高重頻激光對(duì)多激光制導(dǎo)武器干擾機(jī)理研究

羅 威,楊華兵,許鵬程,馬偉博

(空軍預(yù)警學(xué)院,湖北 武漢 430019)

1 引 言

激光角度欺騙干擾和高重頻激光干擾均是對(duì)付激光制導(dǎo)武器的有效手段。然而,對(duì)于偽隨機(jī)碼等復(fù)雜編碼激光制導(dǎo)信號(hào)[1],以及多目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的混合激光制導(dǎo)信號(hào),激光角度欺騙干擾設(shè)備難以做到快速識(shí)別告警和有效干擾[2-3]。高重頻激光干擾無(wú)需對(duì)激光制導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行解碼和復(fù)制,可以直接實(shí)施干擾。

針對(duì)單個(gè)激光制導(dǎo)武器目標(biāo),研究表明,高重頻干擾激光重復(fù)頻率和激光制導(dǎo)波門(mén)寬度對(duì)干擾效果影響最大,重復(fù)頻率越高則干擾概率越大[4-5];激光編碼樣式、放大電路等對(duì)干擾效果也有一定影響[6-7];此外干擾激光需要滿(mǎn)足峰值功率、脈寬、波長(zhǎng)等基本要求。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中常見(jiàn)發(fā)射多枚激光制導(dǎo)武器同時(shí)攻擊多個(gè)目標(biāo)情況,因此本文針對(duì)高重頻激光對(duì)多激光制導(dǎo)武器目標(biāo)干擾機(jī)理進(jìn)行了探討。此外,很多激光器難以同時(shí)達(dá)到高重復(fù)頻率和高峰值功率性能要求,用干直射目標(biāo)代替漫反射方式可降低功率要求[8],但需要高精度跟瞄裝置且存在自身安全問(wèn)題[9],因此需對(duì)降低重復(fù)頻率可行性進(jìn)行討論。本文對(duì)干擾激光重復(fù)頻率、干擾反應(yīng)時(shí)間、激光制導(dǎo)波門(mén)寬度、信號(hào)樣式等因素對(duì)干擾有效概率的影響進(jìn)行了研究分析,探討了提升高重頻激光干擾效果的方法。

2 高重頻激光干擾機(jī)理分析

為對(duì)抗轉(zhuǎn)發(fā)式激光干擾,半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器中普遍采用激光編碼和時(shí)間波門(mén)技術(shù)。激光編碼一般是指激光脈沖間隔編碼,如精確頻率碼和有限位隨機(jī)周期碼等;時(shí)間波門(mén)分為固定波門(mén)和實(shí)時(shí)性波門(mén),波門(mén)寬度一般設(shè)置為數(shù)十微秒量級(jí)[2],本文中主要討論固定波門(mén)。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)空對(duì)地打擊行動(dòng)中,如攻擊機(jī)場(chǎng)、橋梁、坦克集群時(shí),一般會(huì)發(fā)射多枚激光制導(dǎo)導(dǎo)彈同時(shí)打擊多個(gè)目標(biāo),即多個(gè)激光目標(biāo)指示器同時(shí)照射目標(biāo),這時(shí)將產(chǎn)生在時(shí)域、空域、頻域交疊重合的混合激光制導(dǎo)信號(hào)。以?xún)蓚€(gè)有限位隨機(jī)周期碼激光制導(dǎo)信號(hào)形成的混合信號(hào)為例,其激光脈沖和時(shí)間波門(mén)如圖1(a)所示。

圖1 高重頻激光對(duì)多激光制導(dǎo)武器干擾原理

高重頻激光干擾,是指采用高重頻激光器作為激光干擾源,直接或者通過(guò)假目標(biāo)反射方式向激光導(dǎo)引頭發(fā)射重復(fù)頻率足夠高的激光脈沖,如圖1(b)所示,使多個(gè)干擾激光脈沖進(jìn)入激光導(dǎo)引頭時(shí)間波門(mén)內(nèi),將制導(dǎo)信號(hào)淹沒(méi)在干擾信號(hào)中,致使干擾范圍內(nèi)激光制導(dǎo)目標(biāo)因提取不出信息而迷盲,或提取錯(cuò)誤信息而被引偏,如圖1(c)所示。

高重頻激光干擾效果取決于干擾信號(hào)進(jìn)入波門(mén)的個(gè)數(shù),且至少有一個(gè)干擾信號(hào)超前于制導(dǎo)信號(hào),制導(dǎo)信號(hào)位于波門(mén)中心附近且服從正態(tài)分布[5]。因此,本文假設(shè)當(dāng)干擾信號(hào)進(jìn)入波門(mén)的個(gè)數(shù)n≥2時(shí),認(rèn)為該波門(mén)內(nèi)制導(dǎo)信號(hào)被有效干擾。假設(shè)整個(gè)制導(dǎo)周期內(nèi)制導(dǎo)脈沖個(gè)數(shù)為M,被有效干擾的制導(dǎo)信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)為m,則高重頻激光干擾有效概率為:

(1)

當(dāng)同時(shí)存在多個(gè)激光制導(dǎo)目標(biāo)時(shí),本文認(rèn)為因當(dāng)單獨(dú)計(jì)算高重頻激光對(duì)每個(gè)目標(biāo)的干擾有效概率Pi,總的干擾有效概率Pt則為對(duì)每個(gè)目標(biāo)干擾有效概率之乘積。

Pt=∏Pi

(2)

3 高重頻激光干擾仿真計(jì)算

如前文所述,假設(shè)當(dāng)干擾信號(hào)進(jìn)入波門(mén)的個(gè)數(shù)n≥2時(shí),認(rèn)為該波門(mén)內(nèi)制導(dǎo)信號(hào)被有效干擾。只需統(tǒng)計(jì)整個(gè)制導(dǎo)過(guò)程中被有效干擾制導(dǎo)信號(hào)數(shù)量與制導(dǎo)信號(hào)總數(shù)量,就可以計(jì)算出有效干擾概率。

因此,本文基于統(tǒng)計(jì)算法,利用MATLAB軟件編寫(xiě)了高重頻激光干擾有效概率計(jì)算與分析軟件,軟件主界面如圖2所示。該軟件可以設(shè)置干擾激光信號(hào)重復(fù)頻率、干擾反應(yīng)時(shí)間和制導(dǎo)激光信號(hào)波門(mén)寬度、信號(hào)編碼樣式等影響因素參數(shù),可模擬生成混合激光制導(dǎo)信號(hào)和高重頻干擾信號(hào)并進(jìn)行可視化展示,并計(jì)算得到高重頻激光對(duì)多激光制導(dǎo)目標(biāo)的單一干擾概率和總干擾概率。

圖2 干擾有效概率計(jì)算與分析軟件主界面

如圖2所示,在圖2左上角可輸入兩種激光制導(dǎo)信號(hào)編碼參數(shù),支持4位以?xún)?nèi)任意隨機(jī)周期碼及重頻編碼信號(hào),圖左中部分可以設(shè)置兩種激光制導(dǎo)信號(hào)波門(mén)寬度、干擾激光重復(fù)頻率以及干擾反應(yīng)時(shí)間參數(shù)。圖左下部分分別展示對(duì)兩種激光制導(dǎo)信號(hào)的干擾有效概率以及對(duì)2個(gè)目標(biāo)總的干擾有效概率。圖右側(cè)部分則對(duì)制導(dǎo)激光信號(hào)、高重頻干擾激光信號(hào)、干擾結(jié)果等進(jìn)行可視化展示。

4 高重頻干擾有效概率分析

基于上述計(jì)算與分析軟件,對(duì)干擾激光重復(fù)頻率、激光制導(dǎo)波門(mén)寬度、干擾反應(yīng)時(shí)間、制導(dǎo)激光信號(hào)樣式等因素對(duì)干擾有效概率的影響進(jìn)行了研究分析。

4.1 重復(fù)頻率與波門(mén)寬度對(duì)有效概率的影響

考慮兩組激光制導(dǎo)信號(hào),均采用有限位隨機(jī)周期碼(簡(jiǎn)稱(chēng)編碼),制導(dǎo)信號(hào)一為4位編碼,脈沖間隔分別為{45 ms,47 ms,58 ms,61 ms},重復(fù)周期ΔT1=211 ms,高重頻干擾反應(yīng)時(shí)間t1=8.9001 ms;制導(dǎo)信號(hào)二同樣為4位編碼,脈沖間隔分別為{49 ms,57 ms,67 ms,72 ms},重復(fù)周期ΔT2=245 ms,反應(yīng)時(shí)間t2=11.9616 ms。仿真計(jì)算三種不同波門(mén)寬度B(0.015/0.02/0.025 ms)時(shí),高重頻激光干擾對(duì)多激光制導(dǎo)目標(biāo)總干擾有效概率與重復(fù)頻率的關(guān)系如圖3所示。

圖3 總干擾有效概率與重復(fù)頻率和波門(mén)寬度關(guān)系圖

由圖3可發(fā)現(xiàn),干擾有效概率與重復(fù)頻率和波門(mén)寬度均呈正比關(guān)系,即高重頻激光干擾的重復(fù)頻率越高,激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭波門(mén)寬度越寬,干擾有效概率越大。此外,當(dāng)按照前文所述n≥2時(shí)有效干擾的判別標(biāo)準(zhǔn),重復(fù)頻率f≤1/B時(shí),最多只有一個(gè)干擾脈沖能進(jìn)入波門(mén),干擾概率下降為0;當(dāng)重復(fù)頻率f≥2/B時(shí),最少有兩個(gè)干擾脈沖能進(jìn)入波門(mén),干擾概率為100 %。更換參數(shù)后多次仿真結(jié)果依然滿(mǎn)足上述結(jié)論。

重復(fù)頻率與波門(mén)寬度是干擾有效概率的主要影響因素,從干擾角度來(lái)說(shuō),應(yīng)當(dāng)盡量提高干擾激光的重復(fù)頻率;從反干擾角度來(lái)說(shuō),則應(yīng)盡量壓縮激光制導(dǎo)引導(dǎo)頭的波門(mén)寬度。

在多目標(biāo)干擾方面,若采用漫反射假目標(biāo)方式實(shí)施干擾,則單臺(tái)高重頻激光器就可以同時(shí)對(duì)多個(gè)激光制導(dǎo)目標(biāo)同時(shí)實(shí)施干擾,干擾過(guò)程相互獨(dú)立,對(duì)激光器重復(fù)頻率和峰值功率也沒(méi)有額外要求。

4.2 反應(yīng)時(shí)間與信號(hào)樣式對(duì)有效概率的影響

假設(shè)高重頻激光對(duì)制導(dǎo)信號(hào)一和信號(hào)二的干擾反應(yīng)時(shí)間相同,即t1=t2,其取值在8.91～8.99 ms區(qū)間,按照0.01 ms間隔遞增。制導(dǎo)信號(hào)一和信號(hào)二使用與上節(jié)相同4位編碼樣式,形成“編碼+編碼”組合。作為對(duì)照,增加制導(dǎo)信號(hào)三和信號(hào)四,其采用精確頻率碼即重頻編碼,脈沖間隔分別取值53 ms和61 ms,形成“重頻+重頻”組合。干擾激光重復(fù)頻率固定為90.1 kHz,計(jì)算得到高重頻激光干擾對(duì)多激光制導(dǎo)目標(biāo)總干擾有效概率與反應(yīng)時(shí)間和信號(hào)樣式關(guān)系如圖4所示。

圖4 總干擾有效概率與反應(yīng)時(shí)間和信號(hào)樣式關(guān)系圖

由圖4可發(fā)現(xiàn),隨著干擾反應(yīng)時(shí)間的變化,對(duì)“編碼+編碼”和“重頻+重頻”組合的總干擾有效概率均會(huì)產(chǎn)生一定起伏。“編碼+編碼”組合相比“重頻+重頻”組合,其抗高重頻干擾能力沒(méi)有明顯比較優(yōu)勢(shì)。總而言之,干擾反應(yīng)時(shí)間與激光制導(dǎo)信號(hào)樣式對(duì)總干擾有效概率的影響較小,且具有一定的隨機(jī)性。

另外,分析圖4中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),總干擾有效概率Pt數(shù)值存在一個(gè)循環(huán)周期,即Δt與Δt+1/f時(shí)對(duì)應(yīng)的Pt數(shù)值相同。此時(shí),高重頻激光脈沖相當(dāng)于向后移動(dòng)了一個(gè)脈沖,因此在時(shí)間波門(mén)內(nèi)出現(xiàn)的位置相同,顯然產(chǎn)生的總干擾有效概率也是相同的。

因此,在多目標(biāo)干擾方面,對(duì)于常見(jiàn)“編碼”和“重頻”激光制導(dǎo)信號(hào),干擾有效概率無(wú)明顯差別,即高重頻激光干擾無(wú)需對(duì)制導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別分析,收到激光制導(dǎo)告警信號(hào)可立即實(shí)施干擾。還可以考慮根據(jù)其他告警信息,在接收到激光制導(dǎo)信號(hào)之前先釋放高重頻激光干擾,這樣即不會(huì)降低總干擾有效概率,還有可能破壞制導(dǎo)武器發(fā)射條件和提前對(duì)制導(dǎo)過(guò)程實(shí)施干擾。

4.3 重復(fù)頻率取整對(duì)有效概率的影響

上述兩小節(jié)仿真計(jì)算中,重復(fù)頻率f均未取整數(shù)值(以kHz為單位),如圖3中f值分別為(35.1,40.1,45.1,50.1,…130.1,135.1,140.1 kHz),圖4中f值則為90.1 kHz。實(shí)際上f值取整數(shù)和非整數(shù)(以kHz為單位)對(duì)干擾有效概率會(huì)造成較大影響。

只考慮單個(gè)制導(dǎo)信號(hào),該信號(hào)為4位編碼;脈沖間隔分別為{45 ms,47 ms,58 ms,61 ms};重復(fù)周期ΔT1=211 ms;時(shí)間波門(mén)寬度B=0.020 ms;高重頻干擾反應(yīng)時(shí)間t1=8.9001 ms。此時(shí),f值取整數(shù)(如53,55,57,60,…kHz)和取非整數(shù)(如53.1,55.1,57.1,60.1,…kHz)的干擾有效概率如圖5所示。

圖5 重復(fù)頻率取整對(duì)干擾有效概率的影響

由圖5可發(fā)現(xiàn),f值取非整數(shù)時(shí),干擾有效概率P1隨f值增大而在[0,1]區(qū)間近似線(xiàn)性增大,與圖3結(jié)論基本一致。但當(dāng)f值取整數(shù)時(shí),干擾有效概率P1則只會(huì)出現(xiàn)(0,1)兩個(gè)數(shù)值,且隨著f值增大,0值出現(xiàn)概率減小,1值出現(xiàn)概率增大。分析其原因如下:令f=MkHz,則高重頻激光脈沖的時(shí)間周期為1/Mms;激光制導(dǎo)信號(hào)重復(fù)周期ΔT1=Nms,假設(shè)N為正整數(shù)。高重頻激光和制導(dǎo)激光混合后將形成一個(gè)新的周期信號(hào),混合后信號(hào)重復(fù)周期為1/M和N的最小公倍數(shù),此時(shí)高重頻激光脈沖在時(shí)間波門(mén)內(nèi)位置會(huì)重復(fù)出現(xiàn),即能夠進(jìn)入的脈沖數(shù)則是相同的。若M為正整數(shù),則混合信號(hào)重復(fù)周期為Nms,與制導(dǎo)信號(hào)相同,即能夠進(jìn)入每一個(gè)時(shí)間波門(mén)的脈沖數(shù)均相同,n≥2時(shí)P1=1,n≤1時(shí)則P1=0。若M為非整數(shù),如取63.11 kHz,即6311個(gè)高重頻激光脈沖的時(shí)間周期為100 ms,高重頻激光脈沖在時(shí)間波門(mén)內(nèi)位置重復(fù)出現(xiàn)的重復(fù)周期則為100與N的最小公倍數(shù),該重復(fù)周期為較大值(數(shù)秒或數(shù)十秒),而重復(fù)周期之內(nèi)干擾脈沖在時(shí)間波門(mén)內(nèi)位置則具有較強(qiáng)隨機(jī)性,干擾有效概率更符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

對(duì)于多目標(biāo)干擾而言,任意單個(gè)目標(biāo)未受干擾命中目標(biāo)則防護(hù)任務(wù)失敗。因此,高重頻激光實(shí)施多目標(biāo)干擾時(shí)必須減少不確定性,即重復(fù)頻率值應(yīng)當(dāng)盡量避免取整數(shù)值,并可以增加小數(shù)點(diǎn)位數(shù)。

5 結(jié) 論

高重頻激光干擾多個(gè)激光制導(dǎo)目標(biāo)時(shí),與干擾單個(gè)激光制導(dǎo)目標(biāo)類(lèi)似,重復(fù)頻率與波門(mén)寬度仍然是影響總干擾有效概率的主要因素,而干擾反應(yīng)時(shí)間與激光制導(dǎo)信號(hào)樣式對(duì)總干擾有效概率的影響較小,此外還發(fā)現(xiàn)重復(fù)頻率取整數(shù)則會(huì)增大干擾有效概率的不確定性。基于上述結(jié)論及高重頻激光干擾多激光制導(dǎo)目標(biāo)實(shí)際需求,本文針對(duì)性提出了 “一對(duì)多”、提前干擾、重復(fù)頻率避免取整數(shù)等改進(jìn)措施,研究結(jié)論可為提升高重頻激光對(duì)多激光制導(dǎo)目標(biāo)干擾效果提供參考。