高重频激光诱饵运用研究

2022-04-07宿天桥刘志国满芳芳

电光与控制 2022年4期

宿天桥，刘志国，满芳芳

(1.火箭军工程大学,西安 710000； 2.中国人民解放军96922部队,辽宁大连 116000)

0 引言

高重频激光干扰装备可以根据不同的作战背景，对来袭的激光半主动制导导弹实施诱饵干扰和扰乱干扰。而对于导弹发射车的激光防护，需要对来袭激光半主动制导导弹实施指向性的诱饵干扰，诱偏其攻击预设的高重频激光诱饵，避免误伤导弹发射车附近散布的警戒人员和保障装备。

高重频激光诱饵干扰和扰乱干扰是高重频激光干扰产生的两种干扰现象，高重频诱饵干扰是一种以角度欺骗为目的的高重频激光诱偏干扰；高重频扰乱干扰是一种堵塞式高重频激光压制干扰。

高重频激光诱饵干扰和扰乱干扰这两种不同的干扰模式之间并没有明确的频率分界线，如果高重频激光干扰机对激光脉冲重复频率设置不当，诱饵干扰可能会转变成扰乱干扰，在特定的作战背景下甚至会产生严重的后果。因此，高重频激光重复频率的选择是高重频激光诱饵诱偏干扰能否成功的关键。

1 高重频激光诱饵诱偏干扰原理

如图1所示，高重频激光诱饵干扰是激光高重频诱饵根据告警单元提供敌方激光半主动导弹方位信息，发射高重频激光脉冲直接照射激光导引头，高于导引头探测阈值的高重频干扰激光脉冲入瞳，然后利用高重频干扰激光脉冲极高重复频率和极小脉冲间隔的优势，使高重频干扰激光脉冲与编码信号匹配，同步或超前制导信号进入导引头时间波门内，由于激光干扰信号脉冲能量高于激光制导信号，使导引头将干扰信号错误识别成制导信号，最终将敌方激光半主动导弹引偏至高重频诱饵处，从而达到保护我方目标的目的。

图1 高重频激光干扰工作原理Fig.1 Working principle of high-repetition-rate laser jamming

激光高重频诱饵诱偏干扰原理比较简单，但影响其干扰效果的因素较多:激光脉冲重复频率、激光脉冲峰值功率、激光能量稳定性、激光束散角、干扰距离、跟踪瞄准精度等。其中，激光脉冲峰值功率、激光能量稳定性、激光束散角、干扰距离和跟踪瞄准精度因素最终都反映在入瞳激光能量强度上[1]。因此，激光高重频诱饵的干扰效果影响因素主要考虑入瞳激光能量，对激光束散角、激光能量稳定性、干扰距离和跟踪瞄准精度等因素可以不再单独进行分析，高重频激光干扰信号的能量和重复频率是影响高重频诱饵干扰效果的主要因素。

通过高重频激光诱饵干扰的原理分析，高重频诱饵要达到有效诱偏干扰效果的条件为：1) 选择合适的重复频率，保证采用的是高重频诱饵干扰模式；2) 进入导引头视场干扰激光的能量必须高于导引头探测阈值；3) 干扰激光信号能够同步或超前于制导指示激光信号进入导引头时间波门；4) 干扰激光信号和制导指示激光信号的脉冲峰值功率干信比PJK/PGK不小于1。

2 高重频激光诱饵运用机理分析

2.1 高重频诱饵能量

高重频诱饵采用直瞄式干扰，激光干扰信号进入导引头的脉冲能量为

(1)

式中：ESJ为高重频诱饵输出脉冲能量；KJ为高重频诱饵光学系统透过率；KR为导引头光学系统透过率；A为导引头入瞳处口径面积；R1为高重频诱饵到导引头的距离；θ1为高重频干扰激光束散角；c1为大气衰减系数；m为跟踪瞄准精度修正系数。

考虑高重频激光器输出的是等间隔规则脉冲，脉冲峰值功率PRJ、脉冲宽度τ1、脉冲能量ESJ三者之间的关系为

ESJ=PRJ·τ1。

(2)

高重频激光器输出的平均功率PJ与其脉冲重复频率fJ、脉冲能量ESJ之间的关系为

PJ=ESJ·fJ。

(3)

高重频诱饵要达到有效的诱偏干扰效果，首先要满足干扰激光信号能量密度ERJ/A必须大于等于激光导引头探测灵敏度Eth，所以有

(4)

代入式(3)进行计算,可得出高重频诱饵干扰脉冲重复频率与最大干扰距离之间的关系为

(5)

另外，激光指示器发射指示激光照射导弹发射车形成光斑，光斑尺寸小于目标尺寸，经真目标漫反射后形成激光制导信号，进入到导引头的干扰脉冲能量度为

(6)

式中：ESG为激光指示器输出的干扰脉冲能量；KG为激光指示器光学系统透过率；R2为激光指示器与目标之间的距离；c2为激光指示器与目标之间的大气衰减系数；R3为目标与激光导引头之间的距离；c3为目标与激光导引头之间的大气衰减系数；ρ为目标漫反射率；θ2为指示激光入射角。

激光制导信号既要指引导弹攻击敌方目标，也要满足制导激光信号能量密度ERG/A必须大于等于激光导引头探测灵敏度Eth，所以有

(7)

又考虑高重频激光器输出的是等间隔规则脉冲，脉冲峰值功率PKJ、脉冲宽度τ2、脉冲能量ERJ三者之间的关系为

ERJ=PKJ·τ2。

(8)

实际运用时，为了编码识别的通过率，高重频激光脉冲的脉宽通常与指示激光的脉宽相等，即τ1=τ2。定义激光干扰脉冲峰值功率与制导脉冲峰值功率的干信比为R，其等于激光干扰信号和制导信号脉冲能量的比值，即

(9)

通常，真、假目标与导引头之间的距离R1≈R3，大气衰减率c1≈c2≈c3，高重频诱饵和激光指示器光学系统透过率KJ≈KG,式(9)可化简为

(10)

将式(3)代入式(10)计算,可得干信比与高重频干扰信号重复频率之间的关系

(11)

2.2 高重频诱饵能量的计算分析

在高重频诱饵对导弹发射车防护运用中，假设激光导引头探测灵敏度Eth=20×10-15J/cm2,导引头和高重频诱饵光学系统透过率为KR≈KJ=0.8，高重频干扰机平均功率为PJ=30 W，高重频干扰激光束散角为θ1=1.5 mrad，激光指示器输出的激光脉冲能量为ESG=30 mJ,激光指示器指示激光入射角θ2=30°，目标漫反射率ρ=0.2，大气衰减系数c1≈c2=0.166×10-3，跟踪瞄准精度修正系数m=20%。

通过式(2)和式(3)可知，高重频激光脉冲峰值能量和脉冲重复频率成反比，脉冲重复频率越高，脉冲峰值能量越小，高重频激光干扰机可设置为最高重复频率，对式(5)、式(7)进行计算可得，高重频干扰信号最远干扰距离远大于激光指示信号的作用距离；对式(11)计算可得，高重频干扰信号的干信比远大于1。由上述计算可知，对于高重频诱饵诱偏干扰而言，在选取干扰信号重复频率时不用考虑能量对诱偏干扰效果的影响。

2.3 高重频诱饵重复频率

根据高重频诱饵干扰原理，被导引头四象限探测器探测到的激光干扰信号在时序上必须通过脉冲解码、时间波门和脉冲选通三重抗干扰电路的筛选，才能完成激光干扰信号的“误识别”，即导引头把干扰信号误认为制导信号，因此，高重频诱偏干扰信号重复频率的选取与激光导引头脉冲编码识别、时间波门和脉冲选通技术密切相关[2-6]。

1) 导引头脉冲编码识别。

导引头激光编码技术采用脉冲间隔调制编码，主要有以下几种编码方式：精确频率码、脉冲调制码、任意时间码和伪随机码，将这些编码方式的编码序列置于时间轴上，会发现相位的变化可以反映其脉冲间隔的变化。因此，高重频诱偏干扰在导引头脉冲编码识别阶段，就是利用高重复频率包含丰富相位信息的特性来完成与预设编码的匹配。

导引头脉冲编码识别阶段，高重频干扰激光与预设编码(指示激光脉冲间隔)的匹配程度存在如下关系

fJ=N·fG

(12)

式中，fG为指示激光脉冲频率。① 当fJ与fG成整数倍或近似为整数倍关系时，高重频激光脉冲序列中含有与指示激光相同的编码序列,只要满足相位的同步关系，就可以与预设编码完全匹配，高重频干扰信号每个周期都能有脉冲进入时间波门；② 当fJ与fG不成整数倍关系时，虽然在进行相关编码识别时只能完成部分编码序列的匹配，当重复频率足够高时可以使导引头对编码的识别出现混乱，使得导引头一直处于搜索识别阶段而无法正常地输出误差信号。

上述两种情况分别对应高重频诱饵干扰和扰乱干扰这两种干扰模式：第一种情况高重频干扰脉冲重复频率足够高，也就是N·fG足够大时，诱饵干扰可能会转变成扰乱干扰；第二种情况中有部分编码完成匹配，也存在着诱饵干扰的概率。因此，式(12)并非是发射诱偏干扰和扰乱干扰的必要条件,高重频干扰模式干扰频率的选择还需通过具体的干扰实验进行验证。

2) 导引头时间波门。

在时间波门阶段，要保证每个时间波门内至少接收到一个干扰激光脉冲信号，重复频率fJ的设置必须不小于波门宽度Δτ的倒数,即

fJ≥1/Δτ。

(13)

波门宽度是导引头时间波门抗干扰技术的重要指标，激光指示器发射激光脉冲间隔的不确定性、弹目距离变化导致接收制导信号的延时有差异、导引头电路的延时造成与指示器时基的不一致等,使得导引头的波门宽度不可能设计得太小，一般会设为几十微秒以上。固定时间波门要考虑波门设置的累计误差，实时波门有效消除了波门设置的累计误差，波门宽度一般比固定波门设置得更窄。实时波门的波门宽度小于固定波门的宽度，干扰脉冲进入波门的概率会随之减小，因此，实时波门成为导引头广泛采用的抗干扰技术。但是，如果实时波门时间同步基点为干扰脉冲，有可能在后续实时调整过程中，导引头波门位置将被干扰信号“牵引”离开制导信号位置，导致制导信号被高重频干扰拉偏出波门之外。

3) 导引头脉冲选通。

导引头脉冲选通技术主要包括首脉冲选通、最优脉冲选通和末脉冲选通，其中，首脉冲选通是当波门内出现多个激光脉冲时，只选通波门内的第一个脉冲，其应用最为广泛。

首脉冲选通在实际运用时会面临两种情况：① 在导引头搜索阶段，高重频激光脉冲满足重复频率不小于波门宽度倒数的条件，至少有1个干扰脉冲进入导引头波门，如果导引头采用实时波门并在一定时间内没有制导信号进入波门，由于实时波门的牵引效应，后续的制导信号可能无法进入波门，因此进入波门的干扰脉冲会被当作制导脉冲选通，成功实现高重频诱偏干扰；② 在导引头跟踪阶段，导引头已经跟踪锁定制导信号，后面进入波门的干扰脉冲有可能出现在波门的首脉冲位置，因此在这种情况下，确定波门内干扰脉冲超前制导脉冲的概率，就能确定高重频诱偏干扰概率。

在导引头采用实时波门和首脉冲选通的条件下，制导脉冲出现在波门内的位置是个随机变量,定义为X，则X服从正态分布(Δτ/2,σ2)，且制导激光全部进入导引头波门内，则X～N(Δτ/2,Δτ2/6.182),制导概率密度函数为

(14)

假设有k个高重频干扰脉冲进入一个时间波门内，进入时间波门内的干扰脉冲的位置是个随机变量,定义为Y,则干扰脉冲在波门内的位置Y服从均匀分布U(0,k/Δτ),干扰脉冲概率密度函数为

(15)

干扰脉冲超前制导脉冲的概率为

(16)

2.4 高重频诱饵重复频率的计算分析

当时间波门Δτ分别取20 μs和10 μs时，干扰脉冲超前制导脉冲的概率P与时间波门内高重频干扰脉冲数量k的关系如图2所示。

图2 P与k的关系Fig.2 Relationship between P and k

把式(16)的仿真结果代入f=k/Δτ，可得k，f，P三者之间的关系如表1所示。

表1 k， f，P三者之间的关系Table 1 Relationship between k， f and P

由表1可知，时间波门宽度一定时，随着进入时间波门的高重频脉冲数的增加，干扰脉冲超前制导脉冲的概率随之增高，当k≥7时，干扰脉冲超前制导脉冲的概率不再随k值发生变化；对于不同宽度的时间波门，k与P之间的关系基本上保持不变；在导引头跟踪阶段，3～4个干扰脉冲同时进入时间波门时，干扰脉冲超前制导脉冲的概率在96%以上，高重频重复频率又不是太高，对于高重频诱饵干扰而言能够达到良好的诱偏干扰效果。

2.5 高重频诱饵重复频率运用方案

通过对高重频诱饵运用机理分析，高重频诱饵采用直瞄干扰，在选择其重复频率时不用考虑与能量相关的影响因素；受激光导引头脉冲编码识别、时间波门和脉冲选通技术影响，高重频诱饵要想达到理想的干扰效果，其重复频率的选择方案为：在导引头搜索阶段，高重频干扰脉冲重复频率是指示激光脉冲频率的整数倍，并保证至少有1个干扰脉冲进入时间波门；在导引头跟踪阶段，高重频干扰脉冲重复频率是指示激光脉冲频率的整数倍，并保证至少有3～4个干扰脉冲进入时间波门。

3 干扰效果实验验证

3.1 实验前的准备工作

图3为高重频激光诱饵干扰效果实验布局图。

图3 高重频激光诱饵干扰效果实验布局图Fig.3 Experimental layout of jamming effect of high-repetition-rate laser decoy

实验室要对实验区进行消光处理，考虑在实验室采用直接瞄准式干扰会损伤导引头模拟器，因此改用漫反射式干扰，把高重频干扰脉冲信号投射到漫反射屏上形成光斑，经漫反射屏漫反射后到达导引头模拟器入瞳。

参加实验的设备布设完毕后,先按照搜索模式和跟踪模式两个干扰对抗背景对参加实验设备的参数进行设置和标定：1) 设置激光指示器和导引头模拟器的编码方式为脉冲调制码，指示激光波长1.064 μm、频率20 Hz，导引头模拟器实时时间波门宽度20 μs；2) 高重频诱饵距离导弹发射车200 m，在漫反射屏上等比例标定好导引头搜索和跟踪两种模式下真目标和高重频诱饵的光斑位置；3) 标定反射镜两轴转台角度，使激光指示器和高重频激光干扰器在漫反射屏上的照射光斑和预设的光斑重合；4) 计算出等比例入瞳干扰激光和制导激光的能量密度，标定激光指示器和高重频激光干扰器电压，使进入导引头模拟器的干扰激光和制导激光的能量密度符合计算值。

3.2 导引头搜索阶段和跟踪阶段干扰效果实验

搜索阶段实验中，高重频激光重复频率分别选择50 kHz，60 kHz和70 kHz。具体实验为：首先，激光导引头模拟器开机,开启搜索模式，然后打开高重频激光干扰器,设置重复频率为50 kHz，将高重频激光经反射镜反射到标定好的漫反射屏光斑位置，让激光导引头模拟器锁定跟踪高重频干扰激光一段时间；然后，激光指示器开机工作，通过反射镜瞄准漫反射屏标定的真目标位置，同时，实验数据录取设备记录分析高重频干扰效果数据；改变高重频重复频率，按上述步骤重复实验。

跟踪阶段实验中，高重频激光重复频率分别选择150 kHz,200 kHz和250 kHz。与搜索阶段不同：首先，激光导引头模拟器开启搜索模式，然后激光指示器开机工作，让激光导引头模拟器锁定跟踪高重频干扰激光一段时间；然后，打开高重频激光干扰器,设置重复频率为150 kHz，对激光导引头进行诱偏干扰，同时，试验数据录取设备记录分析高重频干扰效果数据；按照已选定的高重频重复频率按以上步骤重复实验。