高重频激光对激光制导武器的干扰机理分析

王云萍，张海洋，郑星元，冯 爽，赵长明*

高重频激光对激光制导武器的干扰机理分析

王云萍1，2，张海洋1，郑星元1，冯 爽1，赵长明1*

（1.北京理工大学光电学院，北京100081；2.北京跟踪与通信技术研究所，北京100094）

为了研究高重频激光对激光制导武器的干扰机理，根据高重频激光干扰原理，建立了半主动激光制导导引头编码识别模型、时间波门模型、多信号处理模型和干扰信号调制处理模型等相关理论模型，提出了导引头干扰有效的3σ判定准则。在此基础上重点研究了多源干扰和信号调制特性对高重频激光干扰效果的影响，并进行了仿真系统测试。结果表明，多源干扰和干扰信号频率调制能够有效增强干扰效果，干扰信号幅值调制对干扰效果改善作用并不明显。该研究结果将为高重频激光干扰效果评估和高重频激光干扰系统应用提供理论参考。

激光技术；高重频激光；激光导引头；干扰机理；效果评估

引 言

高重频激光脉冲能够有效对抗半主动激光制导武器［1］。高重频激光对半主动激光制导武器的干扰效果，很大程度上取决于导引头信息处理部分的抗干扰措施，同时还取决于干扰信号的样式以及干扰方式的运用，与双方的设计密切相关。由于高重频激光干扰脉冲重复频率非常高，干扰激光脉冲信号特性比较复杂，而且激光导引头可能采用编码识别、时间波门和首脉冲锁定等多种抗干扰措施，因此，关于高重频激光对激光导引头的干扰机理比较复杂［2-7］，有待进一步深入研究。本文中建立了干扰机理分析模型，并基于不同的导引头信号处理特性，研究了多源干扰和干扰信号调制特性对半主动激光导引头的干扰效果，为高重频激光干扰效果评估和高重频激光干扰系统应用提供参考。

1 高重频激光干扰基本原理

高重频激光干扰不需要知道敌方的重复频率、码型等制导参量，只要激光脉冲的重复频率足够高，保证干扰脉冲能够进入敌方导引头的时间波门，就可能影响导引头提取目标信号，最终使制导武器偏离攻击，达到干扰的目的。高重频激光干扰原理如图1所示。

Fig.1 Diagram of high-frequency laser jamming principle

2 干扰机理分析模型

2.1编码识别模型

由于使用得比较多的是精确频率码和脉冲间隔编码，下面主要建立这两种编码的数学模型。

对于精确频率码，是指编码的激光脉冲间隔T0在整个照射周期内固定不变，其脉冲序列为：

在识别的时候，需要根据2个或3个脉冲确定脉冲时间间隔，进而准确地确定脉冲的重复频率，即可识别码型。

对于脉冲间隔编码，假设激光导引头预先设置的脉冲位数为n，周期为T，编码方式为Pi，则有：

假设导引头接收到一串激光脉冲序列为tj，下标j为接收到的激光脉冲序号，则设立一个参量Qji：

式中，Δτ为信号识别的时间范围。设j取k值时，计算Qki与Pi相等，则导引头识别出的制导回波信号的时间为tk+T。

2.2时间波门模型［8-10］

一般情况下激光导引头都会对信号的采集设置时间波门控制，相当于对连续时间的信号在时域上进行加窗处理，得到时间窗内的信号。下面分为固定波门和实时波门两种情况建立模型。

对于固定波门，当导引头识别出目标回波信号后，第k个周期第i脉位的波门打开时间为：

式中，ΔT为波门的设置宽度，相应的波门关闭的时间为tki′＝tki+ΔT。

对于实时波门，假设上一次接收到脉冲的时间为tm，在制导信号的周期中对应的脉冲位数为m，下一个脉冲对应的脉冲位数为l，则下一波门打开的时间为：

相应的波门关闭时间为tl′＝tl+ΔT。对每个波门内的波形进行采集数字化后，即可得到每一帧数据的信息，根据所需进行判别选取，即可得到所需的信号信息。

2.3多信号处理模型［8-10］

高重频干扰时，激光导引头在一个波门内接收的激光信号可能不止一个，采用首脉冲锁定时，则导引头认为波门里的第1个信号为制导信号。假设有多台高重频干扰机同时干扰激光制导武器，其中序号为i的高重频激光干扰机发射的激光脉冲序列被激光导引头接收到的时间为：式中，ti为第i台激光干扰机发射第1个脉冲的时间；fi为第i台激光干扰机的重复频率；Rij为第i台激光干扰机第j个脉冲发射时干扰机到激光导引头的距离；c＝3×108m／s为光速。

假设第l个波门的前、后沿时间分别为t1l和t2l，则最靠近此波门前沿的第i台激光干扰机发射的干扰信号的序号为：

则第Ni（l+1）脉冲干扰信号被导引头接收到的时间til，由（8）式计算。如果til＜t2l，则此干扰信号就是第i台干扰机进入第l个波门的第1个信号。此时，导引头接收制导回波信号的时间为：

式中，R1为导引头识别出制导回波信号时的弹-目标距离；Rl为实时波门的第l－1个波门接收到制导回波信号时的弹-目标距离；R2为与第l个波门接收的制导信号发射时的弹-目标距离。

如果最靠近波门前沿的信号与后续信号时间间隔很小以致不能被分辨，则在理论上这两个信号应被作为一个信号处理。但考虑到波门的宽度为数十微秒到数百微秒，而调Q激光的脉冲宽度只有十几个纳秒，假设导引头探测系统能够快速响应激光脉冲信号或者对激光脉冲信号展宽很小，则两个信号时间间隔很小以致不能被分辨的概率很小，所以，只要比较各台干扰机进入波门的第1个信号到达激光导引头的时间和制导信号到达激光导引头的时间，激光导引头只处理最靠近波门前沿的信号。

若采用的不是首脉冲检测的方式进行判定，则需要根据不同的算法进行实现，例如采用峰值保持电路（数字峰值采样），则不需要对脉冲位置进行判别，只需要选取最大峰值点作为有用信号即可。

2.4扫幅和扫频信号处理模型

2.4.1 扫幅模型 对于扫幅，是指高重频激光脉冲幅值按照一定的函数变化，假设其变化函数为：式中，A0为信号未加调制时初始幅值；ω为信号扫描的角频率。

导引头接收时，假设为固定波门，接收时间为指示光周期的M倍，此时接收波门内指示光个数为M，则波门内中心位置的干扰光的幅值为：

式中，Δt为脉冲时间间隔。

2.4.2 扫频模型 对于扫频，则指高重频激光脉冲的频率按照一定的函数变化，假设其变化规律按照锯齿波形变化，表达式为：

式中，A′是一个系数，扫描周期T为：

若存在多个脉冲，则：

式中，fs为指示光频率；Δf为扫频步长；fmax，fmin为扫频的最大值和最小值。

导引头波门中心位置的频率为：

3 干扰效果分析

3.1干扰有效的判别准则

在进行下述干扰效果分析时，通过对干扰前后的数据处理，基于统计学观点建立干扰效果分析模型。

在无干扰时，假设导引头输出目标的位置服从以r0为中心、标准差为σ的正态分布，则目标位置r处的概率分布为：式中，x，y分别为r对应的横坐标和纵坐标。

若干扰后，导引头输出的目标位置位于±3σ以外，则认为干扰有效：

式中，fs为目标指示激光脉冲的频率，单位为Hz。

3.2干扰效果仿真结果分析

3.2.1 多干扰源对干扰效果的影响 假设同时存在两个干扰源，频率均为100kHz，干扰源之间不存在相关性，进入波门的时间差为半个周期，干扰源1的位置重心在第一象限，干扰源2的位置重心在第二象限，对应的能量值如表1所示。

根据上述干扰有效的判别准则，首先统计处理无干扰时段导引头输出的目标的位置数据，获得目标位置中心值（均值）r0和均方根误差σ。之后，统计处理实施干扰时段t内导引头输出的目标位置的总个数N，依据（18）式计算干扰有效的次数Ne，并按照下式计算干扰有效的概率P：

Table 1 Location of the target and interference sources with dual-source interference simulation

干扰源1单独存在时，其干扰概率为20.6%，如图2所示。干扰源2单独存在时，其干扰概率为19.77%，如图3所示。两个干扰源同时存在时，干扰成功的概率为37.38%，如图4所示。图中坐标原点为指示信号的坐标分布图，第一象限和第二象限点为干扰之后的坐标点，左上图为干扰的时域波形，前半段未加干扰，后半段加上相应的干扰，右上图为未加干扰时坐标分布图，左下图为在干扰作用下的概率分布，右下图为干扰作用下的坐标分布图。

3.2.2 干扰信号调制对干扰效果的影响 若高重频激光器发射单一频率干扰光，可能会被导引头接收系统识别干扰频率进而进行剔除处理，从而达到干扰效果失效，因此考虑干扰光频率和幅值按照一定的规律变化，仿真界面如图5所示。

Fig.2 Individual results of interference source 1

Fig.3 Individual results of interference source 2

Fig.4 Results of double interference sources

Fig.5 The simulation interface of interference effect under jamming signal modulation

（1）干扰激光幅值调制对干扰效果的影响

假设高重频激光干扰脉冲幅值按照正弦频率A（1+0.5cosθ）变化，扫幅变化区间为幅值的0.5倍～1.5倍，按照波门内的脉冲个数为1，2，3，4，6，分别仿真导引头时间波门内不同干扰脉冲个数时的干扰效果。图6为时间波门内有4个脉冲的扫幅结果，左上图为前段时间为未加干扰，后半段时间为加上扫幅干扰的波形，左下图为干扰光存在时的坐标概率密度。可以看到干扰光干扰合成位置不固定，分布在干扰源和指示目标的连线上。

Fig.6 Results of amplitude-sweep with four pulses in the time gate

图7 为干扰效果与扫幅关系仿真图，图中，y1表示固定幅值的测试结果，y3表示扫幅条件下的测试结果，可以看出对干扰激光能量进行调制对于抗干扰效果的影响不是很大。

Fig.7 Simulation image of the relationship between interference effect and amplitude-sweep

（2）干扰激光频率调制对干扰效果的影响

假设高重频激光的频率按照锯齿波形变化，其变化步长通过Δf设定，频率从100kHz～1MHz扫描变化，导引头的时间波门固定为10μs，仿真结果见图8。

Fig.8 The relationship between interference effect and freq-sweep step

由仿真结果可以看出，相对于固定频率可被抗干扰算法剔除而言，扫频的干扰效果比较明显，但是应该注意扫频步长不宜过大。对于扫频而言，保证幅值不发生变化、控制频率为单一变量，则干扰效果差异主要体现在中心频率上以及扫描步长，中心频率越高干扰效果越明显。

4 结 论

建立了高重频激光与激光导引头相互作用模型，提出了导引头干扰有效的3σ判定准则，在此基础上重点研究了多源干扰和信号调制对干扰效果的影响，结果表明，多源干扰和干扰信号频率调制能够有效增强干扰效果，研究结果将为高重频干扰效果评估提供理论参考。

［1］ XIE X Ch.Performance of high-repetition-rate laser jamming laser seeker［J］.Aerospace Electronic Warfare，2005，21（5）：23-25（in Chinese）.

［2］ ZHU Ch Ch，NIE JS，TONG Zh Ch，et al.Analysis on the mode of high repetition laser jamming［J］.Infrared and Laser Engineering，2009，38（6）：1060-1063（in Chinese）.

［3］ ZHANG H W，ZHAOW，JIX，et al.Jamming effect of the highrepetition-frequency laser to the laser seeker［J］.Electro-Optic Technology Application，2009，24（1）：26-28（in Chinese）.

［4］ XU P Ch，SUN X Q.Analysis of high repetition frequency laser interference with real time gate signal［J］.Electro-Optic Technology Application，2005，20（1）：21-23（in Chinese）.

［5］ TONG Zh Ch.Simulation research on ahead-time of laser-angle-cheating jamming signal［J］.Journal of China Ordnance，2008，29（5）：633-636（in Chinese）.

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

［7］ XU D Sh，WANG JY.Interactional effect between a suppressive laser jammer with high frequency and a laser guidance system［J］.Chinese Journal of Quantum Electronics，2006，23（2）：209-211（in Chinese）.

［8］ TONG Zh Ch，SUN X Q，YANG X W.High-PPS laser jamming technology based on ballistic simulation［J］.Electronics Optics＆Control，2008，15（3）：14-18（in Chinese）.

［9］ TONG Zh Ch，SUN X Q，YANG X W，et al.Simulation of laser-barrage-jamming for laser-guided weapon［J］.Journal of Ballistics，2008，20（1）：106-110（in Chinese）.

［10］ TONG Zh Ch，SUN X Q，HAN Ch L，et al.Modeling and simulation of laser jam for laser-guiding weapon［J］.Journal of System Simulation，2007，19（22）：5115-5119（in Chinese）.

Analysis of interference mechanism of high-frequency laser to laser guided weapons

WANG Yunping1，2，ZHANG Haiyang1，ZHENG Xingyuan1，FENG Shuang1，ZHAO Changming1
（1.School of Optoelectronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Institute of Tracking and Telecommunication Technology，Beijing 100094，China）

In order to study the interference mechanism of high-frequency laser to laser guided weapons，according to the principle of high-frequency laser interference，a series of related theoretical models such as semi-active laser seeker coded identification model，time door model，multi-signal processing model and interference signal modulation processing model were established.Then the 3σcriterion was proposed for interfering the seeker effectively.Based on this，the study of the effect of multi-source interference and signal characteristics of the effect of high repetition frequency laser interference were studied.According to the simulation system testing，the results show that the multi-source interference and interference signal frequency modulation can effectively enhance the interference effect.While the interference effect of the interference signal amplitude modulation is not obvious.The research results will provide the evaluation of high-frequency laser interference effect and provide theoretical references for application of high-frequency laser interference system.

laser technique；high-repetition-rate laser；laser seeker；jamming mechanism；evaluation method

TJ765.3+31

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.005

1001-3806（2014）01-0021-05

王云萍（1975-），女，博士研究生，主要从事激光对抗技术方面的研究工作。

*通讯联系人。E-mail：zhaochangming＠bit.edu.cn

2013-05-08；

2013-05-27