混合激光制導信號分選與解碼研究

羅 威,王良斯,林賢斌

(空軍預警學院六系,湖北 武漢 430019)

1 引 言

半主動激光制導武器具有制導精度高、抗干擾能力強、效費比高等優點,在現代戰爭中大量用于對重要目標的空地精確打擊。激光角度欺騙干擾是對付激光制導武器的有效手段[1],其前提條件是對激光制導信號的偵察告警和解碼識別。目前,對單一激光制導信號的解碼技術和激光告警設備發展較為成熟[2]。然而,現代戰爭空對地打擊行動中,如攻擊機場、橋梁、坦克集群時,就涉及發射多枚激光制導導彈同時打擊多個目標的情況,這時將產生在時域、空域、頻域交疊重合的混合激光制導信號。若激光告警設備不能對其進行正確分選和解碼,就無法實施有效的激光角度欺騙干擾以保護重要目標免遭打擊。

在混合激光制導信號分選與解碼技術研究方面,基于信號脈沖間隔、脈寬等時間域特征,先后有文獻提出序列差值直方圖和變步長序列搜索法[3]、加權歸一自相關方法[4]、碼元周期搜索法[5]、基于統計方法[6]、基于頻率方法[7]、基于深度自編碼網絡方法[8]等系列方法。但是,這些方法一般都是先識別相對簡單或具備先驗知識的單路信號,而后再對混合信號進行分選。本文基于骨架周期分析方法,編寫了相應MATLAB程序,可實現對無先驗知識、相對復雜混合激光制導信號的自動分選和解碼。

2 混合激光制導信號特征分析

激光編碼技術,是激光半主動制導武器避免自擾和對抗轉發式激光干擾的關鍵技術。激光脈沖編碼類型包括:脈寬編碼、精確頻率碼、二間隔碼、脈沖調制碼、有限位隨機周期碼、偽隨機編碼等。

目前激光制導武器中主要采用的是精確頻率碼和有限位隨機周期碼。精確頻率碼即脈沖重復頻率(Pulsed Repetition Frequency,PRF)激光編碼,是指激光脈沖的頻率重復不變,相鄰激光脈沖間隔為固定值。有限位隨機周期碼即脈沖時間間隔調制(Pulse Interval Modulate,PIM)激光編碼,是指各激光脈沖時間間隔是隨機無關聯的,但其位數有限,具有可重復性。例如設置一個4位PIM激光編碼,對應有4個脈沖間隔{t1,t2,t3,t4},其重復周期也可稱為骨架周期,為同一周期內各脈沖間隔之和,即T=t1+t2+t3+t4。

本文主要針對PRF信號和PIM編碼信號所組成的混合激光制導信號開展研究。混合信號包括PRF與PRF混合信號、PRF與PIM混合信號、PIM與PIM混合信號等三種類型。混合信號時序分布分別如圖1、圖2、圖3所示。信號1重復周期為T1,信號2重復周期為T2,假設信號1先到達激光告警器,兩組信號的達到時間差為Δt。

圖1 PRF與PRF混合信號示意圖Fig.1 PRF mixed PRF signals

圖2 PRF與PIM混合信號示意圖Fig.2 PRF mixed PIM signals

圖3 PIM與PIM混合信號示意圖Fig.3 PIM mixed PIM signals

由于激光制導武器所使用的激光目標指示器性能相同,因此兩組激光制導信號的頻率、脈寬相同,照射方位也基本一致,故兩組信號會形成一個混合信號,且很難直接進行區分。混合信號會形成一個新的骨架周期Tm,Tm為T1和T2的最小公倍數。為避免自擾影響,T1和T2會避免設置為簡單倍數關系,甚至互為質數,故大部分情況下,Tm為一較大值,即兩組信號混合后的激光脈沖間隔近似為偽隨機序列,脈沖間隔值在很長時間內都不重復。

另外,當兩組信號的達到時間間隔較大且滿足|Δt|>2T1時,激光告警器在信號2到達之前就可以完成對信號1的解碼,對后續混合信號的分選與解碼難度也會相應減小。本文中主要考慮的是|Δt|<2T1這種更復雜的情況,上述情況也可兼容處理。

3 混合激光制導信號分選與解碼方法

當混合信號中包含PRF信號時,即對于PRF與PRF混合信號、PRF與PIM混合信號,其分選和解碼相對簡單,本文采用時差矩陣統計方法進行處理。對于PIM與PIM混合信號,其分選和解碼相對復雜,本文針對性提出骨架周期分析方法,較好地解決了問題。

3.1 PRF與PRF混合信號分選與解碼

兩個PRF信號組成混合信號,其重復周期分別為T1和T2,如圖1所示。假設共有L個脈沖,每個脈沖信號的到達時間XTOA已知,設ΔTmn為第m個脈沖和第n個脈沖到達時間XTOAm、XTOAn之差,則有:

ΔTmn=XTOAm-XTOAn(m>n)

(1)

從L個脈沖中選取相鄰的k個脈沖,可以構建一個(k-1)階的時差矩陣ΔT:

如果第m個脈沖和第n個脈沖是同一個重頻信號相鄰脈沖,則此時的ΔTmn=T1或T2。如果不是,則ΔTmn為非相關值,且基本不重復。對該時差矩陣進行統計分析,在統計結果中出現次數最多的值即為T1或T2。

k的取值會直接影響信號分選準確度和分選時間。當k取值較小時,時差中相關值可能偏少,影響信號分選準確度,一般取k>5。k取值也不宜過大,否則運算量會大大增加,分選時間也相應增大。在時差矩陣中還會出現很多T1和T2的倍頻值,在時差矩陣基礎上,還需要對時差矩陣的統計結果進一步處理,將統計結果作為第二個矩陣,稱為統計矩陣,對統計矩陣進行相關運算,可以更加準確提取T1或T2。

3.2 PRF與PIM混合信號分選與解碼

對于PRF與PIM混合信號,同樣可利用上述矩陣統計方法,建立時差矩陣對混合信號進行分選,從中分選出重頻信號,剩下的信號就是編碼信號,在此不再詳述。也可用下文即將介紹的動態自相關算法對混合信號進行分選,從中分選出編碼信號,剩下的信號就是重頻信號。

3.3 PIM與PIM混合信號分選與解碼

假設PIM與PIM混合信號如圖3所示,其中一組為4位編碼信號,脈沖間隔為t1、t2、t3、t4,骨架周期為T1=t1+t2+t3+t4,另一組同樣為4位編碼信號,脈沖間隔為t5、t6、t7、t8,骨架周期為T2=t5+t6+t7+t8。如前文所述,混合信號形成的新的骨架周期很長,相鄰激光脈沖間隔近似為偽隨機序列,即脈沖間隔值基本不重復。若同樣建立時差矩陣并進行統計分析,相比包含PRF信號的混合信號,分選出t1、t2、t3、t4這4個值要困難很多,原因一是要分析的脈沖數量大大增加,二是統計結果差距不顯著。

因此,本文將骨架周期作為PIM與PIM混合信號分選的主要參數。其流程描述如下:(1)確定分選脈沖數動態范圍(x,y)。以4位編碼信號為例,其骨架周期最少需要5個脈沖序列構成,即最小值x取值5即可。根據實際情況,激光指示器無論是PRF信號還是PIM信號,其脈沖間隔大小一般不會有數量級的差異,因此y取值為x的2倍或略大即可,就可以保證(x,y)內存在一個完整的骨架周期。(2)建立時差矩陣。從第n個脈沖開始,在(x,y)的脈沖長度范圍內,構建時差序列,注意此時時差并非是相鄰脈沖的時差,而是相距x個以上、y個以下脈沖的時差,再從(n+1)個脈沖開始,重復上述流程,形成時差矩陣。(3)統計分析獲取骨架周期。對時差矩陣進行統計分析,可以得到編碼信號的骨架周期T1和T2。(4)根據骨架周期進行信號分選。從第1個脈沖序列開始分析,其到達時間加上T1,如果在混合信號脈沖序列中存在相應脈沖,則說明這2個脈沖均屬于信號1的脈沖；如果不存在,則該脈沖屬于信號2。遍歷完整混合信號脈沖序列,就可以完成混合信號的分選。(5)信號解碼。對分選后得到的信號進行解碼,得出其位數和脈沖間隔。

4 混合激光制導信號分選與解碼分析

根據上述混合激光制導信號分選與解碼方法,基于MATLAB軟件平臺編寫了混合激光制導信號分選與解碼軟件,軟件界面如圖4所示。其功能包括:模擬產生PRF與PRF、PRF與PIM、PIM與PIM等三種類型混合信號,對混合信號進行自動分選和解碼,分選與解碼結果的圖文可視化顯示。

圖4 混合激光制導信號分選與解碼軟件界面圖Fig.4 Interface of the sorting and decoding software

以相對最復雜的PIM與PIM混合信號為例介紹混合信號產生操作,其信號設置和產生的混合信號如圖5所示。其中PIM信號1的骨架周期是T1=69 ms+85 ms+67 ms,PIM信號2的骨架周期是T2=42 ms+65 ms+81 ms。

圖5 PIM與PIM混合信號生成及可視化Fig.5 PIM mixed PIM signals generation and visualization

模擬產生PRF與PRF、PRF與PIM、PIM與PIM等三種類型混合信號,每種類型各100組,并利用混合激光制導信號分選與解碼軟件分別對其進行分選與解碼,其中信號1和信號2達到時間間隔隨機生成。對100組PRF與PRF混合信號的典型分選與解碼結果如圖6所示,平均分選用時0.453 s。對100組PRF與PIM混合信號的典型分選與解碼結果如圖7所示,其中PIM信號為3位編碼信號,平均分選用時1.190 s。對100組PIM與PIM混合信號的典型分選與解碼結果如圖8所示,PIM信號均為3位編碼信號,平均分選用時2.206 s。

圖6 PRF與PRF混合信號分選與解碼結果Fig.6 Sorting and decoding result of PRF mixed PRF signals

圖7 PRF與PIM混合信號分選與解碼結果Fig.7 Sorting and decoding result of PRF mixed PIM signals

圖8 PIM與PIM混合信號分選與解碼結果Fig.8 Sorting and decoding result of PIM mixed PIM signals

5 結 論

本文主要研究混合激光制導信號分選和解碼方法,并編寫了混合激光制導信號分選與解碼軟件,對PRF與PRF、PRF與PIM、PIM與PIM等三類混合信號進行了分選和解碼。其中,PIM信號由于包含編碼位數和脈沖間隔值等多重未知參數,分選難度較大,本文利用骨架周期分析方法,能夠正確分選包含PIM信號的混合信號,且分選和解碼總用時較短,能夠較好滿足實際需求。研究工作為下一步在實際環境下對混合激光制導信號進行分選與解碼打下了良好基礎。