基于双门限法的激光引信抗云雾干扰技术研究

2018-08-31孔德浩苏益德

兵器装备工程学报 2018年12期

路明，孔德浩，苏益德

(1.海军航空大学，山东烟台 264001； 2.中国人民解放军92916部队，海南三亚 572000)

现代海战中激光引信以其良好的距离截止特性和高精度的特点得以广泛应用于各类导弹。与无线电引信相比，其通过激光光束对目标进行探测，具有天然的抗电磁干扰能力[1]。但激光引信受自然环境如阳光、雨雪、云雾等因素影响较大，成为制约激光引信发展应用的重要原因。

本文针对海战场环境下云雾对反辐射导弹中激光引信的影响，分析激光引信云雾后向散射信号与舰载雷达目标回波信号的特点，在传统的幅度门限检测基础上，提出了运用信号增速门限的双门限方法，对激光引信接收到的回波信号进行判别，区分目标信号与云雾散射信号，实现激光引信抗云雾干扰。

1 云雾干扰特性分析

云和雾都是由大气中水滴等水汽凝结而成的气溶胶颗粒，这类颗粒对激光的影响主要体现为：衰减和后向散射。其中，衰减通常只影响激光的传输环境，减少激光回波能量，从而使得激光引信探测距离减小，并不会引起异常启动信号。后向散射则是由于气溶胶颗粒直径与激光波长相近而形成虚假回波信号，易引起激光引信误判而早炸[2]，因此主要研究激光引信抗云雾后向散射信号的干扰。

1.1 云雾后向散射信号数学模型建立

云雾粒子由于其表面张力和自身重力的作用，基本呈球形或椭球形。根据气象学资料，雾中的水滴半径一般小于40 μm，多在7～15 μm之间。又根据Mie散射理论，当散射微粒尺寸等于或大于光波长时，以产生Mie散射为主[3]。激光引信的发射器主要采用半导体砷化镓激光器，其激光波长在0.83～1.06 μm之间，故云雾可看作由Mie散射粒子从而进行计算与分析。

当激光引信工作于云雾条件下时，根据Mie散射，其接收到的云雾后向散射信号可如下表达[4]：

(1)

式(1)中：Pj为接收到的信号强度函数；R为激光传输距离；P0为发射激光功率；Sr为接收机有效入射孔径面积；f(θ)为气溶胶散射方向函数；σs为气溶胶颗粒散射系数；Dc为接收机与云雾轮廓边缘的距离；D0为引信盲区深度；k=2/cτ，c为光速，τ为激光脉冲宽度。

1.2 云雾后向散射信号仿真分析

对于不同的激光发射脉冲宽度，其产生的云雾后向散射信号的幅度与脉冲宽度均不相同。根据式(1)，取Dc=5 m，σs=0.4 m-1，分别对宽度为5,10,20,50,100 ns发射脉冲的后向散射信号随距离的分布特性进行计算，得到如图1所示结果。

由上述仿真结果可以看出，对于不同脉冲宽度的激光发射脉冲，其产生的云雾后向散射信号在幅度与展宽上均不相同。发射脉宽越窄，其接收到的后向散射信号幅度越低且脉冲展宽也越窄。这是因为发射脉宽变宽时，由于信号的积累作用，散射信号距离范围变宽，积累后的信号功率就越大，响应的脉宽也越宽。

考虑到实际海战场环境中，云雾散射系数分布不均匀，而且常常会有导弹穿过云雾的情况，而上述仿真计算是在激光引信完全处于云雾中且散射系数不变情况下得到的。于是对散射系数以dσs/dR=0.01 m-2梯度均匀递减的情况下，同样对不同发射脉宽进行计算，得到的后向散射信号随距离的分布如图2所示。

从图2中可以看出，在散射系数均匀变化时，不同发射脉冲所产生的云雾后向散射信号随距离的分布规律与散射系数不变时差异不大，只是幅度与脉冲展宽相应降低。因此在后续研究中可将散射系数考虑为均匀不变，从而简化仿真计算过程。另一方面，验证了窄发射脉冲激光所产生的云雾后向散射信号幅度和展宽相对较小，表明其本身就具有相应的抗云雾干扰能力，也有相关文献对此进行详细研究[4-6]，这里不做过多讨论。

1.3 云雾后向散射信号的变化特性

雾通常可分为辐射雾和平流雾，陆地雾多是辐射雾，沿海雾多是平流雾[7]。本文研究对象为反辐射导弹激光引信的抗干扰技术，其针对舰载雷达目标进行打击，因此激光引信所处环境为海战场，这里主要研究海上平流雾的特性，后文将云雾统称为海雾。

海雾的散射系数与海雾气溶胶颗粒的分布密度、含水量、能见度等相关，这些参数可以直接测得，因而工程上基于能见度的经验模型应用广泛，这里选用Naboulsi提出的平流雾衰减系数模型，其公式为：[8]

(2)

式(2)中：σs的单位为km-1；λ为激光波长，μm；V为能见度，km。

根据式(2)，对波长为0.905 μm的激光，计算不同能见度下的平流雾散射系数如表1所示。

表1 不同能见度下的散射系数

再根据式(1)，对不同能见度对应的散射系数下的海雾后向散射信号进行计算，仿真结果如图3所示。

从计算结果可看出，海雾能见度越高，其后向散射信号幅度越小，海雾能见度越低，后向散射信号幅度越高，这与实际情况相符。当能见度由500 m降低至10 m时，云雾后向散射信号幅度变化量约为ΔPj=30 dB。

由于海雾的气溶胶特性，其能见度不会发生突变，可设能见度按照均匀梯度ΔV/ΔR=50变化(即能见度在10 m范围内有500 m降低至10 m)。此时，反辐射导弹在海雾中穿越，其激光引信产生的云雾后向散射信号的增速为：

ΔPj/t=ΔPj·v/r

(3)

式(3)中，v为导弹相对海雾飞行速度，r为海雾半径。取v=1 000 m/s，则信号增速为ΔPj/t=30 dB·1 000 m·s-1/10 m=3 dB/ms。由此可以得到海雾后向散射信号的变化特性，根据其不同于目标信号变化特性，可将其作为信号判别的一个重要因素，为后续信号增速门限的设计提供了支持。

2 目标回波信号的变化特性分析

针对反辐射导弹激光引信对舰载雷达目标进行打击的弹目交会过程，目标回波强度与发射激光脉冲扫过的目标有效反射面积成正比[9-10]。激光引信与舰载雷达目标交会过程示意图如图4所示。

对于雷达这类“硬”目标来说，当激光引信光束刚照射到目标至完全扫过目标的过程，是有效反射面积变化最快的阶段。根据上述弹目交会过程，其时间可由下式得到：

(4)

由于激光发射为窄光束，则弹目距离越大，交会时间越长，因而在激光引信作用距离边缘处的弹目交会时间最长。于是，取Ωs=2°，v=1 000 m/s，R=20 m，计算得到t=0.698 ms。

根据激光引信回波强度与间距的关系，目标距离越小回波强度越高，因此在作用距离的边缘处目标回波信号强度最小。由信号检测理论可知[11]，当检测概率Pd=99%，虚警概率Pfa=10-8时，需要大于SNR=15.5 dB的信噪比。取此信噪比为门限值进行计算，得到目标信号增速为ΔPr/t=15.5 dB/0.698 ms=22.2 dB/ms。随着弹目距离的减小，目标信号的增速将越来越剧烈。

3 抗云雾干扰的双门限方法

根据前两节对海雾后向散射信号与目标回波信号的特性分析可知，激光引信在海雾环境中工作，由海雾后向散射产生的干扰信号有时会出现强度较大的情况进而超过传统的幅度阈值门限，引起虚警。然而海雾后向散射产生的干扰信号增长变化速度却比目标回波信号缓慢很多，因此可将这一特点作为抗干扰判别的一个依据，在传统幅度门限的基础上，再设置一个信号增速门限，从而提出双门限法来实现抗海雾干扰，降低引信虚警概率。

在上述给定的弹目交会条件下，海雾后向散射信号的最大增速为ΔPj/t=3 dB/ms，而目标回波信号的最小增速为ΔPr/t=22.2 dB/ms，可见两者间存在较大差距。针对海雾干扰信号与目标回波信号的不同，可以提出在对激光引信接收到的回波信号进行双门限判别，其中一个门限为传统的幅度阈值门限对信号强度进行判别，另一个门限为信号增速门限即对信号的变化速度进行判别，其示意图如图5所示。

图5中的“回波信号”指的是激光引信接收到海雾后向散射与目标真实回波反射回来的混合信号，首先对“回波信号”进行幅度门限判别，对超过阈值门限的信号再进行增速门限判别，最终判定并区别出云雾干扰信号与目标回波信号，进而引信动作，降低虚警概率。

4 仿真与验证分析

图6为激光脉冲反射目标表面产生的回波信号仿真结果。从图6可以看到，回波脉冲信号的上升沿在约0.8 ms时间内信号幅度变化了20 dB，则信号增速为20 dB/0.8 ms=25 dB/ms>22.2 dB/ms，符合上述理论分析结果，可利用信号增速门限将其与云雾干扰信号区别开来。

根据前文对海雾后向散射信号与目标回波信号的分析，分别设置信号幅度门限与信号增速门限，利用MATLAB软件进行双门限法的仿真验证。这里采用蒙特卡罗法的思想进行设计，产生100个能见度随机在0～500 m之间的海雾后向散射信号，对这些信号首先进行幅度门限判别，将超过幅度门限阈值的信号再送入增速门限进行判别，最终将超出增速门限阈值的信号记为虚警信号，由此可得到虚警概率。再将这一过程重复进行10次，从而得到10次虚警概率并取平均值，即可计算出双门限法的虚警概率，再与传统的信号幅度门限判别所得到的虚警概率进行对比分析。双门限法的设计流程图如图7所示。

根据图7所示流程图，本文首先只采用传统信号幅度门限的单门限法对海雾干扰信号进行判定，再采用将信号幅度门限与信号增速门限同时使用的双门限法进行判定，分别各进行了10次仿真，记录了超出门限阈值所导致的虚警次数结果如图8、图9所示。

由上述仿真结果可以明显计算出进行10次仿真后得到单门限法与双门限法的虚警概率平均值分别为14.3%和2%，从而验证了双门限法明显优于传统的信号幅度门限法，能够从回波信号中排除海雾后向散射信号的干扰对目标信号进行识别。