激光角度欺骗干扰半实物仿真时间延迟特性研究

梁巍巍， 赵宏鹏， 殷瑞光， 李慧， 陈前荣

(中国洛阳电子装备试验中心， 河南 洛阳 471003)

0 引言

半主动激光制导武器具有精度高、结构简单、易于实现和性价比高等优点，在海湾战争、伊拉克战争中都有大规模使用，受到世界各国越来越多的重视[1-2]。面对战场上日益增长的激光制导武器威胁，针对激光制导武器的对抗技术也在飞速发展，其中激光角度欺骗干扰技术一直以来都是研究的热点[3-12]。

世界各国都十分重视激光角度欺骗干扰技术的研究和应用，美国陆军航空和导弹司令部先进仿真中心为研究激光制导武器对抗技术，建立了完善的激光制导武器半实物仿真系统，该系统中建设了烟幕干扰、激光角度欺骗干扰等多种抗干扰测试手段[9-10]。国内很多单位也开展了相关研究：李双刚等[11]以激光半主动制导炸弹和目标指示器组成的系统为对象，依据射击效率理论，计算了无干扰时激光半主动制导炸弹对目标的杀伤概率，并指出激光角度欺骗干扰相当于在激光半主动制导武器系统中引入系统误差，从而造成其对目标杀伤概率的下降；臧永强等[12]分析了影响激光角度欺骗干扰的各种因素，从空间几何和随机过程方面建立了目标反射模型和干扰成功概率模型，针对特定的战场设置，对激光器最佳位置和干扰成功概率进行了仿真研究；杨宝庆等[13]依据激光角度欺骗干扰设备的作战模式及其工作原理，提出了对激光角度欺骗干扰设备干扰效果的测试方法，分析了直接影响激光角度欺骗干扰效果的几种因素，探讨了激光角度欺骗干扰设备对激光制导武器干扰效果的评估方法。其中：检验激光角度欺骗的干扰效果和效能评估最直接的方法是进行实弹打靶，但实弹打靶代价昂贵，难以获得较大的试验样本；地面实装试验和外场飞行试验不能模拟弹的真实运动过程和规律，得到的只是对导引头的干扰效果，具有一定局限性；单纯的数学仿真实验也存在置信度不高的缺点。而激光角度欺骗干扰半实物仿真以物理实验为基础，具有高度可控、零风险、不受天气条件影响、成本低等优点，可灵活开展多种战情、多种战术条件下的干扰试验；能为数学仿真提供数据支持，可以实现对激光制导武器干扰的大样本统计；与必要的外场实装实弹试验相结合，可以充分、全面地评估激光角度欺骗的干扰效果。

激光角度欺骗干扰半实物仿真实验系统从时序、能量、导弹与目标/导弹与干扰视线和光斑张角等多个方面，为激光制导武器构造了一个接近真实飞行环境、目标特性及导弹与目标/导弹与干扰相对运动环境，其中，激光角度欺骗干扰中的超前时间是时序模拟中的重要部分。激光角度欺骗干扰信号超前指示信号的超前时间，直接影响着激光导引头是否将干扰信号当作指示信号处理，是决定干扰是否有效的重要因素之一。目前有很多研究集中于超前时间如何影响角度欺骗干扰概率[12-14]，而激光角度欺骗干扰半实物仿真实验系统中，影响超前时间的不仅有干扰设定的超前量，还需要考虑半实物仿真实验系统的时间延迟量，目前这方面的研究还未见相关报道。本文在介绍激光角度欺骗半实物仿真实验系统和干扰原理基础上，首先分析了系统时间延迟的主要来源，其次对各单体设备的时间延迟量进行了测量，建立系统时间延迟模型，最后通过典型工况下激光角度欺骗干扰试验对模型进行校验，研究结果有助于提高仿真实验系统的可信度。

1 激光角度欺骗干扰半实物仿真系统组成

激光角度欺骗干扰半实物仿真实验基于模型和部分实物在计算机和仿真设备组成的模拟环境中进行，其中模型是半实物仿真实验系统的重要组成部分，主要包括目标模型、激光大气传输模型、内外场等效模型、导弹制导和动力学模型、导弹与目标干扰相对运动模型等。

激光角度欺骗干扰是在激光告警系统截获敌方激光目标指示器信号后，迅速对信号进行分析，测出敌方激光指示信号的波长、重频、编码、方位等参数，选择目标旁边处于最佳位置的假目标，向其发射与敌方指示信号一致且时间上超前指示激光的干扰激光脉冲。由于假目标也处于导引头视场中，导引头视场中出现两个激光漫反射源，干扰激光能量密度更强，到达激光导引头的时间也比指示信号超前，则激光导引头会将干扰信号当作指示信号处理，使激光制导武器把假目标当作攻击目标，从而达到将激光制导武器引偏并使被攻击目标得到有效保护的目的[11]。

激光角度欺骗干扰半实物仿真系统主要有仿真控制与实验评估分系统、激光指示/干扰信号模拟分系统、激光制导武器模拟分系统、背景光信号模拟分系统、实时通信网络以及辅助分系统等组成，图1为半实物仿真实验系统原理框图。

主控计算机根据导弹与目标距离和内外场等效模型，实时解算指示激光和干扰激光的时序关系、目标光斑、干扰光斑运动参数，根据信号时序关系和设备的相对位置关系，通过精确延时器，按照导弹和目标、导弹和干扰相对运动关系，分别将目标光斑、干扰光斑的运动参数转化为二维转镜的角运动参数，实时控制转镜的转动，模拟导弹和目标、导弹和干扰相对角运动；同时，根据目标模型、大气传输模型和目标距离，实时解算目标光斑、干扰光斑的能量和尺寸变换参数，控制能量和束散角变换单元的运行，模拟目标、假目标的激光。

主控计算机将解算出的弹体姿态运动等参数实时上传至三轴转台，带动安装在转台上的导引头运动，完成导弹姿态运动模拟，安装在转台上的激光导引头跟踪漫反射屏上的激光光斑，输出制导指令给主控计算机，进行导弹制导和动力学模型的解算，从而完成模拟激光制导武器攻击目标的整个过程。

2 系统时间延迟的主要来源及其测量

2.1 系统时间延迟主要来源分析

激光角度欺骗干扰半实物仿真实验系统为激光导引头构造了一个模拟战场的激光、背景光信号环境；超前时间是激光角度欺骗干扰半实物仿真实验系统模拟的重要部分，影响激光角度欺骗干扰超前时间的因素很多，主要有激光告警设备引入的反应时间、指示激光和干扰激光传输过程中光程差引起的延迟时间、指示激光器和干扰激光器出光延迟时间以及指示激光和干扰激光频率抖动引起的时间偏差。下面分别从指示激光信号链路和干扰激光信号链路进行分析。

2.1.1 指示激光到达导引头时间延迟主要来源

导引头接收到指示激光信号的时间延迟主要包括：编码器引入延迟时间tzb、指示激光器出光延迟tzj、指示激光频率抖动偏差tzd、指示激光到达目标传输过程中光程差引起的时间延迟tzg，则指示激光链路总的时间延迟ΔTz=tzb+tzj+tzd+tzg.

2.1.2 干扰激光到达导引头时间延迟主要来源

导引头接收到干扰激光信号的时间延迟主要包括：激光告警设备引入延迟时间tgb、干扰激光器出光延迟tgj、干扰激光频率抖动偏差tgd、干扰激光到达目标传输过程中光程差引起的时间延迟tgg，则干扰激光链路总的时间延迟ΔTg=tgb+tgj+tgd+tgg.

2.1.3 系统时间延迟主要来源

假设激光告警设备设置的干扰激光超前指示激光超前时间为ΔTs，则导引头处干扰激光超前指示激光的实际超前时间ΔT=ΔTs+ΔTg-ΔTz. 可以看出，干扰激光相对指示激光的超前时间取决于激光告警设备，指示/干扰激光器，弹、目标和假目标的相对位置关系等，应该根据具体的战情设置来设定超前时间。

具体到激光角度欺骗干扰半实物仿真实验系统，激光告警设备既可以用装备实物，也可用双路相关信号发生器代替；指示/干扰激光可使用激光信号模拟器；指示/干扰链路光程差引起的时间延迟可以使用精确延时器进行设置。因此，激光角度欺骗干扰半实物仿真实验系统的时间延迟主要来源于激光信号模拟器、精确延时器和双路相关信号发生器等单体设备的时间延迟，需要首先对这些单体设备的时间延迟特性进行测量。

2.2 单体设备时间延迟特性测量

首先对系统中单体设备的时间延迟特性进行测量，测量中用到的信号线规格相同。单体设备主要有激光信号模拟器(激光器1和激光器2)、精确延时器(精确延时器1和精确延时器2)以及双路相关信号发生器。

2.2.1 激光信号模拟器时间延迟特性测量

图2所示为激光器时间延迟特性实验研究示意图。为了提高测试精度，采用高采样率的实时同步采集设备对输出信号进行采集，实时同步采集设备的通道CH1和通道CH2采样频率为1 GHz，时间分辨率为纳秒量级。使用编码器触发激光器出光，快速响应探测器DET-10A感应激光，CH1接收编码器触发信号，CH2接收激光触发快速响应探测器信号。

图3所示为激光器1时间延迟特性测量数据处理结果。由图3可见：激光器1重复频率设定为10 Hz时，激光器1的激光信号在202 μs附近抖动，延时峰值为122 ns，频率抖动有规律性，是周期为4.8 s的方波，方波上叠加了噪声；当激光器1重复频率设定为20 Hz时，激光器1的激光信号在202 μs附近抖动，延时峰值为113 ns，频率抖动有规律性，是周期为5.1 s的方波，方波上也同样叠加了噪声。

图4所示为激光器2时间延迟特性测量数据处理结果。由图4可见：当激光器2重复频率设定为10 Hz时，激光器2的激光信号在201 μs附近抖动，延时峰值为155 ns，频率抖动有规律性，是周期为5.1 s的方波，方波上叠加了噪声；当激光器2重复频率设定为20 Hz时，激光器2的出光延时抖动在201 μs附近抖动，延时峰值为253 ns，频率抖动有规律性，是周期为5.4 s的方波，方波上也同样叠加了噪声。

2.2.2 精确延时器时间延迟特性测量

系统中使用的精确延时器有两台，分别简称为精确延时器1和精确延时器2，图5为精确延时器1时间延迟特性测量数据处理结果，精确延时器设定值分别为5 μs和10 μs. 由图5可以看出，精确延时器1的延时抖动峰值为21 ns，延时平均值在设定值附近，延时误差较小，信号如波浪状在设定值附近上下抖动。

图6为精确延时器2时间延迟特性测量数据处理结果，精确延时器设定值分别为5 μs和10 μs. 由图6可以看出，精确延时器2的延时抖动峰值为21 ns，延时平均值在设定值附近，信号如波浪状在设定值附近上下抖动，延时误差较小，但比精确延时器1大几个纳秒.

2.2.3 双路相关信号发生器时间延迟特性测量

图7为双路相关信号发生器时间延时测量数据处理结果图。由图7可以看出，双路相关信号发生器的延时平均值与设定值仅差几个纳秒，延时峰值为1 ns，说明双路相关信号发生器延时和抖动非常小，稳定性较好。

3 系统时间延迟特性

激光角度欺骗干扰半实物仿真实验系统有多种实验模式，其中，干扰设备间接介入实验模式是激光角度欺骗干扰设备不直接介入仿真实验环路，而是在实验前测量出激光角度欺骗干扰设备激光器出口输出干扰激光与告警单元输入指示激光的时序关系，在实验时利用双路相关信号发生器控制两台激光信号模拟器分别发射指示激光和干扰激光，复现被试装备转发的相对时序关系。干扰设备间接介入实验模式最为灵活，能够适用于几乎所有实验方式，不仅可以用于激光导引头抗干扰实验以及平时进行干扰机理研究、探索，而且可用于激光角度欺骗干扰设备干扰效果评估实验。因此，本文以干扰设备间接接入模式为例，以第2节各单体设备时间延迟特性测量结果为基础，根据系统工作流程，建立系统时间延时模型，通过实际测量对系统延时模型进行验证。

图8所示为仿真实验流程图。根据实验战情设定和实验前测量出的激光角度欺骗干扰设备激光器出口输出干扰激光与告警单元输入指示激光时序关系，双路相关信号发生器输出两路编码信号：一路信号用于产生指示激光信号；另一路信号用于产生干扰激光信号。产生指示激光信号的编码信号首先通过精确延时器1，根据仿真计算的延时控制数据进行时间修正后触发激光器1，激光器1根据仿真计算得到的指示激光能量和光斑控制数据发射指示激光后，照射到激光漫反射屏后漫反射进入激光导引头；产生干扰激光信号的编码信号首先通过精确延时器2，根据仿真计算的延时控制数据进行时间修正后触发激光器2，激光器2根据仿真计算得到的干扰激光能量和光斑控制数据发射干扰激光后，照射到激光漫反射屏后漫反射进入激光导引头。激光导引头根据时序关系、视场、能量等准则，判断是否满足激光角度欺骗干扰条件，如果满足，则激光导引头输出跟踪干扰的制导指令，否则激光导引头输出跟踪目标的制导指令。

根据相关单体设备的延时特性，对干扰设备间接接入实验模式下仿真系统的时间延时特性进行分析，建立系统时间延迟特性模型。如2.1节分析，当激光告警设备设置的干扰激光超前指示激光超前时间为ΔTs时，导引头处干扰激光超前指示激光的实际超前时间ΔT=ΔTs+ΔTg-ΔTz，其中ΔTg为干扰激光链路总的时间延迟，ΔTz为指示激光链路总的时间延迟。

当仿真系统设置超前时间为0时，导引头前干扰激光相对指示激光超前1 μs以内；当仿真系统设置超前时间为N时，导引头前干扰激光相对指示激光超前(N+1)μs以内，延时峰值在360 ns以内，由于激光器1和激光器2同时出光，两个激光器出光抖动没有固定的耦合，干扰激光相对指示激光超前时间会在设定值附近抖动，系统延迟特性不会有明显的规律性。

下面对干扰设备间接接入实验模式下系统时间延时特性进行测量。测试中，高速采集通道CH1连接快速响应探测器感应激光器1，通道CH2连接快速响应探测器感应激光器2，根据实际战情设置精确延时设备等参数，对系统延时特性进行测量，测试数据如表1所示。图9所示为不同工况下系统时间延迟特性测量数据处理结果图。

表1 不同工况下系统时间延迟特性测试数据

从测量结果可以看出，系统的延时随着双路相关超前时间设置的不同而改变，在超前时间上下抖动，延时时间峰值为230 ns，主要由两个1.06 μm激光模拟器出光延时抖动产生，这与之前基于单体设备时间延时特性测量建立的模型仿真结果相吻合。

4 结论

本文主要研究了激光角度欺骗干扰半实物仿真实验系统的时间延迟特性，所得主要结论如下：

1)激光角度欺骗干扰半实物仿真实验系统的时间延迟主要来源于激光信号模拟器、精确延时器和双路相关信号发生器等。

2)单体设备测量结果表明，由于两个激光器出光抖动没有固定的耦合，干扰激光相对指示激光超前时间会在设定值附近抖动，系统延迟特性不会有明显的规律性。

3)典型工况下系统时间延迟峰值为230 ns.

本文仅对激光角度欺骗干扰半实物仿真系统的时间延迟特性进行了初步研究，今后还需要进一步开展相关理论分析和实验测量，分析指示和干扰激光能量模拟精度、三轴转台误差、内外场等效模型差异等对仿真系统的影响，开展仿真模型的校核、验证和确认，以提高仿真系统对设备干扰效果评估可信度。

参考文献(References)

[1] 王狂飙. 激光制导武器的现状、关键技术与发展[J]. 红外与激光工程, 2007, 36(5): 651-655.

WANG Kuang-biao. Status quo, key technology and development of laser guided weapon [J]. Infrared and Laser Engineering, 2007, 36(5): 651-655.(in Chinese)

[2] 沈涛, 杨卫军, 姚敏立, 等. 基于半实物仿真的烟幕对抗激光制导武器干扰效果测试研究[J]. 兵工学报, 2015, 36(11):2122-2127.

SHEN Tao, YANG Wei-jun, YAO Min-li, et al. Measurement of jamming effect of smoke on laser guided weapon based on semi-physical simulation[J]. Acta Armamentarii, 2015, 36(11):2122-2127.(in Chinese)

[3] 赵乾, 徐利国, 范小虎, 等. 激光角度欺骗干扰半实物仿真研究[J]. 激光与红外, 2017, 47(5):635-640.

ZHAO Qian, XU Li-guo, FAN Xiao-hu, et al. Research of hardware-in-the-loop simulation for laser angle deception[J]. Laser & Infrared, 2017, 47(5):635-640.(in Chinese)

[4] 吕嵩, 杨文, 杨宝庆, 等. 无过顶区的激光角度欺骗假目标布设方法研究[J]. 光学与光电技术, 2016, 14(5):38-42.

LYU Song, YANG Wen, YANG Bao-qing, et al. Research on flawless deployment of decoys in laser angle cheating jamming[J]. Optics & Optoelectronic Technology, 2016, 14(5):38-42.(in Chinese)

[5] 于国权, 郭劲, 李岩, 等. 激光角度欺骗干扰内场仿真系统精度分析[J]. 光学精密工程, 2013, 21(10):2610-2616.

YU Guo-quan, GUO Jin , LI Yan, et al. Precision analysis of indoor simulation system for laser angle deception jam[J]. Optics and Precision Engineering, 2013, 21(10):2610-2616.(in Chinese)

[6] 方艳超, 郭立红, 李岩, 等. 激光对风标式激光制导炸弹干扰效能分析[J]. 发光学报, 2013, 34(5):656-664.

FANG Yan-chao, GUO Li-hong, LI Yan, et al. Jamming effectiveness analysis of the weather vane-type laser-guided bombs by laser[J]. Chinese Journal of Luminescence, 2013, 34(5):656-664.(in Chinese)

[7] 孙春生, 张晓辉, 张爽. 激光引偏干扰中假目标的防护角与应用[J]. 激光与红外, 2017, 47(3):347-351.

SUN Chun-sheng, ZHANG Xiao-hui, ZHANG Shuang. Guarded angle of laser decoy in laser trick jamming[J]. Laser & Infrared, 2017, 47(3):347-351.(in Chinese)

[8] 张爽, 张晓辉, 孙春生. 舰载激光引偏干扰系统的安全引偏距离分析[J]. 兵工学报, 2015, 36(11):2135-2140.

ZHANG Shuang, ZHANG Xiao-hui, SUN Chun-sheng. Research on safe distance of ship-based laser deflection decoy jamming system[J]. Acta Armamentarii, 2015, 36(11):2135-2140.(in Chinese)

[9] Ray J A, Larson G A, Terry J E. Successful hardware-in-the-loop support of the Longbow/Hellfire modular missile system[J]. Proceedings of SPIE, 2000, 4027:82-90.

[10] Kim H J, Moss S G. Common hardware-in-the-loop development[J]. Proceedings of SPIE, 2010,7663:76630G-1-76630G-11.

[11] 李双刚, 聂劲松, 李化, 等.对激光半主动制导武器的角度欺骗干扰的效能评估[J].红外与激光工程, 2011, 40(1): 41-45.

LI Shuang-gang, NIE Jin-song, LI Hua, et al. Assessment of effectiveness on angle deceptive jamming to semi-active laser-guided weapon[J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(1): 41-45. (in Chinese)

[12] 臧永强, 刘志国, 王仕成, 等.激光角度欺骗干扰的数学仿真[J].红外与激光工程, 2012, 41(12): 3234-3240.

ZANG Yong-qiang, LIU Zhi-guo, WANG Shi-cheng, et al. Digital simulation on laser-angle-cheating jamming[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(12): 3234-3240.(in Chinese)

[13] 杨宝庆, 陈勇. 激光角度欺骗干扰效果评估方法研究[J]. 光电技术应用, 2005, 20(4): 63-66.

YANG Bao-qing, CHEN Yong. Study on evaluation methods of laser angle deception jamming effectiveness[J]. Electro-Optic Technology Application, 2005, 20(4): 63-66.(in Chinese)

[14] 童忠诚. 激光角度欺骗干扰信号超前时间的仿真研究[J].兵工学报, 2008, 29(5): 633-636.

TONG Zhong-cheng. Simulation research on ahead-time of laser-angle-cheating jamming signal[J]. Acta Armamentarii, 2008, 29(5): 633-636.(in Chinese)