鄒前進(jìn),張恒偉,柴國慶,王 非,王 東,苗錫奎

(中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心,河南 洛陽 471003)

1 引 言

激光主動干擾點(diǎn)源紅外跟蹤系統(tǒng)的目的主要是使得跟蹤系統(tǒng)對目標(biāo)跟蹤完全丟失(即光學(xué)鎖定斷開),或至少使得跟蹤系統(tǒng)對目標(biāo)跟蹤能力下降。但跟蹤系統(tǒng)跟蹤能力下降意味著,目標(biāo)仍可能處于導(dǎo)彈視場內(nèi),一旦干擾停止,跟蹤系統(tǒng)仍可以重新鎖定。因此,早期的光學(xué)鎖定斷開意味著更大的脫靶距離,如何獲取激光干擾干擾跟蹤系統(tǒng)敏感參數(shù),對干擾效果評估、干擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義重大。真實(shí)動態(tài)的外場試驗(yàn)真實(shí)直觀,但試驗(yàn)代價(jià)較高、風(fēng)險(xiǎn)較大。因此開展激光對點(diǎn)源跟蹤系統(tǒng)干擾敏感參數(shù)分析和近場縮比研究,對開展干擾設(shè)備研制和外場試驗(yàn)具有重要借鑒意義。

2 激光對點(diǎn)源跟蹤系統(tǒng)干擾敏感參數(shù)分析

為不失一般性,這里以旭日式調(diào)制盤為例進(jìn)行初步分析,調(diào)制盤如圖1所示。本文調(diào)制盤型點(diǎn)源跟蹤系統(tǒng)為AM調(diào)制盤式。

圖1 調(diào)制盤示意圖

圖1中上半圓為目標(biāo)像點(diǎn)調(diào)制區(qū),由多組圓心角相同的透光與不透光扇形相間配置而成；下半圓為半透明區(qū)。當(dāng)目標(biāo)像點(diǎn)處于調(diào)制盤內(nèi)時,隨調(diào)制盤的轉(zhuǎn)動探測器接受到周期性光脈沖,從而得到目標(biāo)信號[7]。當(dāng)調(diào)制盤以角速度Ω=2πF等速旋轉(zhuǎn)時,產(chǎn)生以方波為包絡(luò)的矩形脈沖串,透過函數(shù)為τ(Ωt)如式(1)所示[7]:

(1)

式中,Δqk為導(dǎo)引頭失調(diào)角和調(diào)制效率度量,當(dāng)目標(biāo)處于中心Δqk=0,當(dāng)目標(biāo)處于調(diào)制盤邊緣Δqk=1；Ω為調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)角頻率；θ為目標(biāo)方位角;ω為調(diào)制盤載頻。

本文激光干擾系統(tǒng)采用電流調(diào)制,無激勵電流時無干擾激光輸出。不考慮直流分量,干擾函數(shù)簡化為兩個方波相乘的形式如式(2)所示:

Sg=Sg1rect(Ω1t+θ1)rect(ω2t+θ2)

緊接著在第三段，評論員指出：Those who believe the current level of cyber attack is“war”are missing the bigger picture：War is war.People die in wars.Countries disappear and new countries are formed by war.People are displaced by war.Fortunes are made and fortunes are lost in war.

(2)

式中,Sg1為干擾激光輻射功率；θ1為外調(diào)制波形初相位,與時間相關(guān)；Ω1為干擾機(jī)輸出外調(diào)制頻率；θ2為干擾機(jī)重頻頻率初相位,與時間相關(guān)；ω2為激光重復(fù)頻率。

遠(yuǎn)場情況下激光干擾源與目標(biāo)近似處于同一幾何點(diǎn)上,輻射屬非相干光源,合成信號為兩者相加。合成信號與調(diào)制盤應(yīng)遵循串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)原理,為兩者相乘,經(jīng)歸一化處理后合成信號透過函數(shù)如式(3)所示[8]:

FS(t)=(F+Sg)τ(Ωt)

(3)

式中,FS(t)為合成信號透過函數(shù)；F為目標(biāo)輻射功率。

由信號處理原理,信號進(jìn)入系統(tǒng)首先進(jìn)行中心頻率為f=ω/2π的第一通帶濾波,然后進(jìn)行檢波和中心頻率為F=Ω/2π的第二通帶濾波,最后輸出誤差信號。本跟蹤系統(tǒng)為幅度檢波器,并基于調(diào)制曲線的線性段進(jìn)行線性檢波。根據(jù)其傳輸特性,并將式(1)、(2)代入式(3),進(jìn)行傅里葉變換展開,并略去高次項(xiàng)、直流項(xiàng)、載頻項(xiàng)[5,9]。激光背對背干擾時,干擾激光重復(fù)頻率與調(diào)制盤載頻很難完全一致,因此首先分析干擾激光外調(diào)制頻率與跟蹤系統(tǒng)外調(diào)制頻率相等、載頻不同情況下跟蹤系統(tǒng)輸出的理想包絡(luò)信號,如式(4)所示。將式(4)包絡(luò)信號在陀螺進(jìn)動放大器做進(jìn)一步處理,此放大器被旋轉(zhuǎn)角頻率Ω附近調(diào)諧工作。此驅(qū)動信號使得旋轉(zhuǎn)陀螺轉(zhuǎn)動,驅(qū)動跟蹤系統(tǒng)進(jìn)動。即跟蹤系統(tǒng)只對旋轉(zhuǎn)角頻率附近的直流慢變分量有響應(yīng)。當(dāng)不存在激光干擾時,調(diào)制盤在目標(biāo)方向、正比于4Δqk/π2F的速率向目標(biāo)進(jìn)動；當(dāng)存在激光干擾時,除了目標(biāo)和干擾共同引起的進(jìn)動向量外,還存在干擾引入的隨機(jī)擾動,此時跟蹤系統(tǒng)向目標(biāo)和干擾向量的平衡點(diǎn)進(jìn)動。

(4)

式中,第一項(xiàng)為目標(biāo)位置信息項(xiàng);第二項(xiàng)為虛假目標(biāo)位置信息項(xiàng);τ1為外調(diào)制脈寬；T1為外調(diào)制周期；τ2為激光重復(fù)脈沖寬度；T2為激光重復(fù)脈沖周期；式中其他參數(shù)定義與式(1)～(3)相同。

由上要求合成向量大于調(diào)制盤邊緣,跟蹤系統(tǒng)才能對目標(biāo)的光學(xué)鎖定斷開。由公式(4)可知:(a)干擾激光平均功率Sg1大于一定值,才能使得合成向量大于調(diào)制盤邊緣,引起光學(xué)斷開；(b)增大干擾激光占空比τ2/T2可增加干擾效果,但需考慮干擾功率；(c)干擾激光外調(diào)制頻率應(yīng)與調(diào)制盤外調(diào)制頻率一致；(d)增加外調(diào)制占空比τ1/T1可增加目標(biāo)同向進(jìn)動向量,可使得光學(xué)鎖定斷開效果增強(qiáng)；(e)增加干擾激光重頻,即減少T2可增加重復(fù)頻率占空比,但將導(dǎo)致單脈沖激光能量下降,將導(dǎo)致干擾性能下降；(f)外調(diào)制波形初相位θ1和干擾機(jī)重頻頻率初相位θ2為隨機(jī)量,導(dǎo)致了跟蹤系統(tǒng)進(jìn)動方向的震蕩,從而導(dǎo)致干擾效果起伏,并可能是一個隨機(jī)的過程。

不同于多數(shù)參考文獻(xiàn)中要求干擾脈沖重復(fù)頻率必須與載頻相近或相等[10-11],本文分析和相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都顯示:干擾激光重復(fù)頻率和導(dǎo)引頭載頻沒有特別嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。干擾激光外調(diào)制頻率與跟蹤系統(tǒng)外調(diào)制頻率、載頻均相等下輸出理想包絡(luò)信號如式(5)所示,各項(xiàng)定義如式(4)。從理論上可加入更多干擾,但擾動的方向不一致,不一定能增加干擾效果。

(5)

同時得到干擾激光外調(diào)制頻率是跟蹤系統(tǒng)0.5倍和1.5倍外調(diào)制頻率,載頻均不等情況下理想包絡(luò)信號。如式(6)、(7)所示,各項(xiàng)定義如式(4)。

sin(Ω1τ1)cos(2Ω1t+2θ1)]

(6)

(7)

由式(6)可知:激光半外調(diào)制頻干擾時,由于干擾激光倍頻,功率損失較大,最終影響光學(xué)鎖定斷開速度。由式(7)可知:兩者外調(diào)制頻率應(yīng)相近或相等,當(dāng)不相等,甚至過大時,激光一倍頻干擾項(xiàng)不存在,很難形成干擾；當(dāng)激光干擾外調(diào)制頻率與調(diào)制盤調(diào)制頻率相近,帶通濾波會引起響應(yīng)降低,同時還引入一個周期性的擾動,此時干擾合成向量的平衡點(diǎn)在調(diào)制盤內(nèi)周期運(yùn)動,引起光學(xué)鎖定斷開速度降低。

綜上,激光對點(diǎn)源跟蹤系統(tǒng)干擾敏感參數(shù)主要包括干擾激光平均功率、外調(diào)制頻率和外調(diào)制占空比。干擾激光重復(fù)頻率和干擾激光脈沖制占空比應(yīng)滿足激光器最佳工作狀態(tài),以提高干擾激光功率。

3 激光干擾敏感參數(shù)實(shí)測驗(yàn)證

在近場干擾跟蹤系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中,目標(biāo)、氣象條件和干擾距離等與實(shí)際存在差異。為與外場干擾試驗(yàn)保持一致,需要對目標(biāo)、氣象條件和激光干擾功率密度等進(jìn)行等效模擬。典型實(shí)驗(yàn)光路如圖2所示。本文跟蹤系統(tǒng)可以輸出目標(biāo)截獲信號、電鎖信號、音響信號和基準(zhǔn)信等,當(dāng)電鎖信號處于搜索狀態(tài),則跟蹤系統(tǒng)光學(xué)斷開。干擾激光系統(tǒng)采用光參量振蕩技術(shù),將1.064 μm激光脈沖經(jīng)過去雜散光、偏振處理之后,通過非線性晶體輸出為中紅外激光,能量、外調(diào)制頻率、占空比和激光重復(fù)頻率可調(diào)。使用中波衰減片對干擾激光功率進(jìn)行衰減。使用COHERENT公司的PM10功率計(jì)對干擾激光進(jìn)行測量監(jiān)測,測量精度為1 mW。使用中溫黑體和可變光闌模擬目標(biāo)。

圖2 激光干擾點(diǎn)源跟蹤系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)光路示意圖

3.1 目標(biāo)模擬

模擬目標(biāo)黑體溫度設(shè)定原則:(1)使得外場真實(shí)目標(biāo)與近場中溫黑體在跟蹤系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)入瞳處輻射照度相等；(2)使得外場真實(shí)目標(biāo)與近場中溫黑體對應(yīng)的立體角相等。實(shí)驗(yàn)中首先利用紅外仿真計(jì)算軟件計(jì)算目標(biāo)中波波段輻射；采用目前通用大氣輻射傳輸計(jì)算軟件MODTRAN,根據(jù)具體戰(zhàn)情氣象參數(shù),計(jì)算中波波段內(nèi)大氣路徑輻射亮度和透過率。根據(jù)相應(yīng)公式[5],考慮路徑輻射亮度、路徑大氣衰減,可以得到中溫黑體輻射出射度如式(8)所示:

(8)

式中,MB為目標(biāo)模擬黑體輻射出射度；Lareal為計(jì)算得到的目標(biāo)真實(shí)平均輻射亮度；τpath為想定距離、氣象條件路徑衰減；Lpath為路徑輻射亮度；ST為目標(biāo)輻射面積；θT為目標(biāo)平面法線與視線夾角；lreal為想定距離；lN為模擬實(shí)驗(yàn)距離；τN為近場實(shí)驗(yàn)大氣衰減；ΔAB為黑體輻射面積；θB黑體平面法線與視線夾角。

根據(jù)普朗克公式,采用二分法求解普朗克公式可以計(jì)算目標(biāo)的黑體等效溫度。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)戰(zhàn)情想定不同的地面氣象條件和目標(biāo)參數(shù),計(jì)算不同觀測角下的需要模擬的黑體溫度和面積。

3.2 干擾激光功率模擬

不考慮激光出口光斑大小情況下,干擾激光在某一位置處功率密度滿足式(9)關(guān)系[6]:

(9)

式中,E為跟蹤系統(tǒng)處激光功率密度；P為干擾激光輸出功率；θ為激光器束散角；l為干擾距離；τ為路徑大氣衰減。

需要在干擾激光出口放置衰減片才能使得近場跟蹤系統(tǒng)處干擾激光功率密度和外場想定目標(biāo)處的相等,根據(jù)式(9)則激光衰減倍率滿足式(10)。

(10)

式中,η為激光功率衰減比；其他參數(shù)定義同式(8)。

實(shí)驗(yàn)中根據(jù)衰減片倍率,并同時調(diào)整干擾激光器進(jìn)行近場跟蹤系統(tǒng)處功率模擬。

3.3 典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對于跟蹤系統(tǒng)跟蹤視場及丟失目標(biāo)后的搜索視場參數(shù)固定,且輸出的電鎖信號電壓與視場角存在固定關(guān)系。一般情況下激光干擾前后電鎖信號電壓差大于半視場和搜索視場之和電壓,則認(rèn)為此時目標(biāo)已處于跟蹤系統(tǒng)視場外,即跟蹤系統(tǒng)處于光學(xué)鎖定斷開狀態(tài)。根據(jù)上述設(shè)置,進(jìn)行了多組不同激光功率、外調(diào)制頻率、外調(diào)制占空比和重復(fù)頻率下激光干擾跟蹤系統(tǒng)近場實(shí)驗(yàn)。跟蹤系統(tǒng)干擾前后電鎖信號變化典型結(jié)果如圖3所示。

假定跟蹤系統(tǒng)掃描角頻率為Ω,載波角頻為ω,干擾激光外調(diào)制角頻率Ω1,重復(fù)角頻率為ω2。典型的干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下:(1)即使外調(diào)制頻率和外調(diào)制占空比相同,干擾激光仍必須大于某一功率；(2)在外調(diào)制占空比為50 %、重復(fù)頻率為最低重復(fù)頻率N kHz、外調(diào)制頻率為Ω/2π、Ω/(2π±1)和Ω/4π時,激光可對跟蹤系統(tǒng)形成有效干擾,其他外調(diào)制頻率干擾無效；(3)重復(fù)頻率為NkHz、外調(diào)制頻率為Ω/2π,外調(diào)制占空比為50 %、60 %、70 %和80 %時可形成有效干擾；(4)在外調(diào)制占空比50 %、外調(diào)制頻率為Ω/2π、激光重復(fù)頻率為(N+1)kHz、(N+2)kHz、(N+3)kHz和(N+4)kHz下,激光未能對跟蹤系統(tǒng)形成有效干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和上文敏感參數(shù)分析結(jié)果一致,因此干擾激光參數(shù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)設(shè)置時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注上述參數(shù)。

4 結(jié) 論

本文分析了激光干擾調(diào)制盤型點(diǎn)源跟蹤系統(tǒng)光學(xué)鎖定斷開的干擾激光敏感參數(shù)。根據(jù)分析結(jié)果和近遠(yuǎn)場能量等效原則,在近場開展了激光干擾跟蹤系統(tǒng)光學(xué)鎖定斷開實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析一致。分析和實(shí)驗(yàn)均表明:激光干擾效果與激光功率、外調(diào)制頻率和外調(diào)制占空比密切相關(guān),因此應(yīng)實(shí)現(xiàn)干擾目標(biāo)類型探測,以實(shí)現(xiàn)針對性干擾；干擾激光重復(fù)頻率和跟蹤系統(tǒng)載頻沒有特別嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系,應(yīng)滿足最佳輸出功率可能更有意義。由于本文未考慮跟蹤系統(tǒng)飛控,因此嚴(yán)格要求光學(xué)鎖定斷開,干擾判據(jù)較為嚴(yán)格,下一步將開展整流程干擾結(jié)果研究。本文對小功率激光干擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制和試驗(yàn)開展具有重要參考意義。