一種半主動(dòng)激光制導(dǎo)雙脈沖偽隨機(jī)碼設(shè)計(jì)*

薛建國(guó),王娟鋒,雷 萍

(中國(guó)洛陽電子裝備試驗(yàn)中心,河南洛陽 471003)

0 引言

激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器以其精度高、成本低、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用靈活等優(yōu)點(diǎn),受到軍事大國(guó)的重視[1],是目前裝備量最大、應(yīng)用范圍最廣的一類精確打擊武器,其核心為激光半主動(dòng)制導(dǎo)系統(tǒng)[2-3]。隨著激光技術(shù)的發(fā)展,針對(duì)激光制導(dǎo)武器的激光干擾手段越來越多,效果也愈加明顯,半主動(dòng)激光制導(dǎo)面臨的激光干擾威脅日益突出,研究開發(fā)新的抗干擾措施勢(shì)在必行。

激光有源干擾分為兩類,一類是激光欺騙干擾,即通過發(fā)射與制導(dǎo)指示激光脈沖信號(hào)碼型相同的激光脈沖信號(hào),以誘騙激光導(dǎo)引頭偏離指示目標(biāo),其核心技術(shù)是指示激光脈沖碼型識(shí)別[4];另一類是高重頻干擾,即通過發(fā)射高重復(fù)頻率激光脈沖信號(hào),致使激光導(dǎo)引頭無法識(shí)別指示激光脈沖信號(hào),從而喪失精確制導(dǎo)能力,其最主要的要求是激光重頻高、單脈沖激光能量大[5]。

半主動(dòng)激光制導(dǎo)抗干擾措施主要分為三類:空域?yàn)V波、頻域?yàn)V波和時(shí)域?yàn)V波。空域?yàn)V波即通過壓縮指示激光接收視場(chǎng)以限制視場(chǎng)外干擾激光到達(dá)探測(cè)器光敏面,從而濾除其干擾;頻域?yàn)V波即通過在光學(xué)系統(tǒng)中加裝窄通濾光片以限制與目標(biāo)指示激光波長(zhǎng)不同的干擾激光到達(dá)探測(cè)器光敏面,從而濾除其干擾;時(shí)域?yàn)V波即通過區(qū)別處理不同時(shí)刻到達(dá)探測(cè)器光敏面的激光脈沖信號(hào)。

傳統(tǒng)的時(shí)域?yàn)V波抗干擾措施主要分兩步,第一步是對(duì)目標(biāo)指示激光信號(hào)進(jìn)行編碼,導(dǎo)引頭信息處理器對(duì)所有接收到的波門內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行碼型識(shí)別,只有與預(yù)置碼型一致的信號(hào)才會(huì)被認(rèn)作指示信號(hào),即編譯碼技術(shù);第二步是設(shè)置指示信號(hào)接收波門,導(dǎo)引頭信息處理器只對(duì)波門內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行處理,而對(duì)波門外的信號(hào)不處理,即波門技術(shù)。

以往半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器目標(biāo)指示激光脈沖編碼主要有精確頻率碼、兩變間隔碼和短偽隨機(jī)碼,由于該三類編碼容易被實(shí)時(shí)破解,從而受到欺騙激光脈沖的干擾,因此,從事激光制導(dǎo)武器研制的科技人員正在開發(fā)新的脈沖編碼,以期既可抗激光欺騙干擾,還能抗高重頻干擾。

文中提出了一種新的編碼方法——雙脈沖偽隨機(jī)編碼,設(shè)計(jì)了譯碼方法,并對(duì)該種編碼的抗干擾能力進(jìn)行了理論分析。

1 雙脈沖偽隨機(jī)碼設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)學(xué)描述

激光編碼要想使敵方難于破解,碼周期越長(zhǎng)越好,最好是無周期,如偽隨機(jī)碼;從譯碼角度考慮,要想從紛亂復(fù)雜的脈沖中找到目標(biāo)指示激光脈沖信號(hào),則應(yīng)使編碼具有相關(guān)性,以便在很短的時(shí)間內(nèi)捕獲到目標(biāo)指示激光脈沖[6-8]。綜合考慮上述兩方面因素,設(shè)計(jì)了一種雙脈沖偽隨機(jī)碼,數(shù)學(xué)表述如下:

(1)

(2)

f(t)=f1(t)+f2(t)

(3)

f1(t)和f2(t)是兩個(gè)時(shí)間相差T3的相同脈沖序列,二者相“或”構(gòu)成目標(biāo)指示激光脈沖信號(hào)序列f(t)。在式(1)～式(3)中,各參量的含義為:m(n)為隨機(jī)函數(shù),取值范圍為0～M正整數(shù),相對(duì)于自變量n有唯一確定的值;n為正整數(shù),是時(shí)間離散數(shù)值變量,最大值為M(M是偽隨機(jī)碼數(shù)值周期);T1、T2、T3為常數(shù),單位為ms,其中:T1是脈沖序列f(t)的基礎(chǔ)時(shí)間間隔,其大小由制導(dǎo)武器制導(dǎo)控制、制導(dǎo)距離、技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性等因素確定;T2是激光脈沖時(shí)間間隔變化最小幅值,即偽隨機(jī)碼最小變化幅值,大小通常與激光信號(hào)處理接收波門相同;T3為隨機(jī)序列f2(t)相對(duì)于f1(t)的延遲時(shí)間,一般情況下,取T3≈T1。

1.2 譯碼設(shè)計(jì)

對(duì)于該雙脈沖偽隨機(jī)碼,譯碼采用軟硬件相結(jié)合的方式進(jìn)行。具體譯碼流程分為以下兩個(gè)步驟:在導(dǎo)引頭信息處理器中,首先通過整形電路對(duì)來自信號(hào)檢測(cè)電路的脈沖序列進(jìn)行整形,形成方波脈沖序列,然后將脈沖序列分為兩路,其中一路延遲T4后與另一路相“與”,提取出所要的偽隨機(jī)編碼脈沖指示信號(hào),而將不相關(guān)的干擾信號(hào)濾除,完成第一譯碼;在譯出的脈沖序列中,可能還會(huì)留有部分噪聲干擾或人為干擾脈沖,需進(jìn)一步濾除,對(duì)此,碼型識(shí)別電路通過匹配識(shí)別方法完成第二譯碼;在對(duì)譯碼識(shí)別概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)之后,最后輸出跟蹤指示信號(hào)和跟蹤波門信號(hào)。譯碼流程示意圖如圖1。在圖1中,整形后的方波脈沖寬度為τ1,其大小主要取決于目標(biāo)指示激光穩(wěn)定度,通常取1～5 ms;延遲電路的時(shí)間T4與T3相等,波門寬度T5與T2相等。

從上述雙脈沖偽隨機(jī)碼的編譯碼方案設(shè)計(jì)上可以看出,采用該種編碼方式,激光制導(dǎo)在接收到一組編碼信號(hào)f1(t)或f2(t),即可完成譯碼解算,并不需要接收到完整的雙脈沖序列f(t)。而f1(t)和f2(t)本質(zhì)上即是一個(gè)偽隨機(jī)編碼信號(hào)(經(jīng)過一定的時(shí)延),譯碼的本質(zhì)是對(duì)偽隨機(jī)編碼的譯碼。該種雙脈沖偽隨機(jī)編碼的應(yīng)用可有以下幾種情況:

1)激光目標(biāo)指示器嚴(yán)格按照上述編碼方式編碼,半主動(dòng)激光制導(dǎo)采用上述軟硬件相結(jié)合的譯碼方式,與傳統(tǒng)上的偽隨機(jī)碼譯碼相比,僅增加了延時(shí)與“與”計(jì)算。

2)激光目標(biāo)指示器采用雙波長(zhǎng)激光發(fā)射體制,同時(shí)或按照一定的規(guī)律發(fā)射兩種不同波長(zhǎng)的激光編碼信號(hào),激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器按照相同的規(guī)律接收兩種波長(zhǎng)激光編碼信號(hào),此時(shí)的譯碼方式相當(dāng)于兩路獨(dú)立的偽隨機(jī)碼譯碼。

綜上所述,合理設(shè)計(jì)偽隨機(jī)編碼,理論上,該種雙脈沖偽隨機(jī)編碼可以滿足實(shí)際制導(dǎo)武器的編碼要求。

2 抗干擾性能分析

根據(jù)前面分析,對(duì)半主動(dòng)激光制導(dǎo)的干擾主要包括激光欺騙干擾和高重頻干擾。文中提出的雙脈沖偽隨機(jī)碼的抗干擾方式主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:雙脈沖設(shè)計(jì)用于抗高重頻激光干擾,偽隨機(jī)編碼用于抗誘騙激光干擾。

激光欺騙干擾的前提是對(duì)目標(biāo)指示激光脈沖實(shí)時(shí)解碼,而在無先驗(yàn)情報(bào)信息的情況下,對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的偽隨機(jī)碼解碼幾乎是不可能的,更別說是短碼片(短時(shí)間內(nèi)幾個(gè)目標(biāo)指示激光脈沖序列,即部分碼元)。

高重頻干擾不需要解碼,當(dāng)接收到有限的幾個(gè)激光脈沖后就會(huì)發(fā)射干擾激光,雙脈沖偽隨機(jī)碼抗高重頻激光干擾原理如圖2所示。

圖2中,Z為目標(biāo)指示激光脈沖序列,G為高重頻干擾激光脈沖序列。由圖可看出,經(jīng)第一譯碼后,仍會(huì)有干擾脈沖進(jìn)入第二譯碼,類似結(jié)果基本發(fā)生在下面幾種情況時(shí):

情況一:兩種脈沖序列相“與”時(shí),一路脈沖序列中的高重頻脈沖與另一路脈沖序列中的個(gè)別指示脈沖“偶遇”,形成偶發(fā)干擾。由于該類干擾脈沖數(shù)量少,經(jīng)第二譯碼可以被剔除。

情況二:干擾激光的重復(fù)頻率為1/(2T3)的倍數(shù),造成的結(jié)果是干擾脈沖全部通過第一譯碼。但這種情況出現(xiàn)的概率極其小,且只要取T3為質(zhì)數(shù),基本可解決此問題。

情況三:干擾激光的重復(fù)頻率大于1/(2T4),由于整形后脈沖寬度的占空比大于50%,經(jīng)第一譯碼后輸出一頻率與干擾脈沖重復(fù)頻率相同的窄脈沖序列。由于脈沖量大,因而匹配識(shí)別幾乎不可能從干擾脈沖中匹配出目標(biāo)指示信號(hào)。

由以上分析可以得出如下結(jié)論:文中提出的脈沖第一譯碼方式具有較好的抗高重頻干擾能力,能夠抗重復(fù)頻率低于1/(2T4)的高重頻激光干擾。

3 結(jié)論

激光欺騙干擾和高重頻干擾是半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器面臨的主要威脅。文中從抗干擾角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一種新的激光編碼——雙脈沖偽隨機(jī)碼。該種編碼將兩個(gè)時(shí)間相差一常數(shù)的相同脈沖序列相“或”構(gòu)成目標(biāo)指示激光脈沖信號(hào)序列。對(duì)于該雙脈沖偽隨機(jī)碼,其譯碼采用軟硬件相結(jié)合的方式進(jìn)行,第一譯碼過程提取出所要的偽隨機(jī)編碼脈沖指示信號(hào),碼型識(shí)別電路通過匹配識(shí)別方法完成第二譯碼。理論分析結(jié)果表明,雙脈沖偽隨機(jī)碼中的偽隨機(jī)編碼可用于抗激光欺騙干擾,雙脈沖設(shè)計(jì)可用于抗高重頻激光干擾,譯碼整形后的方波脈沖寬度越窄,抗高重頻干擾的效果越好。