备量最大、应用范围最广的一类精确打击武器，被广泛地应用于无人机搭载武器。美军在阿富汗战争中使用RQ-1“捕食者”无人机发射“海尔法”激光半主动寻的制导弹，摧毁了一辆塔利班的坦克［1］。中国航天空气动力技术研究院研制的新型“察打一体”无人机搭载XX-1型激光制导导弹，精度达0.2 m。试验和实战中发现激光制导武器在现代战争中发挥的作用越来越大，暴露出的弱点也越来越明显，激光制导武器制导激光波长短，容易受大气后向散射干扰、烟幕干扰、激光涂料隐身技术干扰、有源干扰［2］。本文针对后向散射干扰，从提高导引头系统接收带宽，增强系统信号提取和处理能力等方面入手，提出了一种激光半主动导引头抗后向散射干扰方法。

1 激光半主动制导武器后向散射干扰原理

激光的波长短，大气尘埃、云雾、雨水等的组成颗粒大小在微米量级，与激光的波长在同一数量级上，激光信号在空气中传输的过程中，大气环境对激光信号的传输会起到衰减、散射和衍射作用，从而使激光传输光路发生改变，激光信号空间反射和散射示意图如图1所示。

图1 激光半主动导引头后向散射干扰示意图

激光半主动导引头受大气环境中微尘颗粒和水气颗粒的散射干扰，日光对激光波束的干扰，目标周边复杂环境对激光的散射干扰等［3］，使激光传输光路发生改变。导引头激光探测器接收到这些干扰的信号回波，会得出错误的解角信息，对导引头的正常跟踪造成干扰，严重时可能造成整个导弹偏离目标方向，进而丢失目标。针对激光制导武器的这些特点，在产品设计和实战应用中必须考虑相关问题。在激光制导导引头的设计过程中，必须采取特殊的方法对后向散射干扰信号加以识别和抑制，才能确保激光主波束通路顺利落在激光探测器上，从而实现激光半主动导引头的抗后向散射干扰跟踪。

2 激光半主动导引头抗后向散射干扰方法

激光半主动制导体制，是将激光照射雷达安置在地面进行地面指示或安置在飞机上进行机载指示，导弹上的激光探测器接收目标反射光束，从而对目标进行探测跟踪。激光半主动导引头接收目标反射回波信号，多采用四象限探测接收控制方式，解算激光脉冲信号在四象限探测器上的成像误差，通过对目标回波的光学特性进行检测，解算弹目视线角度信息，从而实现精确制导控制。

（1）精确频率匹配波门和距离同步波门控制抗干扰方法

大气中的粉尘颗粒、气溶胶以及目标附近的地物地貌对激光信号的传播，形成后向散射干扰信号，干扰导引头对目标真实回波的正常截获。激光指示器与导弹分处两处，若照射光路与接收光路之间的角度较大，则后向散射干扰较弱，通过目标角位置精确预置技术和精确频率匹配接收技术［4］，导引头能够正确接收目标回波信号。地面指示器工作模式情况时，由于地面指示器激光存在束散角，激光照射传输过程容易产生贴合地面的地物后向散射干扰。对于激光指示器与导弹同处在一架飞机上的同机照射情况，照射光路与接收光路无法从物理上分开，大气后向散射干扰极易进入导引头跟踪系统。同机照射有照射同步信号控制回波接收情况，如图2所示采用距离同步波门技术，控制回波信号的到达时间，结合精确频率匹配控制，能有效抑制大部分照射光路上的后向散射干扰。

（2）首/末脉冲判决锁定抗干扰方法

图2 距离同步与精确频率复合控制回波接收示意图

地照模式照射光路与地面夹角很小，目标附近的地物情况复杂，地物对激光照射信号的二次或多次反射，与空中的大气散射相比，不完全是超前的干扰，而是形成了超前/滞后的干扰信号。对于超前的后向散射干扰信号传输距离近，相对能量较强，而滞后的地物后向散射干扰传输距离较远，能量较弱。采用首/末脉冲鉴别跟踪方式可以有效对抗后向散射干扰。首脉冲锁定是指导引头只处理第一个进入波门且满足预先编码规律的激光信号，对波门内其余激光脉冲信号不进行处理，在系统信号处理能力有限的情况下，多采用首脉冲截获的方式对目标进行跟踪。末脉冲锁定是基于后向散射和地物反射信号超前于真实目标反射信号，导引头回波接收系统处理最后一个进入波门的激光信号。原理如图3所示。

图3 首末脉冲锁定原理图

运用先进的信号接收技术，增加光电信号接收带宽，使目标回波信号和散射回波信号有效维持原来的状态进入接收通道，放大后进入高速信号采集系统，利用高速信号处理机进行脉冲识别，从时域鉴别、空间角度鉴别以及能量强度上甄别出后向散射干扰信号和目标回波信号，实现抗后向散射干扰跟踪。

3 激光半主动导引头复合抗后向散射干扰跟踪实现

在复杂后向散射干扰背景条件下，干扰信号和真实回波信号错综复杂，要实现抗干扰跟踪，必须找到后向散射干扰信号与真实目标回波信号在传输距离（到达接收系统的时刻不同）、空间角度和能量上的差异。这些差异往往是细微的不明显的，制导系统要在强干扰背景条件下检测窄脉冲回波信号，就要求导引头接收系统的信号处理带宽足够宽，在接收放大的过程中尽可能保持信号的特征量。目标和干扰信号存在模糊，信息量大的特点，因此导引头对信号的识别、处理的复杂度较大。采用大动态高带宽接收机保证信号完整接收，高速信号处理机实现信号识别分选，实现导引头对目标的强干扰背景下的跟踪。

（1）大动态高带宽接收机设计

激光脉冲信号由四象限探测器接收形成微弱的光电流信号，经前置跨导放大器转换成脉冲电压信号，信号的脉宽会有所展宽，如图4所示，10 ns会展宽到约50 ns。对于中频放大电路设计考虑与四象限探测器前放带宽相匹配，选用具有低噪声、高速运算放大器，实现对激光回波脉冲信号的放大接收处理，采用匹配滤波技术，有效提取微弱激光回波信号，优化电路设计保证四路信号通道的一致性，同时要抑制各个通道之间的串扰、增大隔离度，以达到提高视线角度测量精度、提高接收机可靠性的目的。

图4 脉冲回波中放输入信号

图4 中信号的周期是50 ms，信号脉冲的宽度是50 ns左右，信号的幅度Ui是0～2 V的范围，背景噪声是2 mV，信号频谱的宽度很宽，放大器的带宽至少要做到50 MHz以上，输入信号的动态范围为60 d B左右，放大器的增益设计为65 d B。接收机主要由四象限雪崩光电探测器、可控高压电源、前置放大电路、中频电压放大器、峰值保持电路、同步比较电路组成，原理框图如图5所示。

图5 接收机系统原理框图

四象限雪崩光电探测器将接收到的脉冲光信号转换为电信号，由前置放大器完成初步的放大，将光电二极管输出的电流信号转换为电压信号，然后由可变增益放大器放大成一定幅度的视频信号，该信号一方面经峰值保持电路，将窄脉宽展宽至一定宽度后送后级AD采样电路，时刻鉴别电路处理后形成采样同步信号，送后级信息处理机单元进行同步处理。采用高速采集电路设计方案则直接从中频放大器输出进行采样，进行脉冲识别，及脉冲内解角运算。

（2）高速信号处理机设计

使用E2V公司的高速模数转换（ADC）芯片［5］，结合 Xilinx Kintex-7 FPGA 芯片以大于300 MHz的采样率将中放电路获取的激光回波信号高速采集并转换为数字信号，通过高速差分串口送给FPGA，原理如图6所示。

图6 高速和低速信号处理系统

高速信号处理机对高速采集的数据进行实时处理，经过数字滤波器去除噪声信号，用起泡算法在这些数据里提取峰值，以峰值为中心还原脉冲信号，实现脉冲信号的识别和脉宽检测。原理示意图如图7所示。

高速采样系统提高了信号处理机的处理速度，增强了目标信息的辨识能力，能够从复杂干扰背景信号中通过脉冲到达的时间先后，快速解算空间出各个时刻的回波角位置信息，分辨提取出目标真实回波信号的信息，从而提高激光半主动导引头的抗干扰能力，实现激光半主动导引头抗后向散射干扰跟踪。

图7 高速采样系统与低速信号处理系统比较

4 激光半主动导引头抗后向散射干扰跟踪实验

高速信号处理机和大动态宽带接收机原理样机，安装到已有激光半主动导引头上，经过前期的原理验证和仿真试验证明所设计的样机能够正常跟踪，抗干扰算法不影响正常截获，为了验证抗干扰策略的有效性，将改进的导引头与不加策略的导引头进行外场跟踪对比试验。试验选定上海长兴岛，激光照射器提供激光照射信号，实现对模拟目标的照射，照射频率为20 Hz，照射器的照射功率为100 mJ，模拟目标为自制幕布，提供1.5 m×2.0 m的反射面积，激光照射器放置在距离目标1 150 m，照射光路和导引头接收目标反射夹角5°。导引头放置在车上的安装支架上，导引头跟踪目标反射的激光信号，由远及近模拟导引头接近目标过程。

图8所示，在地照模式，没有同步信号的情况下，没有抗干扰策略的导引头跟踪激光回波，导引头向目标方向接近，初始导引头截获的能量很弱，但能稳定跟踪，当距离目标400 m，时间120 s附近时，跟踪框架角度突然变化能量陡增，从数据上可以看出，导引头初始跟踪到的激光回波不是目标主回波，而是后向散射干扰激光回波信号。

图8 导引头跟踪后向散射干扰实验数据

图9 所示，在地照模式，没有同步信号的情况下，有抗干扰策略的导引头跟踪激光回波，采用了抗干扰措施，在初始截获过程中通过回波信号的能量、脉冲的甄别、脉冲到达时间、首末脉冲特性，将后向散射干扰信号卡在了波门之外，导引头向目标方向接近，直至到达目标附近，数据都是正常的，导引头接收到的目标回波能量与理论回波能量值相符，证明抗后向散射干扰策略有效。

图9 导引头抗后向散射干扰跟踪实验数据

5 结论

随着激光制导武器在现代战争中广泛应用，暴露了很多实际问题，出现了激光制导武器受大气后向散射干扰而失效的案例。本文针对实际应用中导引头受后向散射干扰问题，从提高导引头系统接收带宽，增强系统信号提取和处理能力等方面入手，提出了一种激光半主动导引头抗后向散射干扰方法，研制了抗干扰信号处理机样机，应用到激光半主动导引头上，实验结果表明能够有效对抗大气后向散射干扰，使激光半主动导引头能够在复杂环境背景下，有效提取并处理真实目标回波的制导信息，对提高激光半主动导引头战场适应能力具有重要意义。