半主動激光導引頭抗后向散射干擾

劉 輝， 谷瓊瓊， 李英博， 謝園華

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

激光半主動制導武器具有精度高、成本低、戰術運用靈活等優點，是目前裝備量最大、應用范圍最廣的一類精確打擊武器，被廣泛地應用于無人機搭載武器。美軍在阿富汗戰爭中使用RQ-1“捕食者”無人機發射“海爾法”激光半主動尋的制導彈，摧毀了一輛塔利班的坦克［1］。中國航天空氣動力技術研究院研制的新型“察打一體”無人機搭載XX-1型激光制導導彈，精度達0.2 m。試驗和實戰中發現激光制導武器在現代戰爭中發揮的作用越來越大，暴露出的弱點也越來越明顯，激光制導武器制導激光波長短，容易受大氣后向散射干擾、煙幕干擾、激光涂料隱身技術干擾、有源干擾［2］。本文針對后向散射干擾，從提高導引頭系統接收帶寬，增強系統信號提取和處理能力等方面入手，提出了一種激光半主動導引頭抗后向散射干擾方法。

1 激光半主動制導武器后向散射干擾原理

激光的波長短，大氣塵埃、云霧、雨水等的組成顆粒大小在微米量級，與激光的波長在同一數量級上，激光信號在空氣中傳輸的過程中，大氣環境對激光信號的傳輸會起到衰減、散射和衍射作用，從而使激光傳輸光路發生改變，激光信號空間反射和散射示意圖如圖1所示。

圖1 激光半主動導引頭后向散射干擾示意圖

激光半主動導引頭受大氣環境中微塵顆粒和水氣顆粒的散射干擾，日光對激光波束的干擾，目標周邊復雜環境對激光的散射干擾等［3］，使激光傳輸光路發生改變。導引頭激光探測器接收到這些干擾的信號回波，會得出錯誤的解角信息，對導引頭的正常跟蹤造成干擾，嚴重時可能造成整個導彈偏離目標方向，進而丟失目標。針對激光制導武器的這些特點，在產品設計和實戰應用中必須考慮相關問題。在激光制導導引頭的設計過程中，必須采取特殊的方法對后向散射干擾信號加以識別和抑制，才能確保激光主波束通路順利落在激光探測器上，從而實現激光半主動導引頭的抗后向散射干擾跟蹤。

2 激光半主動導引頭抗后向散射干擾方法

激光半主動制導體制，是將激光照射雷達安置在地面進行地面指示或安置在飛機上進行機載指示，導彈上的激光探測器接收目標反射光束，從而對目標進行探測跟蹤。激光半主動導引頭接收目標反射回波信號，多采用四象限探測接收控制方式，解算激光脈沖信號在四象限探測器上的成像誤差，通過對目標回波的光學特性進行檢測，解算彈目視線角度信息，從而實現精確制導控制。

（1）精確頻率匹配波門和距離同步波門控制抗干擾方法

大氣中的粉塵顆粒、氣溶膠以及目標附近的地物地貌對激光信號的傳播，形成后向散射干擾信號，干擾導引頭對目標真實回波的正常截獲。激光指示器與導彈分處兩處，若照射光路與接收光路之間的角度較大，則后向散射干擾較弱，通過目標角位置精確預置技術和精確頻率匹配接收技術［4］，導引頭能夠正確接收目標回波信號。地面指示器工作模式情況時，由于地面指示器激光存在束散角，激光照射傳輸過程容易產生貼合地面的地物后向散射干擾。對于激光指示器與導彈同處在一架飛機上的同機照射情況，照射光路與接收光路無法從物理上分開，大氣后向散射干擾極易進入導引頭跟蹤系統。同機照射有照射同步信號控制回波接收情況，如圖2所示采用距離同步波門技術，控制回波信號的到達時間，結合精確頻率匹配控制，能有效抑制大部分照射光路上的后向散射干擾。

（2）首/末脈沖判決鎖定抗干擾方法

圖2 距離同步與精確頻率復合控制回波接收示意圖

地照模式照射光路與地面夾角很小，目標附近的地物情況復雜，地物對激光照射信號的二次或多次反射，與空中的大氣散射相比，不完全是超前的干擾，而是形成了超前/滯后的干擾信號。對于超前的后向散射干擾信號傳輸距離近，相對能量較強，而滯后的地物后向散射干擾傳輸距離較遠，能量較弱。采用首/末脈沖鑒別跟蹤方式可以有效對抗后向散射干擾。首脈沖鎖定是指導引頭只處理第一個進入波門且滿足預先編碼規律的激光信號，對波門內其余激光脈沖信號不進行處理，在系統信號處理能力有限的情況下，多采用首脈沖截獲的方式對目標進行跟蹤。末脈沖鎖定是基于后向散射和地物反射信號超前于真實目標反射信號，導引頭回波接收系統處理最后一個進入波門的激光信號。原理如圖3所示。

圖3 首末脈沖鎖定原理圖

運用先進的信號接收技術，增加光電信號接收帶寬，使目標回波信號和散射回波信號有效維持原來的狀態進入接收通道，放大后進入高速信號采集系統，利用高速信號處理機進行脈沖識別，從時域鑒別、空間角度鑒別以及能量強度上甄別出后向散射干擾信號和目標回波信號，實現抗后向散射干擾跟蹤。

3 激光半主動導引頭復合抗后向散射干擾跟蹤實現

在復雜后向散射干擾背景條件下，干擾信號和真實回波信號錯綜復雜，要實現抗干擾跟蹤，必須找到后向散射干擾信號與真實目標回波信號在傳輸距離（到達接收系統的時刻不同）、空間角度和能量上的差異。這些差異往往是細微的不明顯的，制導系統要在強干擾背景條件下檢測窄脈沖回波信號，就要求導引頭接收系統的信號處理帶寬足夠寬，在接收放大的過程中盡可能保持信號的特征量。目標和干擾信號存在模糊，信息量大的特點，因此導引頭對信號的識別、處理的復雜度較大。采用大動態高帶寬接收機保證信號完整接收，高速信號處理機實現信號識別分選，實現導引頭對目標的強干擾背景下的跟蹤。

（1）大動態高帶寬接收機設計

激光脈沖信號由四象限探測器接收形成微弱的光電流信號，經前置跨導放大器轉換成脈沖電壓信號，信號的脈寬會有所展寬，如圖4所示，10 ns會展寬到約50 ns。對于中頻放大電路設計考慮與四象限探測器前放帶寬相匹配，選用具有低噪聲、高速運算放大器，實現對激光回波脈沖信號的放大接收處理，采用匹配濾波技術，有效提取微弱激光回波信號，優化電路設計保證四路信號通道的一致性，同時要抑制各個通道之間的串擾、增大隔離度，以達到提高視線角度測量精度、提高接收機可靠性的目的。

圖4 脈沖回波中放輸入信號

圖4 中信號的周期是50 ms，信號脈沖的寬度是50 ns左右，信號的幅度Ui是0～2 V的范圍，背景噪聲是2 mV，信號頻譜的寬度很寬，放大器的帶寬至少要做到50 MHz以上，輸入信號的動態范圍為60 d B左右，放大器的增益設計為65 d B。接收機主要由四象限雪崩光電探測器、可控高壓電源、前置放大電路、中頻電壓放大器、峰值保持電路、同步比較電路組成，原理框圖如圖5所示。

圖5 接收機系統原理框圖

四象限雪崩光電探測器將接收到的脈沖光信號轉換為電信號，由前置放大器完成初步的放大，將光電二極管輸出的電流信號轉換為電壓信號，然后由可變增益放大器放大成一定幅度的視頻信號，該信號一方面經峰值保持電路，將窄脈寬展寬至一定寬度后送后級AD采樣電路，時刻鑒別電路處理后形成采樣同步信號，送后級信息處理機單元進行同步處理。采用高速采集電路設計方案則直接從中頻放大器輸出進行采樣，進行脈沖識別，及脈沖內解角運算。

（2）高速信號處理機設計

使用E2V公司的高速模數轉換（ADC）芯片［5］，結合 Xilinx Kintex-7 FPGA 芯片以大于300 MHz的采樣率將中放電路獲取的激光回波信號高速采集并轉換為數字信號，通過高速差分串口送給FPGA，原理如圖6所示。

圖6 高速和低速信號處理系統

高速信號處理機對高速采集的數據進行實時處理，經過數字濾波器去除噪聲信號，用起泡算法在這些數據里提取峰值，以峰值為中心還原脈沖信號，實現脈沖信號的識別和脈寬檢測。原理示意圖如圖7所示。

高速采樣系統提高了信號處理機的處理速度，增強了目標信息的辨識能力，能夠從復雜干擾背景信號中通過脈沖到達的時間先后，快速解算空間出各個時刻的回波角位置信息，分辨提取出目標真實回波信號的信息，從而提高激光半主動導引頭的抗干擾能力，實現激光半主動導引頭抗后向散射干擾跟蹤。

圖7 高速采樣系統與低速信號處理系統比較

4 激光半主動導引頭抗后向散射干擾跟蹤實驗

高速信號處理機和大動態寬帶接收機原理樣機，安裝到已有激光半主動導引頭上，經過前期的原理驗證和仿真試驗證明所設計的樣機能夠正常跟蹤，抗干擾算法不影響正常截獲，為了驗證抗干擾策略的有效性，將改進的導引頭與不加策略的導引頭進行外場跟蹤對比試驗。試驗選定上海長興島，激光照射器提供激光照射信號，實現對模擬目標的照射，照射頻率為20 Hz，照射器的照射功率為100 mJ，模擬目標為自制幕布，提供1.5 m×2.0 m的反射面積，激光照射器放置在距離目標1 150 m，照射光路和導引頭接收目標反射夾角5°。導引頭放置在車上的安裝支架上，導引頭跟蹤目標反射的激光信號，由遠及近模擬導引頭接近目標過程。

圖8所示，在地照模式，沒有同步信號的情況下，沒有抗干擾策略的導引頭跟蹤激光回波，導引頭向目標方向接近，初始導引頭截獲的能量很弱，但能穩定跟蹤，當距離目標400 m，時間120 s附近時，跟蹤框架角度突然變化能量陡增，從數據上可以看出，導引頭初始跟蹤到的激光回波不是目標主回波，而是后向散射干擾激光回波信號。

圖8 導引頭跟蹤后向散射干擾實驗數據

圖9 所示，在地照模式，沒有同步信號的情況下，有抗干擾策略的導引頭跟蹤激光回波，采用了抗干擾措施，在初始截獲過程中通過回波信號的能量、脈沖的甄別、脈沖到達時間、首末脈沖特性，將后向散射干擾信號卡在了波門之外，導引頭向目標方向接近，直至到達目標附近，數據都是正常的，導引頭接收到的目標回波能量與理論回波能量值相符，證明抗后向散射干擾策略有效。

圖9 導引頭抗后向散射干擾跟蹤實驗數據

5 結論

隨著激光制導武器在現代戰爭中廣泛應用，暴露了很多實際問題，出現了激光制導武器受大氣后向散射干擾而失效的案例。本文針對實際應用中導引頭受后向散射干擾問題，從提高導引頭系統接收帶寬，增強系統信號提取和處理能力等方面入手，提出了一種激光半主動導引頭抗后向散射干擾方法，研制了抗干擾信號處理機樣機，應用到激光半主動導引頭上，實驗結果表明能夠有效對抗大氣后向散射干擾，使激光半主動導引頭能夠在復雜環境背景下，有效提取并處理真實目標回波的制導信息，對提高激光半主動導引頭戰場適應能力具有重要意義。