梁巍巍，殷瑞光，張文攀，趙宏鵬，李 波

(中國洛陽電子裝備試驗中心，洛陽471003)

引 言

隨著精確制導技術的逐漸成熟，精確制導武器成為現(xiàn)代戰(zhàn)場的主角。半主動激光制導武器由于具有精度高、成本低和戰(zhàn)術運用靈活等優(yōu)點，是目前裝備量最大、應用范圍最廣泛的一類精確制導武器［1］。為了對抗精確制導武器，各國都在大力發(fā)展相應的對抗技術，針對半主動激光制導武器的對抗技術也在飛速發(fā)展之中。隨著激光技術的發(fā)展，如二極管抽運固體激光器(diode pumped solid-state laser，DPSSL)的出現(xiàn)［2］，高重復頻率、大單脈沖能量的激光器日益成熟，高重頻激光干擾半主動激光制導武器成為現(xiàn)實。由于其具有無需編碼識別、實施簡單、實時性好的優(yōu)點，已成為一種極具前途的干擾方式，受到越來越多的關注［3-13］。目前，對高重頻激光干擾技術的研究主要集中在干擾機理分析和抗干擾方法方面，針對高重頻激光干擾尚無基于電路級別的干擾效果分析報道。

1 高重頻激光干擾機理

半主動激光制導武器使用波門作為基本的抗干擾手段，選通波門的寬度約為幾十微秒，有效降低了激光角度欺騙干擾的干擾效果。高重頻激光干擾主要是利用高重頻激光干擾信號，針對目標搜索階段和末端制導階段的半主動激光導引頭，遮蔽目標的漫反射指示信號，使其無法分辨選通波門內的指示信號和干擾信號，使激光導引頭對目標跟蹤的不確定性大大增加，降低目標漫反射信號的截獲概率，使激光導引頭無法跟蹤目標而迷盲，或形成錯誤的制導信號而被引偏，從而達到保衛(wèi)目標的目的。

高重頻激光干擾即利用高重復頻率的激光脈沖作為干擾信號，使導引頭選通波門內至少會有一個干擾脈沖，使其信號處理系統(tǒng)有較高概率丟失制導信號而處理干擾信號，干擾或阻塞導引頭形成制導指令，從而達到干擾效果。針對高重頻激光干擾，控制其重復頻率f≥1/τ(τ為波門時間寬度)時，至少會有一個干擾信號在導引頭波門內，當干擾信號超前于制導信號進入波門時，就會有效干擾導引頭。

結合實驗結果和總結以往文獻研究的基礎上［8-10］，高重頻激光干擾成功的條件為:(1)干擾激光能夠進入導引頭視場;(2)干擾激光能量高于導引頭探測閾值;(3)干擾激光信號能夠超前于制導指示激光信號進入導引頭波門;(4)干擾激光信號和制導指示激光信號能量在導引頭同一能量閾值臺階上。

激光導引頭一般采用實時波門和波門內首脈沖鎖定機制，導引頭識別進入波門的第1個脈沖信號為有效信號，波門內首脈沖與下一個周期波門的中心位置相隔制導信號周期T。

圖1為高重頻激光干擾原理示意圖。圖中實線段代表制導信號，虛線段代表高重頻信號，實線方框代表波門，帶箭頭的實線段或虛線段代表波門內的有效首脈沖，T代表制導信號周期。如圖所示，以制導過程中的6個波門為例:第1個和第2個波門為正常的制導信號周期，制導信號是波門內的有效首脈沖;當激光高重頻干擾時，如第3個波門所示，高重頻干擾信號會成為波門內的有效首脈沖，后一周期的波門位置由本周期波門內有效首脈沖信號位置確定，此時導引頭波門位置將很快被干擾信號“牽引”離開制導信號位置，如第4個波門所示，波門的中心不再是制導信號;如第5個和第6個波門所示，導引頭波門被拉偏，直至波門內不存在制導信號。需要說明的是，在實際的激光制導武器工作過程中，波門寬度比較窄，制導指令周期遠大于波門寬度，當制導指令信號被高重頻干擾拉偏出波門，只有很小的幾率重新進入波門。這就是說高重頻激光干擾時，會有很大的幾率使導引頭波門內沒有制導信號。在這種狀態(tài)下，就算激光高重頻干擾停止，由于導引頭波門內沒有制導信號，導引頭會重新進入搜索狀態(tài)，需要經過一段時間后，導引頭才能重新捕獲制導信號進入末制導狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱之為高重頻激光干擾牽引效應。

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

2 放大電路

半主動激光制導武器一般采用地面指示、空中它機指示或本機指示等幾種目標指示方式，假設目標為標準朗伯漫反射體，指示激光傳輸?shù)綄б^的能量密度為［14］:式中，Et為指示激光脈沖能量;τa(R)為指示激光路徑上激光大氣透射率;τa(D)為導引頭接收漫反射激光路徑上的激光大氣透射率;ρ為目標表面對激光的漫反射系數(shù);φ為目標視線與目標表面法線的夾角;R為指示激光器至目標距離;D為導引頭至目標距離。

可以看出，導引頭前的激光能量密度εr與導引頭至目標距離D的平方成反比。在半主動激光制導武器的整個作戰(zhàn)過程中，導引頭前的激光能量密度的變化范圍非常大，經過探測系統(tǒng)光電轉換為電信號，其振幅范圍可從幾十微伏到幾伏，信號的動態(tài)范圍可以達到100dB甚至更大。為了滿足在遠距離時導引頭能夠探測目標信號，導引頭放大電路組件需要高增益放大輸出，以保證導引頭能夠遠距離捕獲目標;隨著距離變小目標信號會增加，直到導引頭至目標距離很近(截斷距離)時，目標信號的強度將增加幾萬倍，而此時放大電路組件需要以低增益放大輸出，保證導引頭能夠不飽和不阻塞，保持穩(wěn)定工作。大動態(tài)范圍的輸入信號帶來了很多問題，一方面，線性放大器無法處理這樣寬的動態(tài)范圍;另一方面，后續(xù)模數(shù)轉換過程中，在保證分辨率的情況下，模數(shù)轉換器的位數(shù)會隨著動態(tài)范圍的增大而增大，導引頭放大電路的輸出信號需要傳遞給后續(xù)信息處理電路提取出目標角誤差信號，信息處理電路只能處理幅度變化不大的輸入信號，信號過強過弱或忽大忽小都會使其失效。因此，在處理大動態(tài)范圍信號時，通過放大電路，常常將其動態(tài)范圍壓縮到一個可以處理的程度，來保證信號幅度的平穩(wěn)性，在工程應用中，動態(tài)范圍的壓縮分為“線性壓縮”和“非線性壓縮”，線性壓縮是指放大器的輸入輸出成線性關系，放大器輸出幅度基本保持恒定，以自動增益控制電路最為常見，非線性壓縮方面最常見的就是對數(shù)放大電路［15］。

2.1 自動增益控制電路

自動增益控制(automatic gain control，AGC)電路是一個自動幅度調節(jié)系統(tǒng)，當輸入信號的幅度在很大的范圍內變化時，嚴格控制放大器的增益，使其輸出信號的幅度保持不變或只在很小的范圍內變化，從而達到動態(tài)范圍壓縮的目的。

圖2所示為自動增益控制電路原理框圖。當探測器接收到信號后，首先由探測器前置放大器對信號進行放大，進入增益可控放大器進行放大，一路進入后續(xù)信息處理電路，另一路進入增益控制回路。增益控制回路中，首先輸入信號進入電壓比較器與預先設置的基準電壓進行比較，經電壓比較器比較、判別、計算后，電壓比較器輸出一個控制信號給增益控制器，增益可控放大器根據輸入增益大小對信號進行放大，從而實現(xiàn)對信號的增益控制?？梢钥闯?，這種增益能自動跟隨輸入信號強弱而變化的要求，在電路中是通過反饋環(huán)路實現(xiàn)的。在環(huán)路中，返回控制網絡對輸出信號的微小變化進行取樣檢測，產生一個能反映輸入變化的控制信號，并利用該信號去調節(jié)放大器的增益，從而抵消或削弱輸入信號強度的變化，對輸入信號進行了動態(tài)范圍壓縮，使其輸出信號幅度能夠穩(wěn)定在一個小的范圍內。

2.2 對數(shù)放大電路

對數(shù)放大電路是其輸入與輸出信號幅度之間為對數(shù)關系的放大器。對數(shù)放大器有兩個顯著的特點:(1)輸入輸出信號幅度成對數(shù)關系;(2)能實現(xiàn)動態(tài)范圍的瞬時壓縮。

對數(shù)放大電路在處理微弱的輸入信號時，因為logN0=－∞，會與真正的對數(shù)特性有偏差。由于當變量很小時，函數(shù)可以做線性化處理，因此可以認為輸入信號很小時，對數(shù)放大器處于線性工作狀態(tài)(即增益固定)，當信號增大時，對數(shù)放大器中就會發(fā)生由線性放大狀態(tài)向對數(shù)放大狀態(tài)的過渡。如下式所示，為對數(shù)放大器的幅度特性:

式中，Uo為輸出電壓幅度;Ui為輸入電壓幅度;G為線性段增益;Ui，1為線性段和對數(shù)段交點處輸入電壓幅度;A，B為常數(shù);N為對數(shù)底數(shù)。

圖3所示為對數(shù)放大電路的原理框圖。與自動增益放大控制電路不同，對數(shù)放大器對信號的動態(tài)范圍的壓縮不需要提取輸入信號的電平來控制增益，其增益大小與信號的大小成反比，即對數(shù)放大電路可以使弱信號放大較大倍數(shù)，強信號放大較小倍數(shù)甚至不放大，從而達到輸出信號與距離近似無關，最終達到增大動態(tài)范圍、防止信號過強造成放大器阻塞、實現(xiàn)輸入信號的瞬間歸一化處理，有利于后續(xù)信息處理電路提取角誤差信號，提高導引精度。

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

3 不同放大電路導引頭的高重頻激光干擾效果分析

導引頭放大電路對輸入的激光信號都進行放大，但信息處理電路僅對波門內的信號進行處理。導引頭電路為了屏蔽太陽光背景輻射、后向散射等因素的影響，會設置幾級能量閾值，利用前一個有效脈沖的信號幅度來確定當前信號的能量閾值，將低于能量閾值的脈沖直接剔除，保證導引頭對目標信號的跟蹤能力和對弱信號的抗干擾能力。

3.1 基于自動增益控制電路的高重頻激光干擾效果分析

自動增益控制電路是一個閉環(huán)系統(tǒng)，對輸入信號的響應需要一定的建立時間，即自動增益控制電路不能對信號進行實時放大，對信號幅度的變化需要一定的調節(jié)時間，才能設置好增益系數(shù)，完成信號放大。由于這種特性，使自動增益控制電路不能抗周期性強脈沖干擾，如高重頻激光干擾。

高重頻激光干擾時，制導信號處于兩個高重頻信號間隔時間里，當高重頻信號強度強于制導信號時，由于增益控制電壓的脈沖前沿存在著一定時間延遲，來不及達到使導引頭增益處于線性狀態(tài)的數(shù)值，導引頭自動增益控制的增益系數(shù)來不及恢復到接收弱信號所需要的數(shù)值，使得制導信號放大倍數(shù)過小，制導信號放大后幅值太小，達不到本次能量閾值，形成不了截獲信號，導致導引頭對制導信號的丟失。

Fig.2 Block diagram of an automatic gain control circuit

圖4為自動增益控制電路高重頻激光干擾效果示意圖。圖中實線段代表制導信號，虛線段代表高重頻信號，實線方框代表波門，帶箭頭的實線段或虛線段代表波門內的有效首脈沖。如第1個波門所示，由于自動增益控制電路的增益系數(shù)來不及調整，造成制導信號放大后幅值過小，導引頭能量閾值屏蔽掉制導信號，雖然在時序上超前于高重頻信號，導引頭還是認定高重頻信號為波門內有效首脈沖，使得高重頻激光干擾有效，在后續(xù)幾個波門中，由于高重頻激光干擾牽引效應，波門被拉偏，直至制導信號不在波門內，高重頻信號依然是波門內有效首脈沖，高重頻激光干擾有效。

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

有研究報道［9］，在高重頻激光頻率不滿足f≥1/τ時，高重頻激光仍可使導引頭丟失目標被阻塞或誘偏，分析其主要原因是導引頭采用的是自動增益控制電路，當導引頭探測器突然接收到干擾激光信號時，且由于高重頻激光采用直射方式，高重頻激光干擾信號能量遠高于漫反射的指示信號，自動增益控制電路出現(xiàn)了瞬間調整反饋增益系數(shù)，由于能量閾值的關系，使導引頭跟蹤高重頻干擾激光信號，丟失目標。此外，一般自動增益控制電路會設置多級增益系數(shù)調整機制，調整增益系數(shù)造成時間上有較大延遲。因此，如果導引頭探測系統(tǒng)接收到一個大能量高重頻激光信號，有可能造成導引頭探測系統(tǒng)丟失多個周期的激光信號，使導引頭丟失目標，不能建立正常跟蹤，在這種情況下，即使不滿足頻率關系，高重頻激光也可有效干擾導引頭。

3.2 基于對數(shù)放大電路的高重頻激光干擾效果分析

相比自動增益控制電路，對數(shù)放大電路可以完成對信號的瞬時放大，有效避免了由于增益系數(shù)來不及調整造成的制導信號丟失。面對高重頻激光干擾，對數(shù)放大電路也有不同的響應。首先，由于對數(shù)放大電路是非線性放大，會引起信號的脈沖展寬［16］。高重頻激光干擾導引頭時，通常會有多個高重頻信號進入波門內，脈沖之間間隔幾微秒到幾百納秒，甚至更小;如果信號脈沖寬度過寬，會造成信號的粘聯(lián)，阻塞導引頭信息處理電路，造成識別目標困難或中斷，無法處理信號，使激光制導武器不能擊中目標。

其次，對數(shù)放大電路的另一特點是電路輸出端的信噪比小于輸入端的信噪比。這是由于對數(shù)放大電路是非線性放大，在輸入端制導信號強于噪聲信號，對數(shù)放大電路對制導信號放大倍數(shù)小，對噪聲信號放大倍數(shù)大，造成其輸出端信噪比總是小于輸入端信噪比。已有相關文獻報道［11］，認為高重頻激光干擾信號具有隨機噪聲的特征，會加強導引頭的噪聲干擾，當高重頻干擾信號進入選通波門后，對數(shù)放大電路會提高噪聲強度，造成導引頭探測系統(tǒng)信噪比降低，大大降低了導引頭系統(tǒng)的探測識別能力，使選通跟蹤波門無法正常跟蹤目標的漫反射指示信號。因此，當導引頭采用對數(shù)放大電路時，高重頻激光造成的隨機噪聲干擾，會降低系統(tǒng)的信噪比，使激光制導武器更容易丟失目標，將提高高重頻激光干擾成功的幾率。

最后，導引頭一般采用和差比幅電路提取制導指令信號，四象限探測器輸出的4路信號放大對一致性要求較高，采用線性放大器一致性比較容易調整;對數(shù)放大器采用的是非線性放大，增益系數(shù)稍有偏差會就造成提取信號誤差變大，4路信號一致性比較難保證，所以相比自動增益控制，激光導引頭采用對數(shù)放大器4路信號一致性相對較差，高重頻激光干擾時，采用對數(shù)放大電路的激光導引頭更容易產生較大誤差。

通過上面分析可以看出，高重頻激光干擾是對抗半主動激光制導武器的有效干擾方式，但基于不同放大電路會有不同的作用效果。自動增益控制系統(tǒng)由于存在增益調整時間，不能完成對信號的瞬時放大，高重頻激光干擾會導致制導信號被屏蔽;對數(shù)放大電路可以對信號進行實時放大，但是會造成信號脈沖展寬，降低系統(tǒng)信噪比和4路信號一致性，使激光導引頭易被高重頻激光干擾。因此，在分析高重頻激光干擾效果時，需要考慮激光導引頭采用不同放大電路所帶來的影響。

4 結論

通過分析認為，高重頻激光干擾的作用對象為導引頭后續(xù)信號處理電路，基于高重頻激光干擾機理，簡述了高重頻激光干擾牽引效應;其次分析了激光導引頭大動態(tài)范圍信號放大的必要性，介紹了自動增益控制系統(tǒng)和對數(shù)放大器的原理;最后，分別基于自動增益控制系統(tǒng)和對數(shù)放大電路，對高重頻激光干擾效果進行了分析。結果表明，高重頻激光干擾是一種非常有效的干擾方式，但具體作用方式因導引頭采用放大電路的不同而不同;自動增益控制系統(tǒng)由于存在增益調整時間，不能完成對信號的瞬時放大，高重頻激光干擾會導致制導信號被屏蔽;對數(shù)放大電路會造成信號脈沖展寬，降低系統(tǒng)信噪比和4路信號一致性，使激光導引頭易被高重頻激光干擾。在高重頻激光干擾效果評估時，需要考慮激光導引頭采用不同放大電路的因素。研究結果對高重頻激光干擾效果評估具有重要意義。

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