基于不同放大电路的高重频激光干扰效果分析

梁巍巍，殷瑞光，张文攀，赵宏鹏，李 波

(中国洛阳电子装备试验中心，洛阳471003)

引 言

随着精确制导技术的逐渐成熟，精确制导武器成为现代战场的主角。半主动激光制导武器由于具有精度高、成本低和战术运用灵活等优点，是目前装备量最大、应用范围最广泛的一类精确制导武器［1］。为了对抗精确制导武器，各国都在大力发展相应的对抗技术，针对半主动激光制导武器的对抗技术也在飞速发展之中。随着激光技术的发展，如二极管抽运固体激光器(diode pumped solid-state laser，DPSSL)的出现［2］，高重复频率、大单脉冲能量的激光器日益成熟，高重频激光干扰半主动激光制导武器成为现实。由于其具有无需编码识别、实施简单、实时性好的优点，已成为一种极具前途的干扰方式，受到越来越多的关注［3-13］。目前，对高重频激光干扰技术的研究主要集中在干扰机理分析和抗干扰方法方面，针对高重频激光干扰尚无基于电路级别的干扰效果分析报道。

1 高重频激光干扰机理

半主动激光制导武器使用波门作为基本的抗干扰手段，选通波门的宽度约为几十微秒，有效降低了激光角度欺骗干扰的干扰效果。高重频激光干扰主要是利用高重频激光干扰信号，针对目标搜索阶段和末端制导阶段的半主动激光导引头，遮蔽目标的漫反射指示信号，使其无法分辨选通波门内的指示信号和干扰信号，使激光导引头对目标跟踪的不确定性大大增加，降低目标漫反射信号的截获概率，使激光导引头无法跟踪目标而迷盲，或形成错误的制导信号而被引偏，从而达到保卫目标的目的。

高重频激光干扰即利用高重复频率的激光脉冲作为干扰信号，使导引头选通波门内至少会有一个干扰脉冲，使其信号处理系统有较高概率丢失制导信号而处理干扰信号，干扰或阻塞导引头形成制导指令，从而达到干扰效果。针对高重频激光干扰，控制其重复频率f≥1/τ(τ为波门时间宽度)时，至少会有一个干扰信号在导引头波门内，当干扰信号超前于制导信号进入波门时，就会有效干扰导引头。

结合实验结果和总结以往文献研究的基础上［8-10］，高重频激光干扰成功的条件为:(1)干扰激光能够进入导引头视场;(2)干扰激光能量高于导引头探测阈值;(3)干扰激光信号能够超前于制导指示激光信号进入导引头波门;(4)干扰激光信号和制导指示激光信号能量在导引头同一能量阈值台阶上。

激光导引头一般采用实时波门和波门内首脉冲锁定机制，导引头识别进入波门的第1个脉冲信号为有效信号，波门内首脉冲与下一个周期波门的中心位置相隔制导信号周期T。

图1为高重频激光干扰原理示意图。图中实线段代表制导信号，虚线段代表高重频信号，实线方框代表波门，带箭头的实线段或虚线段代表波门内的有效首脉冲，T代表制导信号周期。如图所示，以制导过程中的6个波门为例:第1个和第2个波门为正常的制导信号周期，制导信号是波门内的有效首脉冲;当激光高重频干扰时，如第3个波门所示，高重频干扰信号会成为波门内的有效首脉冲，后一周期的波门位置由本周期波门内有效首脉冲信号位置确定，此时导引头波门位置将很快被干扰信号“牵引”离开制导信号位置，如第4个波门所示，波门的中心不再是制导信号;如第5个和第6个波门所示，导引头波门被拉偏，直至波门内不存在制导信号。需要说明的是，在实际的激光制导武器工作过程中，波门宽度比较窄，制导指令周期远大于波门宽度，当制导指令信号被高重频干扰拉偏出波门，只有很小的几率重新进入波门。这就是说高重频激光干扰时，会有很大的几率使导引头波门内没有制导信号。在这种状态下，就算激光高重频干扰停止，由于导引头波门内没有制导信号，导引头会重新进入搜索状态，需要经过一段时间后，导引头才能重新捕获制导信号进入末制导状态，这种现象称之为高重频激光干扰牵引效应。

Fig.1 Schematic diagram of high-repetition rate laser jamming

2 放大电路

半主动激光制导武器一般采用地面指示、空中它机指示或本机指示等几种目标指示方式，假设目标为标准朗伯漫反射体，指示激光传输到导引头的能量密度为［14］:式中，Et为指示激光脉冲能量;τa(R)为指示激光路径上激光大气透射率;τa(D)为导引头接收漫反射激光路径上的激光大气透射率;ρ为目标表面对激光的漫反射系数;φ为目标视线与目标表面法线的夹角;R为指示激光器至目标距离;D为导引头至目标距离。

可以看出，导引头前的激光能量密度εr与导引头至目标距离D的平方成反比。在半主动激光制导武器的整个作战过程中，导引头前的激光能量密度的变化范围非常大，经过探测系统光电转换为电信号，其振幅范围可从几十微伏到几伏，信号的动态范围可以达到100dB甚至更大。为了满足在远距离时导引头能够探测目标信号，导引头放大电路组件需要高增益放大输出，以保证导引头能够远距离捕获目标;随着距离变小目标信号会增加，直到导引头至目标距离很近(截断距离)时，目标信号的强度将增加几万倍，而此时放大电路组件需要以低增益放大输出，保证导引头能够不饱和不阻塞，保持稳定工作。大动态范围的输入信号带来了很多问题，一方面，线性放大器无法处理这样宽的动态范围;另一方面，后续模数转换过程中，在保证分辨率的情况下，模数转换器的位数会随着动态范围的增大而增大，导引头放大电路的输出信号需要传递给后续信息处理电路提取出目标角误差信号，信息处理电路只能处理幅度变化不大的输入信号，信号过强过弱或忽大忽小都会使其失效。因此，在处理大动态范围信号时，通过放大电路，常常将其动态范围压缩到一个可以处理的程度，来保证信号幅度的平稳性，在工程应用中，动态范围的压缩分为“线性压缩”和“非线性压缩”，线性压缩是指放大器的输入输出成线性关系，放大器输出幅度基本保持恒定，以自动增益控制电路最为常见，非线性压缩方面最常见的就是对数放大电路［15］。

2.1 自动增益控制电路

自动增益控制(automatic gain control，AGC)电路是一个自动幅度调节系统，当输入信号的幅度在很大的范围内变化时，严格控制放大器的增益，使其输出信号的幅度保持不变或只在很小的范围内变化，从而达到动态范围压缩的目的。

图2所示为自动增益控制电路原理框图。当探测器接收到信号后，首先由探测器前置放大器对信号进行放大，进入增益可控放大器进行放大，一路进入后续信息处理电路，另一路进入增益控制回路。增益控制回路中，首先输入信号进入电压比较器与预先设置的基准电压进行比较，经电压比较器比较、判别、计算后，电压比较器输出一个控制信号给增益控制器，增益可控放大器根据输入增益大小对信号进行放大，从而实现对信号的增益控制。可以看出，这种增益能自动跟随输入信号强弱而变化的要求，在电路中是通过反馈环路实现的。在环路中，返回控制网络对输出信号的微小变化进行取样检测，产生一个能反映输入变化的控制信号，并利用该信号去调节放大器的增益，从而抵消或削弱输入信号强度的变化，对输入信号进行了动态范围压缩，使其输出信号幅度能够稳定在一个小的范围内。

2.2 对数放大电路

对数放大电路是其输入与输出信号幅度之间为对数关系的放大器。对数放大器有两个显著的特点:(1)输入输出信号幅度成对数关系;(2)能实现动态范围的瞬时压缩。

对数放大电路在处理微弱的输入信号时，因为logN0=－∞，会与真正的对数特性有偏差。由于当变量很小时，函数可以做线性化处理，因此可以认为输入信号很小时，对数放大器处于线性工作状态(即增益固定)，当信号增大时，对数放大器中就会发生由线性放大状态向对数放大状态的过渡。如下式所示，为对数放大器的幅度特性:

式中，Uo为输出电压幅度;Ui为输入电压幅度;G为线性段增益;Ui，1为线性段和对数段交点处输入电压幅度;A，B为常数;N为对数底数。

图3所示为对数放大电路的原理框图。与自动增益放大控制电路不同，对数放大器对信号的动态范围的压缩不需要提取输入信号的电平来控制增益，其增益大小与信号的大小成反比，即对数放大电路可以使弱信号放大较大倍数，强信号放大较小倍数甚至不放大，从而达到输出信号与距离近似无关，最终达到增大动态范围、防止信号过强造成放大器阻塞、实现输入信号的瞬间归一化处理，有利于后续信息处理电路提取角误差信号，提高导引精度。

Fig.3 Block diagram of a log-ratio amplifier circuit

3 不同放大电路导引头的高重频激光干扰效果分析

导引头放大电路对输入的激光信号都进行放大，但信息处理电路仅对波门内的信号进行处理。导引头电路为了屏蔽太阳光背景辐射、后向散射等因素的影响，会设置几级能量阈值，利用前一个有效脉冲的信号幅度来确定当前信号的能量阈值，将低于能量阈值的脉冲直接剔除，保证导引头对目标信号的跟踪能力和对弱信号的抗干扰能力。

3.1 基于自动增益控制电路的高重频激光干扰效果分析

自动增益控制电路是一个闭环系统，对输入信号的响应需要一定的建立时间，即自动增益控制电路不能对信号进行实时放大，对信号幅度的变化需要一定的调节时间，才能设置好增益系数，完成信号放大。由于这种特性，使自动增益控制电路不能抗周期性强脉冲干扰，如高重频激光干扰。

高重频激光干扰时，制导信号处于两个高重频信号间隔时间里，当高重频信号强度强于制导信号时，由于增益控制电压的脉冲前沿存在着一定时间延迟，来不及达到使导引头增益处于线性状态的数值，导引头自动增益控制的增益系数来不及恢复到接收弱信号所需要的数值，使得制导信号放大倍数过小，制导信号放大后幅值太小，达不到本次能量阈值，形成不了截获信号，导致导引头对制导信号的丢失。

Fig.2 Block diagram of an automatic gain control circuit

图4为自动增益控制电路高重频激光干扰效果示意图。图中实线段代表制导信号，虚线段代表高重频信号，实线方框代表波门，带箭头的实线段或虚线段代表波门内的有效首脉冲。如第1个波门所示，由于自动增益控制电路的增益系数来不及调整，造成制导信号放大后幅值过小，导引头能量阈值屏蔽掉制导信号，虽然在时序上超前于高重频信号，导引头还是认定高重频信号为波门内有效首脉冲，使得高重频激光干扰有效，在后续几个波门中，由于高重频激光干扰牵引效应，波门被拉偏，直至制导信号不在波门内，高重频信号依然是波门内有效首脉冲，高重频激光干扰有效。

Fig.4 Schematic diagram of jamming effect of high-repetition rate laser based on AGC circuit

有研究报道［9］，在高重频激光频率不满足f≥1/τ时，高重频激光仍可使导引头丢失目标被阻塞或诱偏，分析其主要原因是导引头采用的是自动增益控制电路，当导引头探测器突然接收到干扰激光信号时，且由于高重频激光采用直射方式，高重频激光干扰信号能量远高于漫反射的指示信号，自动增益控制电路出现了瞬间调整反馈增益系数，由于能量阈值的关系，使导引头跟踪高重频干扰激光信号，丢失目标。此外，一般自动增益控制电路会设置多级增益系数调整机制，调整增益系数造成时间上有较大延迟。因此，如果导引头探测系统接收到一个大能量高重频激光信号，有可能造成导引头探测系统丢失多个周期的激光信号，使导引头丢失目标，不能建立正常跟踪，在这种情况下，即使不满足频率关系，高重频激光也可有效干扰导引头。

3.2 基于对数放大电路的高重频激光干扰效果分析

相比自动增益控制电路，对数放大电路可以完成对信号的瞬时放大，有效避免了由于增益系数来不及调整造成的制导信号丢失。面对高重频激光干扰，对数放大电路也有不同的响应。首先，由于对数放大电路是非线性放大，会引起信号的脉冲展宽［16］。高重频激光干扰导引头时，通常会有多个高重频信号进入波门内，脉冲之间间隔几微秒到几百纳秒，甚至更小;如果信号脉冲宽度过宽，会造成信号的粘联，阻塞导引头信息处理电路，造成识别目标困难或中断，无法处理信号，使激光制导武器不能击中目标。

其次，对数放大电路的另一特点是电路输出端的信噪比小于输入端的信噪比。这是由于对数放大电路是非线性放大，在输入端制导信号强于噪声信号，对数放大电路对制导信号放大倍数小，对噪声信号放大倍数大，造成其输出端信噪比总是小于输入端信噪比。已有相关文献报道［11］，认为高重频激光干扰信号具有随机噪声的特征，会加强导引头的噪声干扰，当高重频干扰信号进入选通波门后，对数放大电路会提高噪声强度，造成导引头探测系统信噪比降低，大大降低了导引头系统的探测识别能力，使选通跟踪波门无法正常跟踪目标的漫反射指示信号。因此，当导引头采用对数放大电路时，高重频激光造成的随机噪声干扰，会降低系统的信噪比，使激光制导武器更容易丢失目标，将提高高重频激光干扰成功的几率。

最后，导引头一般采用和差比幅电路提取制导指令信号，四象限探测器输出的4路信号放大对一致性要求较高，采用线性放大器一致性比较容易调整;对数放大器采用的是非线性放大，增益系数稍有偏差会就造成提取信号误差变大，4路信号一致性比较难保证，所以相比自动增益控制，激光导引头采用对数放大器4路信号一致性相对较差，高重频激光干扰时，采用对数放大电路的激光导引头更容易产生较大误差。

通过上面分析可以看出，高重频激光干扰是对抗半主动激光制导武器的有效干扰方式，但基于不同放大电路会有不同的作用效果。自动增益控制系统由于存在增益调整时间，不能完成对信号的瞬时放大，高重频激光干扰会导致制导信号被屏蔽;对数放大电路可以对信号进行实时放大，但是会造成信号脉冲展宽，降低系统信噪比和4路信号一致性，使激光导引头易被高重频激光干扰。因此，在分析高重频激光干扰效果时，需要考虑激光导引头采用不同放大电路所带来的影响。

4 结论

通过分析认为，高重频激光干扰的作用对象为导引头后续信号处理电路，基于高重频激光干扰机理，简述了高重频激光干扰牵引效应;其次分析了激光导引头大动态范围信号放大的必要性，介绍了自动增益控制系统和对数放大器的原理;最后，分别基于自动增益控制系统和对数放大电路，对高重频激光干扰效果进行了分析。结果表明，高重频激光干扰是一种非常有效的干扰方式，但具体作用方式因导引头采用放大电路的不同而不同;自动增益控制系统由于存在增益调整时间，不能完成对信号的瞬时放大，高重频激光干扰会导致制导信号被屏蔽;对数放大电路会造成信号脉冲展宽，降低系统信噪比和4路信号一致性，使激光导引头易被高重频激光干扰。在高重频激光干扰效果评估时，需要考虑激光导引头采用不同放大电路的因素。研究结果对高重频激光干扰效果评估具有重要意义。

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