激光干扰点源红外跟踪系统敏感参数研究

邹前进,张恒伟,柴国庆,王 非,王 东,苗锡奎

(中国洛阳电子装备试验中心,河南 洛阳 471003)

1 引 言

激光主动干扰点源红外跟踪系统的目的主要是使得跟踪系统对目标跟踪完全丢失(即光学锁定断开),或至少使得跟踪系统对目标跟踪能力下降。但跟踪系统跟踪能力下降意味着,目标仍可能处于导弹视场内,一旦干扰停止,跟踪系统仍可以重新锁定。因此,早期的光学锁定断开意味着更大的脱靶距离,如何获取激光干扰干扰跟踪系统敏感参数,对干扰效果评估、干扰系统设计意义重大。真实动态的外场试验真实直观,但试验代价较高、风险较大。因此开展激光对点源跟踪系统干扰敏感参数分析和近场缩比研究,对开展干扰设备研制和外场试验具有重要借鉴意义。

2 激光对点源跟踪系统干扰敏感参数分析

为不失一般性,这里以旭日式调制盘为例进行初步分析,调制盘如图1所示。本文调制盘型点源跟踪系统为AM调制盘式。

图1 调制盘示意图

图1中上半圆为目标像点调制区,由多组圆心角相同的透光与不透光扇形相间配置而成；下半圆为半透明区。当目标像点处于调制盘内时,随调制盘的转动探测器接受到周期性光脉冲,从而得到目标信号[7]。当调制盘以角速度Ω=2πF等速旋转时,产生以方波为包络的矩形脉冲串,透过函数为τ(Ωt)如式(1)所示[7]:

(1)

式中,Δqk为导引头失调角和调制效率度量,当目标处于中心Δqk=0,当目标处于调制盘边缘Δqk=1；Ω为调制盘旋转角频率；θ为目标方位角;ω为调制盘载频。

本文激光干扰系统采用电流调制,无激励电流时无干扰激光输出。不考虑直流分量,干扰函数简化为两个方波相乘的形式如式(2)所示:

Sg=Sg1rect(Ω1t+θ1)rect(ω2t+θ2)

紧接着在第三段，评论员指出：Those who believe the current level of cyber attack is“war”are missing the bigger picture：War is war.People die in wars.Countries disappear and new countries are formed by war.People are displaced by war.Fortunes are made and fortunes are lost in war.

(2)

式中,Sg1为干扰激光辐射功率；θ1为外调制波形初相位,与时间相关；Ω1为干扰机输出外调制频率；θ2为干扰机重频频率初相位,与时间相关；ω2为激光重复频率。

远场情况下激光干扰源与目标近似处于同一几何点上,辐射属非相干光源,合成信号为两者相加。合成信号与调制盘应遵循串联网络原理,为两者相乘,经归一化处理后合成信号透过函数如式(3)所示[8]:

FS(t)=(F+Sg)τ(Ωt)

(3)

式中,FS(t)为合成信号透过函数；F为目标辐射功率。

由信号处理原理,信号进入系统首先进行中心频率为f=ω/2π的第一通带滤波,然后进行检波和中心频率为F=Ω/2π的第二通带滤波,最后输出误差信号。本跟踪系统为幅度检波器,并基于调制曲线的线性段进行线性检波。根据其传输特性,并将式(1)、(2)代入式(3),进行傅里叶变换展开,并略去高次项、直流项、载频项[5,9]。激光背对背干扰时,干扰激光重复频率与调制盘载频很难完全一致,因此首先分析干扰激光外调制频率与跟踪系统外调制频率相等、载频不同情况下跟踪系统输出的理想包络信号,如式(4)所示。将式(4)包络信号在陀螺进动放大器做进一步处理,此放大器被旋转角频率Ω附近调谐工作。此驱动信号使得旋转陀螺转动,驱动跟踪系统进动。即跟踪系统只对旋转角频率附近的直流慢变分量有响应。当不存在激光干扰时,调制盘在目标方向、正比于4Δqk/π2F的速率向目标进动；当存在激光干扰时,除了目标和干扰共同引起的进动向量外,还存在干扰引入的随机扰动,此时跟踪系统向目标和干扰向量的平衡点进动。

(4)

式中,第一项为目标位置信息项;第二项为虚假目标位置信息项;τ1为外调制脉宽；T1为外调制周期；τ2为激光重复脉冲宽度；T2为激光重复脉冲周期；式中其他参数定义与式(1)～(3)相同。

由上要求合成向量大于调制盘边缘,跟踪系统才能对目标的光学锁定断开。由公式(4)可知:(a)干扰激光平均功率Sg1大于一定值,才能使得合成向量大于调制盘边缘,引起光学断开；(b)增大干扰激光占空比τ2/T2可增加干扰效果,但需考虑干扰功率；(c)干扰激光外调制频率应与调制盘外调制频率一致；(d)增加外调制占空比τ1/T1可增加目标同向进动向量,可使得光学锁定断开效果增强；(e)增加干扰激光重频,即减少T2可增加重复频率占空比,但将导致单脉冲激光能量下降,将导致干扰性能下降；(f)外调制波形初相位θ1和干扰机重频频率初相位θ2为随机量,导致了跟踪系统进动方向的震荡,从而导致干扰效果起伏,并可能是一个随机的过程。

不同于多数参考文献中要求干扰脉冲重复频率必须与载频相近或相等[10-11],本文分析和相关实验结果都显示:干扰激光重复频率和导引头载频没有特别严格的对应关系。干扰激光外调制频率与跟踪系统外调制频率、载频均相等下输出理想包络信号如式(5)所示,各项定义如式(4)。从理论上可加入更多干扰,但扰动的方向不一致,不一定能增加干扰效果。

(5)

同时得到干扰激光外调制频率是跟踪系统0.5倍和1.5倍外调制频率,载频均不等情况下理想包络信号。如式(6)、(7)所示,各项定义如式(4)。

sin(Ω1τ1)cos(2Ω1t+2θ1)]

(6)

(7)

由式(6)可知:激光半外调制频干扰时,由于干扰激光倍频,功率损失较大,最终影响光学锁定断开速度。由式(7)可知:两者外调制频率应相近或相等,当不相等,甚至过大时,激光一倍频干扰项不存在,很难形成干扰；当激光干扰外调制频率与调制盘调制频率相近,带通滤波会引起响应降低,同时还引入一个周期性的扰动,此时干扰合成向量的平衡点在调制盘内周期运动,引起光学锁定断开速度降低。

综上,激光对点源跟踪系统干扰敏感参数主要包括干扰激光平均功率、外调制频率和外调制占空比。干扰激光重复频率和干扰激光脉冲制占空比应满足激光器最佳工作状态,以提高干扰激光功率。

3 激光干扰敏感参数实测验证

在近场干扰跟踪系统实验中,目标、气象条件和干扰距离等与实际存在差异。为与外场干扰试验保持一致,需要对目标、气象条件和激光干扰功率密度等进行等效模拟。典型实验光路如图2所示。本文跟踪系统可以输出目标截获信号、电锁信号、音响信号和基准信等,当电锁信号处于搜索状态,则跟踪系统光学断开。干扰激光系统采用光参量振荡技术,将1.064 μm激光脉冲经过去杂散光、偏振处理之后,通过非线性晶体输出为中红外激光,能量、外调制频率、占空比和激光重复频率可调。使用中波衰减片对干扰激光功率进行衰减。使用COHERENT公司的PM10功率计对干扰激光进行测量监测,测量精度为1 mW。使用中温黑体和可变光阑模拟目标。

图2 激光干扰点源跟踪系统实验光路示意图

3.1 目标模拟

模拟目标黑体温度设定原则:(1)使得外场真实目标与近场中温黑体在跟踪系统光学系统入瞳处辐射照度相等；(2)使得外场真实目标与近场中温黑体对应的立体角相等。实验中首先利用红外仿真计算软件计算目标中波波段辐射；采用目前通用大气辐射传输计算软件MODTRAN,根据具体战情气象参数,计算中波波段内大气路径辐射亮度和透过率。根据相应公式[5],考虑路径辐射亮度、路径大气衰减,可以得到中温黑体辐射出射度如式(8)所示:

(8)

式中,MB为目标模拟黑体辐射出射度；Lareal为计算得到的目标真实平均辐射亮度；τpath为想定距离、气象条件路径衰减；Lpath为路径辐射亮度；ST为目标辐射面积；θT为目标平面法线与视线夹角；lreal为想定距离；lN为模拟实验距离；τN为近场实验大气衰减；ΔAB为黑体辐射面积；θB黑体平面法线与视线夹角。

根据普朗克公式,采用二分法求解普朗克公式可以计算目标的黑体等效温度。实验中根据战情想定不同的地面气象条件和目标参数,计算不同观测角下的需要模拟的黑体温度和面积。

3.2 干扰激光功率模拟

不考虑激光出口光斑大小情况下,干扰激光在某一位置处功率密度满足式(9)关系[6]:

(9)

式中,E为跟踪系统处激光功率密度；P为干扰激光输出功率；θ为激光器束散角；l为干扰距离；τ为路径大气衰减。

需要在干扰激光出口放置衰减片才能使得近场跟踪系统处干扰激光功率密度和外场想定目标处的相等,根据式(9)则激光衰减倍率满足式(10)。

(10)

式中,η为激光功率衰减比；其他参数定义同式(8)。

实验中根据衰减片倍率,并同时调整干扰激光器进行近场跟踪系统处功率模拟。

3.3 典型实验结果

对于跟踪系统跟踪视场及丢失目标后的搜索视场参数固定,且输出的电锁信号电压与视场角存在固定关系。一般情况下激光干扰前后电锁信号电压差大于半视场和搜索视场之和电压,则认为此时目标已处于跟踪系统视场外,即跟踪系统处于光学锁定断开状态。根据上述设置,进行了多组不同激光功率、外调制频率、外调制占空比和重复频率下激光干扰跟踪系统近场实验。跟踪系统干扰前后电锁信号变化典型结果如图3所示。

假定跟踪系统扫描角频率为Ω,载波角频为ω,干扰激光外调制角频率Ω1,重复角频率为ω2。典型的干扰实验结果统计如下:(1)即使外调制频率和外调制占空比相同,干扰激光仍必须大于某一功率；(2)在外调制占空比为50 %、重复频率为最低重复频率N kHz、外调制频率为Ω/2π、Ω/(2π±1)和Ω/4π时,激光可对跟踪系统形成有效干扰,其他外调制频率干扰无效；(3)重复频率为NkHz、外调制频率为Ω/2π,外调制占空比为50 %、60 %、70 %和80 %时可形成有效干扰；(4)在外调制占空比50 %、外调制频率为Ω/2π、激光重复频率为(N+1)kHz、(N+2)kHz、(N+3)kHz和(N+4)kHz下,激光未能对跟踪系统形成有效干扰。实验结果和上文敏感参数分析结果一致,因此干扰激光参数设计和试验设置时应重点关注上述参数。

4 结 论

本文分析了激光干扰调制盘型点源跟踪系统光学锁定断开的干扰激光敏感参数。根据分析结果和近远场能量等效原则,在近场开展了激光干扰跟踪系统光学锁定断开实验,实验结果与分析一致。分析和实验均表明:激光干扰效果与激光功率、外调制频率和外调制占空比密切相关,因此应实现干扰目标类型探测,以实现针对性干扰；干扰激光重复频率和跟踪系统载频没有特别严格的对应关系,应满足最佳输出功率可能更有意义。由于本文未考虑跟踪系统飞控,因此严格要求光学锁定断开,干扰判据较为严格,下一步将开展整流程干扰结果研究。本文对小功率激光干扰系统设计研制和试验开展具有重要参考意义。