一种半主动激光制导双脉冲伪随机码设计*

薛建国,王娟锋,雷 萍

(中国洛阳电子装备试验中心,河南洛阳 471003)

0 引言

激光半主动制导武器以其精度高、成本低、战术运用灵活等优点,受到军事大国的重视[1],是目前装备量最大、应用范围最广的一类精确打击武器,其核心为激光半主动制导系统[2-3]。随着激光技术的发展,针对激光制导武器的激光干扰手段越来越多,效果也愈加明显,半主动激光制导面临的激光干扰威胁日益突出,研究开发新的抗干扰措施势在必行。

激光有源干扰分为两类,一类是激光欺骗干扰,即通过发射与制导指示激光脉冲信号码型相同的激光脉冲信号,以诱骗激光导引头偏离指示目标,其核心技术是指示激光脉冲码型识别[4];另一类是高重频干扰,即通过发射高重复频率激光脉冲信号,致使激光导引头无法识别指示激光脉冲信号,从而丧失精确制导能力,其最主要的要求是激光重频高、单脉冲激光能量大[5]。

半主动激光制导抗干扰措施主要分为三类:空域滤波、频域滤波和时域滤波。空域滤波即通过压缩指示激光接收视场以限制视场外干扰激光到达探测器光敏面,从而滤除其干扰;频域滤波即通过在光学系统中加装窄通滤光片以限制与目标指示激光波长不同的干扰激光到达探测器光敏面,从而滤除其干扰;时域滤波即通过区别处理不同时刻到达探测器光敏面的激光脉冲信号。

传统的时域滤波抗干扰措施主要分两步,第一步是对目标指示激光信号进行编码,导引头信息处理器对所有接收到的波门内的信号进行码型识别,只有与预置码型一致的信号才会被认作指示信号,即编译码技术;第二步是设置指示信号接收波门,导引头信息处理器只对波门内的信号进行处理,而对波门外的信号不处理,即波门技术。

以往半主动激光制导武器目标指示激光脉冲编码主要有精确频率码、两变间隔码和短伪随机码,由于该三类编码容易被实时破解,从而受到欺骗激光脉冲的干扰,因此,从事激光制导武器研制的科技人员正在开发新的脉冲编码,以期既可抗激光欺骗干扰,还能抗高重频干扰。

文中提出了一种新的编码方法——双脉冲伪随机编码,设计了译码方法,并对该种编码的抗干扰能力进行了理论分析。

1 双脉冲伪随机码设计

1.1 数学描述

激光编码要想使敌方难于破解,码周期越长越好,最好是无周期,如伪随机码;从译码角度考虑,要想从纷乱复杂的脉冲中找到目标指示激光脉冲信号,则应使编码具有相关性,以便在很短的时间内捕获到目标指示激光脉冲[6-8]。综合考虑上述两方面因素,设计了一种双脉冲伪随机码,数学表述如下:

(1)

(2)

f(t)=f1(t)+f2(t)

(3)

f1(t)和f2(t)是两个时间相差T3的相同脉冲序列,二者相“或”构成目标指示激光脉冲信号序列f(t)。在式(1)～式(3)中,各参量的含义为:m(n)为随机函数,取值范围为0～M正整数,相对于自变量n有唯一确定的值;n为正整数,是时间离散数值变量,最大值为M(M是伪随机码数值周期);T1、T2、T3为常数,单位为ms,其中:T1是脉冲序列f(t)的基础时间间隔,其大小由制导武器制导控制、制导距离、技术可实现性等因素确定;T2是激光脉冲时间间隔变化最小幅值,即伪随机码最小变化幅值,大小通常与激光信号处理接收波门相同;T3为随机序列f2(t)相对于f1(t)的延迟时间,一般情况下,取T3≈T1。

1.2 译码设计

对于该双脉冲伪随机码,译码采用软硬件相结合的方式进行。具体译码流程分为以下两个步骤:在导引头信息处理器中,首先通过整形电路对来自信号检测电路的脉冲序列进行整形,形成方波脉冲序列,然后将脉冲序列分为两路,其中一路延迟T4后与另一路相“与”,提取出所要的伪随机编码脉冲指示信号,而将不相关的干扰信号滤除,完成第一译码;在译出的脉冲序列中,可能还会留有部分噪声干扰或人为干扰脉冲,需进一步滤除,对此,码型识别电路通过匹配识别方法完成第二译码;在对译码识别概率进行统计之后,最后输出跟踪指示信号和跟踪波门信号。译码流程示意图如图1。在图1中,整形后的方波脉冲宽度为τ1,其大小主要取决于目标指示激光稳定度,通常取1～5 ms;延迟电路的时间T4与T3相等,波门宽度T5与T2相等。

从上述双脉冲伪随机码的编译码方案设计上可以看出,采用该种编码方式,激光制导在接收到一组编码信号f1(t)或f2(t),即可完成译码解算,并不需要接收到完整的双脉冲序列f(t)。而f1(t)和f2(t)本质上即是一个伪随机编码信号(经过一定的时延),译码的本质是对伪随机编码的译码。该种双脉冲伪随机编码的应用可有以下几种情况:

1)激光目标指示器严格按照上述编码方式编码,半主动激光制导采用上述软硬件相结合的译码方式,与传统上的伪随机码译码相比,仅增加了延时与“与”计算。

2)激光目标指示器采用双波长激光发射体制,同时或按照一定的规律发射两种不同波长的激光编码信号,激光半主动制导武器按照相同的规律接收两种波长激光编码信号,此时的译码方式相当于两路独立的伪随机码译码。

综上所述,合理设计伪随机编码,理论上,该种双脉冲伪随机编码可以满足实际制导武器的编码要求。

2 抗干扰性能分析

根据前面分析,对半主动激光制导的干扰主要包括激光欺骗干扰和高重频干扰。文中提出的双脉冲伪随机码的抗干扰方式主要体现在两个方面:双脉冲设计用于抗高重频激光干扰,伪随机编码用于抗诱骗激光干扰。

激光欺骗干扰的前提是对目标指示激光脉冲实时解码,而在无先验情报信息的情况下,对一个周期内的伪随机码解码几乎是不可能的,更别说是短码片(短时间内几个目标指示激光脉冲序列,即部分码元)。

高重频干扰不需要解码,当接收到有限的几个激光脉冲后就会发射干扰激光,双脉冲伪随机码抗高重频激光干扰原理如图2所示。

图2中,Z为目标指示激光脉冲序列,G为高重频干扰激光脉冲序列。由图可看出,经第一译码后,仍会有干扰脉冲进入第二译码,类似结果基本发生在下面几种情况时:

情况一:两种脉冲序列相“与”时,一路脉冲序列中的高重频脉冲与另一路脉冲序列中的个别指示脉冲“偶遇”,形成偶发干扰。由于该类干扰脉冲数量少,经第二译码可以被剔除。

情况二:干扰激光的重复频率为1/(2T3)的倍数,造成的结果是干扰脉冲全部通过第一译码。但这种情况出现的概率极其小,且只要取T3为质数,基本可解决此问题。

情况三:干扰激光的重复频率大于1/(2T4),由于整形后脉冲宽度的占空比大于50%,经第一译码后输出一频率与干扰脉冲重复频率相同的窄脉冲序列。由于脉冲量大,因而匹配识别几乎不可能从干扰脉冲中匹配出目标指示信号。

由以上分析可以得出如下结论:文中提出的脉冲第一译码方式具有较好的抗高重频干扰能力,能够抗重复频率低于1/(2T4)的高重频激光干扰。

3 结论

激光欺骗干扰和高重频干扰是半主动激光制导武器面临的主要威胁。文中从抗干扰角度出发,设计了一种新的激光编码——双脉冲伪随机码。该种编码将两个时间相差一常数的相同脉冲序列相“或”构成目标指示激光脉冲信号序列。对于该双脉冲伪随机码,其译码采用软硬件相结合的方式进行,第一译码过程提取出所要的伪随机编码脉冲指示信号,码型识别电路通过匹配识别方法完成第二译码。理论分析结果表明,双脉冲伪随机码中的伪随机编码可用于抗激光欺骗干扰,双脉冲设计可用于抗高重频激光干扰,译码整形后的方波脉冲宽度越窄,抗高重频干扰的效果越好。