激光干擾點源紅外跟蹤系統敏感參數研究

鄒前進,張恒偉,柴國慶,王 非,王 東,苗錫奎

(中國洛陽電子裝備試驗中心,河南 洛陽 471003)

1 引 言

激光主動干擾點源紅外跟蹤系統的目的主要是使得跟蹤系統對目標跟蹤完全丟失(即光學鎖定斷開),或至少使得跟蹤系統對目標跟蹤能力下降。但跟蹤系統跟蹤能力下降意味著,目標仍可能處于導彈視場內,一旦干擾停止,跟蹤系統仍可以重新鎖定。因此,早期的光學鎖定斷開意味著更大的脫靶距離,如何獲取激光干擾干擾跟蹤系統敏感參數,對干擾效果評估、干擾系統設計意義重大。真實動態的外場試驗真實直觀,但試驗代價較高、風險較大。因此開展激光對點源跟蹤系統干擾敏感參數分析和近場縮比研究,對開展干擾設備研制和外場試驗具有重要借鑒意義。

2 激光對點源跟蹤系統干擾敏感參數分析

為不失一般性,這里以旭日式調制盤為例進行初步分析,調制盤如圖1所示。本文調制盤型點源跟蹤系統為AM調制盤式。

圖1 調制盤示意圖

圖1中上半圓為目標像點調制區,由多組圓心角相同的透光與不透光扇形相間配置而成；下半圓為半透明區。當目標像點處于調制盤內時,隨調制盤的轉動探測器接受到周期性光脈沖,從而得到目標信號[7]。當調制盤以角速度Ω=2πF等速旋轉時,產生以方波為包絡的矩形脈沖串,透過函數為τ(Ωt)如式(1)所示[7]:

(1)

式中,Δqk為導引頭失調角和調制效率度量,當目標處于中心Δqk=0,當目標處于調制盤邊緣Δqk=1；Ω為調制盤旋轉角頻率；θ為目標方位角;ω為調制盤載頻。

本文激光干擾系統采用電流調制,無激勵電流時無干擾激光輸出。不考慮直流分量,干擾函數簡化為兩個方波相乘的形式如式(2)所示:

Sg=Sg1rect(Ω1t+θ1)rect(ω2t+θ2)

緊接著在第三段，評論員指出：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為干擾激光輻射功率；θ1為外調制波形初相位,與時間相關；Ω1為干擾機輸出外調制頻率；θ2為干擾機重頻頻率初相位,與時間相關；ω2為激光重復頻率。

遠場情況下激光干擾源與目標近似處于同一幾何點上,輻射屬非相干光源,合成信號為兩者相加。合成信號與調制盤應遵循串聯網絡原理,為兩者相乘,經歸一化處理后合成信號透過函數如式(3)所示[8]:

FS(t)=(F+Sg)τ(Ωt)

(3)

式中,FS(t)為合成信號透過函數；F為目標輻射功率。

由信號處理原理,信號進入系統首先進行中心頻率為f=ω/2π的第一通帶濾波,然后進行檢波和中心頻率為F=Ω/2π的第二通帶濾波,最后輸出誤差信號。本跟蹤系統為幅度檢波器,并基于調制曲線的線性段進行線性檢波。根據其傳輸特性,并將式(1)、(2)代入式(3),進行傅里葉變換展開,并略去高次項、直流項、載頻項[5,9]。激光背對背干擾時,干擾激光重復頻率與調制盤載頻很難完全一致,因此首先分析干擾激光外調制頻率與跟蹤系統外調制頻率相等、載頻不同情況下跟蹤系統輸出的理想包絡信號,如式(4)所示。將式(4)包絡信號在陀螺進動放大器做進一步處理,此放大器被旋轉角頻率Ω附近調諧工作。此驅動信號使得旋轉陀螺轉動,驅動跟蹤系統進動。即跟蹤系統只對旋轉角頻率附近的直流慢變分量有響應。當不存在激光干擾時,調制盤在目標方向、正比于4Δqk/π2F的速率向目標進動；當存在激光干擾時,除了目標和干擾共同引起的進動向量外,還存在干擾引入的隨機擾動,此時跟蹤系統向目標和干擾向量的平衡點進動。

(4)

式中,第一項為目標位置信息項;第二項為虛假目標位置信息項;τ1為外調制脈寬；T1為外調制周期；τ2為激光重復脈沖寬度；T2為激光重復脈沖周期；式中其他參數定義與式(1)～(3)相同。

由上要求合成向量大于調制盤邊緣,跟蹤系統才能對目標的光學鎖定斷開。由公式(4)可知:(a)干擾激光平均功率Sg1大于一定值,才能使得合成向量大于調制盤邊緣,引起光學斷開；(b)增大干擾激光占空比τ2/T2可增加干擾效果,但需考慮干擾功率；(c)干擾激光外調制頻率應與調制盤外調制頻率一致；(d)增加外調制占空比τ1/T1可增加目標同向進動向量,可使得光學鎖定斷開效果增強；(e)增加干擾激光重頻,即減少T2可增加重復頻率占空比,但將導致單脈沖激光能量下降,將導致干擾性能下降；(f)外調制波形初相位θ1和干擾機重頻頻率初相位θ2為隨機量,導致了跟蹤系統進動方向的震蕩,從而導致干擾效果起伏,并可能是一個隨機的過程。

不同于多數參考文獻中要求干擾脈沖重復頻率必須與載頻相近或相等[10-11],本文分析和相關實驗結果都顯示:干擾激光重復頻率和導引頭載頻沒有特別嚴格的對應關系。干擾激光外調制頻率與跟蹤系統外調制頻率、載頻均相等下輸出理想包絡信號如式(5)所示,各項定義如式(4)。從理論上可加入更多干擾,但擾動的方向不一致,不一定能增加干擾效果。

(5)

同時得到干擾激光外調制頻率是跟蹤系統0.5倍和1.5倍外調制頻率,載頻均不等情況下理想包絡信號。如式(6)、(7)所示,各項定義如式(4)。

sin(Ω1τ1)cos(2Ω1t+2θ1)]

(6)

(7)

由式(6)可知:激光半外調制頻干擾時,由于干擾激光倍頻,功率損失較大,最終影響光學鎖定斷開速度。由式(7)可知:兩者外調制頻率應相近或相等,當不相等,甚至過大時,激光一倍頻干擾項不存在,很難形成干擾；當激光干擾外調制頻率與調制盤調制頻率相近,帶通濾波會引起響應降低,同時還引入一個周期性的擾動,此時干擾合成向量的平衡點在調制盤內周期運動,引起光學鎖定斷開速度降低。

綜上,激光對點源跟蹤系統干擾敏感參數主要包括干擾激光平均功率、外調制頻率和外調制占空比。干擾激光重復頻率和干擾激光脈沖制占空比應滿足激光器最佳工作狀態,以提高干擾激光功率。

3 激光干擾敏感參數實測驗證

在近場干擾跟蹤系統實驗中,目標、氣象條件和干擾距離等與實際存在差異。為與外場干擾試驗保持一致,需要對目標、氣象條件和激光干擾功率密度等進行等效模擬。典型實驗光路如圖2所示。本文跟蹤系統可以輸出目標截獲信號、電鎖信號、音響信號和基準信等,當電鎖信號處于搜索狀態,則跟蹤系統光學斷開。干擾激光系統采用光參量振蕩技術,將1.064 μm激光脈沖經過去雜散光、偏振處理之后,通過非線性晶體輸出為中紅外激光,能量、外調制頻率、占空比和激光重復頻率可調。使用中波衰減片對干擾激光功率進行衰減。使用COHERENT公司的PM10功率計對干擾激光進行測量監測,測量精度為1 mW。使用中溫黑體和可變光闌模擬目標。

圖2 激光干擾點源跟蹤系統實驗光路示意圖

3.1 目標模擬

模擬目標黑體溫度設定原則:(1)使得外場真實目標與近場中溫黑體在跟蹤系統光學系統入瞳處輻射照度相等；(2)使得外場真實目標與近場中溫黑體對應的立體角相等。實驗中首先利用紅外仿真計算軟件計算目標中波波段輻射；采用目前通用大氣輻射傳輸計算軟件MODTRAN,根據具體戰情氣象參數,計算中波波段內大氣路徑輻射亮度和透過率。根據相應公式[5],考慮路徑輻射亮度、路徑大氣衰減,可以得到中溫黑體輻射出射度如式(8)所示:

(8)

式中,MB為目標模擬黑體輻射出射度；Lareal為計算得到的目標真實平均輻射亮度；τpath為想定距離、氣象條件路徑衰減；Lpath為路徑輻射亮度；ST為目標輻射面積；θT為目標平面法線與視線夾角；lreal為想定距離；lN為模擬實驗距離；τN為近場實驗大氣衰減；ΔAB為黑體輻射面積；θB黑體平面法線與視線夾角。

根據普朗克公式,采用二分法求解普朗克公式可以計算目標的黑體等效溫度。實驗中根據戰情想定不同的地面氣象條件和目標參數,計算不同觀測角下的需要模擬的黑體溫度和面積。

3.2 干擾激光功率模擬

不考慮激光出口光斑大小情況下,干擾激光在某一位置處功率密度滿足式(9)關系[6]:

(9)

式中,E為跟蹤系統處激光功率密度；P為干擾激光輸出功率；θ為激光器束散角；l為干擾距離；τ為路徑大氣衰減。

需要在干擾激光出口放置衰減片才能使得近場跟蹤系統處干擾激光功率密度和外場想定目標處的相等,根據式(9)則激光衰減倍率滿足式(10)。

(10)

式中,η為激光功率衰減比；其他參數定義同式(8)。

實驗中根據衰減片倍率,并同時調整干擾激光器進行近場跟蹤系統處功率模擬。

3.3 典型實驗結果

對于跟蹤系統跟蹤視場及丟失目標后的搜索視場參數固定,且輸出的電鎖信號電壓與視場角存在固定關系。一般情況下激光干擾前后電鎖信號電壓差大于半視場和搜索視場之和電壓,則認為此時目標已處于跟蹤系統視場外,即跟蹤系統處于光學鎖定斷開狀態。根據上述設置,進行了多組不同激光功率、外調制頻率、外調制占空比和重復頻率下激光干擾跟蹤系統近場實驗。跟蹤系統干擾前后電鎖信號變化典型結果如圖3所示。

假定跟蹤系統掃描角頻率為Ω,載波角頻為ω,干擾激光外調制角頻率Ω1,重復角頻率為ω2。典型的干擾實驗結果統計如下:(1)即使外調制頻率和外調制占空比相同,干擾激光仍必須大于某一功率；(2)在外調制占空比為50 %、重復頻率為最低重復頻率N kHz、外調制頻率為Ω/2π、Ω/(2π±1)和Ω/4π時,激光可對跟蹤系統形成有效干擾,其他外調制頻率干擾無效；(3)重復頻率為NkHz、外調制頻率為Ω/2π,外調制占空比為50 %、60 %、70 %和80 %時可形成有效干擾；(4)在外調制占空比50 %、外調制頻率為Ω/2π、激光重復頻率為(N+1)kHz、(N+2)kHz、(N+3)kHz和(N+4)kHz下,激光未能對跟蹤系統形成有效干擾。實驗結果和上文敏感參數分析結果一致,因此干擾激光參數設計和試驗設置時應重點關注上述參數。

4 結 論

本文分析了激光干擾調制盤型點源跟蹤系統光學鎖定斷開的干擾激光敏感參數。根據分析結果和近遠場能量等效原則,在近場開展了激光干擾跟蹤系統光學鎖定斷開實驗,實驗結果與分析一致。分析和實驗均表明:激光干擾效果與激光功率、外調制頻率和外調制占空比密切相關,因此應實現干擾目標類型探測,以實現針對性干擾；干擾激光重復頻率和跟蹤系統載頻沒有特別嚴格的對應關系,應滿足最佳輸出功率可能更有意義。由于本文未考慮跟蹤系統飛控,因此嚴格要求光學鎖定斷開,干擾判據較為嚴格,下一步將開展整流程干擾結果研究。本文對小功率激光干擾系統設計研制和試驗開展具有重要參考意義。