高重頻激光對不同編碼體制的干擾效果研究

趙 乾，劉志國，王仕成，張 帥

(第二炮兵工程大學，陜西西安 710025)

高重頻激光對不同編碼體制的干擾效果研究

趙 乾，劉志國，王仕成，張 帥

(第二炮兵工程大學，陜西西安 710025)

針對高重頻激光干擾與不同激光編碼之間關系的研究不夠深入這一問題，采用歸一化互相關函數法，量化分析了高重頻激光干擾在搜索識別階段對不同編碼體制的干擾效果。仿真結果表明，高重頻激光對不同編碼體制的干擾效果存在差異;重復頻率高于120kHz時，對所有編碼體制的干擾概率幾乎均為100%，各編碼體制間無明顯差別。

激光干擾;高重頻;編碼體制;干擾效果

1 引 言

激光制導半主動尋的武器由于其制導精度高、成本低、結構簡單、抗干擾能力強［1］等特點，在精確制導武器中所占比重越來越大。同時，作為激光半主動尋的制導武器實現同時攻擊多目標和提高抗干擾性［2］的重要手段，各軍事大國均大力發展激光編解碼技術。

隨著較為復雜的編碼技術和先進的窄波門技術的發展，激光制導武器的抗干擾能力越來越強［3］。角度欺騙干擾作為目前最主要的激光有源干擾方式，其快速識別編碼規律，并在波門開放的短暫時間內進入波門，形成有效干擾越來越困難。因此，高重頻激光干擾作為一種全新的光電對抗方式，無需對敵方激光脈沖信號進行編碼識別和復制就能使假目標信號進入敵方信號處理系統，大大提高了對抗的主動性和適應能力［4］，逐漸成為一種非常有效的干擾方式，受到越來越多的重視和研究。

目前高重頻激光干擾的研究主要集中在作用機理、關鍵參數、實施方式、工作模式等方面，而高重頻激光干擾對不同編碼體制干擾效果的研究較少且分析的編碼體制不夠全面［5］。本文采用一種新的評估方法——歸一化互相關函數法來描述高重頻激光干擾對不同編碼體制的干擾效果。根據仿真實驗結果，分析高重頻激光對不同編碼體制的干擾機理，為提高高重頻激光干擾效果提供依據。

2 高重頻激光干擾

高重頻激光干擾可分為欺騙式干擾和壓制式干擾兩種工作模式，目前大部分文獻中所提到的高重頻激光干擾是欺騙式高重頻激光干擾，它是指采用高重頻激光器作為激光干擾源，通過直接向激光導引頭發射或者由激光導引頭視場內的假目標反射的方式，使脈沖重復頻率足夠高的高重頻激光脈沖進入激光導引頭的時間波門內，將制導信號淹沒在干擾信號中，使激光導引頭對目標檢測的不確定性增加，目標信息的截獲概率降低，致使激光制導武器因提取不出信息而迷盲，或提取錯誤信息而被引偏，從而達到干擾作用［6－8］。

激光高重頻干擾的關鍵是在激光導引頭的有限波門寬度內進入的干擾信號數目及其相對于制導信號的時間關系［7］。由于高重頻激光器的工作重復頻率通常在1kHz以上［9］，波門寬度的設置一般為幾十微秒，故高重頻激光干擾信號很容易進入波門，特別是在波門設置較寬的導引頭搜索識別階段。要形成有效干擾，進入波門的干擾激光還需要滿足波長、脈寬、峰值功率、能量等條件［8］。受激光器功率限制，高重頻干擾激光的發射方式通常為直瞄式。

3 常用激光編碼

激光編解碼技術，是激光半主動制導武器對抗激光有源干擾的核心技術，國內外的研究都非常重視且高度保密。從公開發表的文獻看，目前提出的激光編碼方法主要有以下幾種［2－3，10－12］:精確頻率碼、脈沖調制碼、二間隔碼、等差型編碼、偽隨機碼等。

3.1 精確頻率碼

精確頻率碼是指編碼的激光脈沖間隔ΔT0在整個照射周期內固定不變。其脈沖序列由下式給出:

3.2 脈沖間隔碼(PCM)

又稱脈沖調制碼，是指對一定重復頻率脈沖序列的激光信號進行調制的編碼。通過調制，使某個應該產生激光的脈沖不發射，產生方式是在固定位數的循環移位寄存器內設置好碼型，然后在固定的時鐘下循環移位。該碼原則上講是偽隨機碼的特例。

3.3 二間隔碼

二間隔碼是指采用兩個時間間隔T1和T2(T1+T2=2T0)，使激光脈沖整個照射周期內按重復間隔T0的規律周期變化的編碼。若T1為奇數激光脈沖的時間間隔，T2為偶數激光脈沖的時間間隔，則其脈沖序列由下式給出:

式中，n=1，2，3…，a=0，1，且a=0表示首次脈沖相遇是小間隔脈沖，a=1表示首次相遇是大間隔脈沖。

3.4 有限位隨機周期碼

其特點是在同一個周期內，各脈沖間隔是隨機的。產生該編碼采用的可能方法是在信源中隨機選取n個脈沖間隔組成一組編碼。該編碼與PCM編碼的不同之處在于脈沖間隔沒有明顯的依賴性，但具有較強的重復性。

比較有代表性的是美國采用的脈沖重復頻率(PRF)編碼，通常為3～4位，采用八進制表示，1～8代表8個不同的時間間隔。

3.5 等差型編碼

等差型編碼是指各個脈沖間隔具有某種趨勢，例如從大到小或從小到大，脈沖間隔具有一定規律但全程不循環的編碼方式。例如，首脈沖間隔為T0的等差型兩種編碼如下:

3.6 偽隨機碼

偽隨機碼實質上是在一固定的有限位移位寄存器內設置好起始碼型，并將輸出經過反饋函數反饋到寄存器中，使編碼的周期不循環，既具有隨機碼的性質，又具有一定的規律性。該方法產生的編碼稱為LFSR調制碼，其與PCM碼的不同之處在于移位寄存器具有反饋函數，周期得到極大擴展。對于偽隨機碼的干擾，通常識別出最小周期，而后進行準同步干擾或高重頻干擾。

為了增強抗干擾性，目前還有一種編碼，稱為LFSR狀態碼，即采用線性反饋移位寄存器的每個時刻的狀態a(i)=(a1a2…a8)(i)進行編碼，形成脈沖間隔序列ΔT={ΔTn|n≥1}，具體編碼方法為:

式中，ΔTc為常值;Δtu為編碼時間基元;［·］2→10表示二進制轉換為十進制運算。

4 干擾效果分析

激光解碼分為兩個過程:搜索識別過程和鎖定跟蹤過程。下面對搜索識別過程中高重頻激光干擾對不同編碼體制的干擾效果進行定量分析。

4.1 干擾概率模型的建立

故若高重頻激光干擾在搜索識別過程中能夠有效干擾激光編碼，則高重頻激光干擾信號與激光編碼信息滿足解碼方程。設激光編碼信息采樣后為x(n)，激光高重頻干擾信號采樣后為y(n)，定義二者的歸一化互相關函數:式中，N為數字相關器的長度;M為數字相關器長度內包含的激光編碼脈沖個數。

則式(8)可以用來描述高重頻激光干擾與激光編碼之間的對抗效果，即高重頻激光干擾信號與激光編碼信號的歸一化互相關函數越接近于1，則干擾效果越好;反之則干擾效果越差。

4.2 干擾效果的定量分析

以第3節介紹的幾種激光編碼為例，利用式(8)所得歸一化互相關函數，定量分析不同高重頻激光干擾對各激光編碼的干擾概率。在仿真中，假設高重頻激光滿足波長、脈寬、功率等條件，取解碼方程參數為M=6，采樣周期為0.01 ms。

4.2.1 對精確頻率碼的干擾效果

取頻率為97.38 ms的精確頻率碼，則歸一化互相關函數如圖1所示。

圖1 對精確頻率碼的干擾效果Fig.1 Jamming effect to precise frequency code

由圖1可知，高重頻激光干擾的重復頻率越高干擾效果越好，且在較低重復頻率下仍能達到較好的干擾效果。如在21kHz時歸一化互相關函數為1，即在搜索識別段高重頻激光干擾以該重復頻率可完全干擾此精確頻率碼。由此可知，高重頻激光干擾對精確頻率碼的干擾效果較好。根據仿真結果，對精確頻率碼的干擾可采用較低頻率，干擾效果較好且降低了對高重頻激光器的要求。

4.2.2 對PCM碼的干擾效果

取重復頻率為20.54 Hz的1001011碼型的7位脈沖間隔碼，則歸一化互相關函數如圖2所示。

圖2 對PCM碼的干擾效果Fig.2 Jamming effect to PCM code

由圖2可知，高重頻激光干擾對PCM碼的干擾效果與精確頻率碼有相同趨勢，干擾效果較好，原因在于PCM碼循環時采用的時鐘基數是確定的，其脈沖間隔是時鐘基數的整數倍。低于80 kHz的高重頻干擾效果要差于對精確頻率碼的干擾，但仍可通過技術手段識別編碼周期后，以較低重復頻率達到較好的干擾效果，如圖2中的30 kHz對該時鐘基數下的PCM碼可完全干擾。

PCM碼在原則上講屬于LFSR調制碼的特例，而在搜索識別段采樣較短，高重頻激光干擾對LFSR調制碼的干擾概率與PCM碼的干擾效果無明顯差異。

4.2.3 對二間隔碼的干擾效果

取兩個時間間隔分別為 T1=97.38，T2= 99.57，則歸一化互相關函數如圖3所示。

圖3 對二間隔碼的干擾效果Fig.3 Jamming effect to two interval code

由圖3可知，高重頻激光干擾對二間隔碼的干擾仍可以較低重復頻率達到較好的干擾效果。由于采用了兩個毫不相關的時間間隔，高重頻激光干擾對其的干擾效果要差于精確頻率碼。

4.2.4 對有限位隨機碼的干擾效果

設有限位隨機周期碼共有4個脈沖間隔，分別為97.38 ms，99.57 ms，90.53 ms和94.68 ms，則歸一化互相關函數如圖4所示。

圖4 對有限位隨機碼的干擾效果Fig.4 Jamming effect to limited random code

由圖4可知，高重頻激光干擾對四位有限位隨機碼的干擾效果較差，重復頻率達到110 kHz以上才能達到較好的干擾效果。與圖1、圖3對比可知，隨著不相關間隔的增加，高重頻激光干擾的效果會變差。

4.2.5 對等差型編碼的干擾效果

等差型編碼有等差遞增型和等差遞減型兩種，仿真中采用等差遞增型編碼，取等差型編碼的首脈沖間隔ΔT為97.38ms，Δt為0.1ms，則歸一化互相關函數如圖5所示。

圖5 對等差遞增型編碼的干擾效果Fig.5 Jamming effect to arithmetic increasing code

由圖5可知，高重頻激光干擾對等差遞增型編碼的干擾要得到較好的效果，所需重復頻率較高。雖然等差遞增型編碼規律性較強，但其時間間隔一直在變化，其抗高重頻激光干擾效果較好。等差遞減型編碼具有相同的規律。

4.2.6 對LFSR狀態碼的干擾效果

取重復頻率為 20.5 4Hz、初始狀態為10100100、反饋函數為f(x1，x2，…，x8)=x1+x3+x4+x5的移位寄存器產生LFSR狀態碼，則歸一化互相關函數如圖6所示。

圖6 對LFSR狀態碼的干擾效果Fig.6 Jamming effect to LFSR status code

由圖6可知，高重頻激光干擾對LFSR狀態碼的干擾與對有限位隨機碼的干擾效果相近。原因在于仿真中選取的解碼方程參數M=6，LFSR狀態碼有六個不同的間隔，有限位偽隨機碼隨機間隔有四個，二者相差較小。當采樣長度增加時，LFSR狀態碼由于每個時間間隔都不同，其對抗高重頻激光干擾的效果將優于有限位隨機碼。

5 結束語

本文以歸一化互相關函數為評判指標，定量分析了高重頻激光干擾在搜索識別段對不同編碼體制的干擾效果。仿真結果表明，高重頻激光干擾對不同編碼體制的干擾效果不同，對精確頻率碼及二間隔碼的干擾效果較好，采用較低的重復頻率即可達到較好的干擾效果;高重頻激光干擾的效果取決于脈沖間隔的隨機性，隨機性越強干擾效果越差。對于有限位隨機碼及等差型編碼，雖然在仿真中抗干擾效果較好，但由于存在周期短和規律性強的特點，很容易被識別，高重頻激光干擾對二者的干擾效果可進一步增強;PCM碼與LFSR調制碼形成的脈沖間隔為時鐘基數的整數倍，也容易被識別以增強高重頻激光干擾效果;LFSR狀態碼循環周期長、脈沖間隔具有隨機性，高重頻激光干擾效果較差，在今后研究中要加強對該編碼干擾方法的研究。

研究還發現，高重頻激光干擾的重復頻率越高，干擾效果越好，對不同編碼體制干擾概率大小的差異主要體現在120 kHz以下，當重復頻率達到120 kHz以上時，對所有編碼干擾概率均為100%且各編碼體制之間無明顯差別;不同重復頻率對編碼的干擾效果不同，采樣頻率越低、采樣長度越長，高重頻激光干擾效果越差。通過仿真結果，還可根據不同編碼體制選擇較低頻率的高重頻，在降低對激光器要求的同時達到較好的干擾效果。

［1］GAN Yuanliu，WANG Xiaofei.Development and analysis of the laser guided weapon［J］.Infrared and Laser Engineering，2008，37(Supplement):280－283.(in Chinese)

淦元柳，王曉飛.激光制導武器的發展動向與分析［J］.紅外與激光工程，2008，37(增刊):280－283.

［2］WEIWenjian，Qin Shiqiao，Zhan Dejun，et al.Research on laser encoding laser semi-active homing guidance［J］.Laser＆Infrared，2008，38(12):1199－1203.(in Chinese)

魏文儉，秦石喬，戰德軍，等.激光半主動尋的制導激光編碼的研究［J］.激光與紅外，2008，38(12): 1199－1203.

［3］ZHOU Zhongliang，HE Yongqiang，ZHOU Bing，et al.Study on identification of guiding laser code information［J］.Laser＆Infrared，2011，41(6):660－663.(in Chinese)

周中亮，何永強，周冰，等.制導激光編碼信息識別技術研究［J］.激光與紅外，2011，41(6):660－663.

［4］HUANG Feng，WANG Yuefeng，WANG Jingyu，et al.Study on application of high-repetition-rate solid state lasers in photoelectric countermeasure［J］.Infrared and Laser Engineering，2003，32(5):465－467.(in Chinese)

黃峰，汪岳峰，王金玉，等.高重頻固體激光器在光電對抗中的應用研究［J］.紅外與激光工程，2003，32 (5):465－467.

［5］XUE Jianguo，CHEN Yong.Research on the jamming effect of the high repetition laser to the laser guidance［J］.Aero Weaponry，2006，(3):30－32.(in Chinese)

薛建國，陳勇.高重頻激光對激光導引頭的干擾研究［J］.航空兵器，2006，(3):30－32.

［6］LIHui，LIYan，LIU Bingfeng，et al.Status，development and key technique analysis of laser jamming technology［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，48:081407.(in Chinese)

李慧，李巖，劉冰鋒，等.激光干擾技術現狀與發展及關鍵技術分析［J］.中國激光，2011，48:081407.

［7］ZHANGHengwei，ZHAO Wei，JI Xiang，et al.Jamming effect of the high-repetition-frequency laser to the laser seeker［J］.Elector-Optec Technology Applic-Ation，2009，24(1):26－28.(in Chinese)

張恒偉，趙威，冀翔，等.高重頻激光對激光導引頭的干擾效果［J］.光電技術應用，2009，24(1):26－28.

［8］ZHU Chencheng，NIE Jinsong，TONG Zhongchen.Analysis on themode of high repetition laser jamming［J］.Infrared and Laser Engineering，2009，38(6):1060－1063.(in Chinese)

朱陳成，聶勁松，童忠誠.高重頻激光干擾模式的分析［J］.紅外與激光工程，2009，38(6):1060－1063.

［9］LIShimin，HUANGWeiling.Principles and design of laser apparatus［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2005.(in Chinese)

李適民，黃維玲.激光器件原理與設計［M］.北京:國防工業出版社，2005.

［10］JU Yangfeng，MA Baoqiang，YAO Mei，et al.Encoding and jamming technology for laser guidance signal［J］.E-lectronics＆Optics Control，2007，14(1):85－87.(in Chinese)

巨養鋒，馬寶強，姚梅，等.激光制導信號的編碼和干擾技術［J］.電光與控制，2007，14(1):85－87.

［11］YING Jiaju，HE Yongqiang，ZHOU Zhongliang，et al.A method for decoding laser-pulse series based on autocorrelationmatrix statistic［J］.Electro-Optic Technology Application，2009，24(4):10－12.(in Chinese)

應家駒，何永強，周中亮，等.基于差分自相關矩陣的激光脈沖編碼識別［J］.光電技術應用，2009，24(4): 10－12.

［12］WEIWenjian.Key techniques and system study on HWIL simulation for laser Guidance and electro-optical countermeasures［D］.Changsha:National University of Defese Technology，2010.(in Chinese)

魏文儉.激光制導光電對抗半實物仿真關鍵技術與系統研究［D］.長沙:國防科技大學，2010.

Research on the effect of high-repetition-frequency laser jamm ing on different coding systems

ZHAO Qian，LIU Zhi-guo，WANG Shi-cheng，ZHANG Shuai
(The Second Artillery Engineering University，Xi’an 710025，China)

Focusing on the fact that the study of high-repetition-frequency laser jamming to different coding systems is little，the normalized cross-correlation function is adopted to quantify the effectof high-repetition-frequency laser jamming on different coding systems in classification process.Simulation results indicate that the effectofhigh-repetitionfrequency laser jamming to different coding systems exists differences;When the laser frequency exceeds120kHz，the efficiencies of the jamming to different coding systems are almost100%and there is no significant difference between the coding systems.

laser jamming;high-repetition-frequency;coding system;jamming effect

TN977

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.014

1001-5078(2014)04-0414-05

趙 乾(1991－)，男，碩士生，研究方向為激光制導仿真、激光對抗。E-mail:zhaoqian_cool@163.com

2013-08-23

book=418,ebook=341