高重頻激光對(duì)不同編碼體制的干擾效果研究

趙 乾，劉志國，王仕成，張 帥

(第二炮兵工程大學(xué)，陜西西安 710025)

高重頻激光對(duì)不同編碼體制的干擾效果研究

趙 乾，劉志國，王仕成，張 帥

(第二炮兵工程大學(xué)，陜西西安 710025)

針對(duì)高重頻激光干擾與不同激光編碼之間關(guān)系的研究不夠深入這一問題，采用歸一化互相關(guān)函數(shù)法，量化分析了高重頻激光干擾在搜索識(shí)別階段對(duì)不同編碼體制的干擾效果。仿真結(jié)果表明，高重頻激光對(duì)不同編碼體制的干擾效果存在差異;重復(fù)頻率高于120kHz時(shí)，對(duì)所有編碼體制的干擾概率幾乎均為100%，各編碼體制間無明顯差別。

激光干擾;高重頻;編碼體制;干擾效果

1 引 言

激光制導(dǎo)半主動(dòng)尋的武器由于其制導(dǎo)精度高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)［1］等特點(diǎn)，在精確制導(dǎo)武器中所占比重越來越大。同時(shí)，作為激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器實(shí)現(xiàn)同時(shí)攻擊多目標(biāo)和提高抗干擾性［2］的重要手段，各軍事大國均大力發(fā)展激光編解碼技術(shù)。

隨著較為復(fù)雜的編碼技術(shù)和先進(jìn)的窄波門技術(shù)的發(fā)展，激光制導(dǎo)武器的抗干擾能力越來越強(qiáng)［3］。角度欺騙干擾作為目前最主要的激光有源干擾方式，其快速識(shí)別編碼規(guī)律，并在波門開放的短暫時(shí)間內(nèi)進(jìn)入波門，形成有效干擾越來越困難。因此，高重頻激光干擾作為一種全新的光電對(duì)抗方式，無需對(duì)敵方激光脈沖信號(hào)進(jìn)行編碼識(shí)別和復(fù)制就能使假目標(biāo)信號(hào)進(jìn)入敵方信號(hào)處理系統(tǒng)，大大提高了對(duì)抗的主動(dòng)性和適應(yīng)能力［4］，逐漸成為一種非常有效的干擾方式，受到越來越多的重視和研究。

目前高重頻激光干擾的研究主要集中在作用機(jī)理、關(guān)鍵參數(shù)、實(shí)施方式、工作模式等方面，而高重頻激光干擾對(duì)不同編碼體制干擾效果的研究較少且分析的編碼體制不夠全面［5］。本文采用一種新的評(píng)估方法——?dú)w一化互相關(guān)函數(shù)法來描述高重頻激光干擾對(duì)不同編碼體制的干擾效果。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析高重頻激光對(duì)不同編碼體制的干擾機(jī)理，為提高高重頻激光干擾效果提供依據(jù)。

2 高重頻激光干擾

高重頻激光干擾可分為欺騙式干擾和壓制式干擾兩種工作模式，目前大部分文獻(xiàn)中所提到的高重頻激光干擾是欺騙式高重頻激光干擾，它是指采用高重頻激光器作為激光干擾源，通過直接向激光導(dǎo)引頭發(fā)射或者由激光導(dǎo)引頭視場(chǎng)內(nèi)的假目標(biāo)反射的方式，使脈沖重復(fù)頻率足夠高的高重頻激光脈沖進(jìn)入激光導(dǎo)引頭的時(shí)間波門內(nèi)，將制導(dǎo)信號(hào)淹沒在干擾信號(hào)中，使激光導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的不確定性增加，目標(biāo)信息的截獲概率降低，致使激光制導(dǎo)武器因提取不出信息而迷盲，或提取錯(cuò)誤信息而被引偏，從而達(dá)到干擾作用［6－8］。

激光高重頻干擾的關(guān)鍵是在激光導(dǎo)引頭的有限波門寬度內(nèi)進(jìn)入的干擾信號(hào)數(shù)目及其相對(duì)于制導(dǎo)信號(hào)的時(shí)間關(guān)系［7］。由于高重頻激光器的工作重復(fù)頻率通常在1kHz以上［9］，波門寬度的設(shè)置一般為幾十微秒，故高重頻激光干擾信號(hào)很容易進(jìn)入波門，特別是在波門設(shè)置較寬的導(dǎo)引頭搜索識(shí)別階段。要形成有效干擾，進(jìn)入波門的干擾激光還需要滿足波長、脈寬、峰值功率、能量等條件［8］。受激光器功率限制，高重頻干擾激光的發(fā)射方式通常為直瞄式。

3 常用激光編碼

激光編解碼技術(shù)，是激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器對(duì)抗激光有源干擾的核心技術(shù)，國內(nèi)外的研究都非常重視且高度保密。從公開發(fā)表的文獻(xiàn)看，目前提出的激光編碼方法主要有以下幾種［2－3，10－12］:精確頻率碼、脈沖調(diào)制碼、二間隔碼、等差型編碼、偽隨機(jī)碼等。

3.1 精確頻率碼

精確頻率碼是指編碼的激光脈沖間隔ΔT0在整個(gè)照射周期內(nèi)固定不變。其脈沖序列由下式給出:

3.2 脈沖間隔碼(PCM)

又稱脈沖調(diào)制碼，是指對(duì)一定重復(fù)頻率脈沖序列的激光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的編碼。通過調(diào)制，使某個(gè)應(yīng)該產(chǎn)生激光的脈沖不發(fā)射，產(chǎn)生方式是在固定位數(shù)的循環(huán)移位寄存器內(nèi)設(shè)置好碼型，然后在固定的時(shí)鐘下循環(huán)移位。該碼原則上講是偽隨機(jī)碼的特例。

3.3 二間隔碼

二間隔碼是指采用兩個(gè)時(shí)間間隔T1和T2(T1+T2=2T0)，使激光脈沖整個(gè)照射周期內(nèi)按重復(fù)間隔T0的規(guī)律周期變化的編碼。若T1為奇數(shù)激光脈沖的時(shí)間間隔，T2為偶數(shù)激光脈沖的時(shí)間間隔，則其脈沖序列由下式給出:

式中，n=1，2，3…，a=0，1，且a=0表示首次脈沖相遇是小間隔脈沖，a=1表示首次相遇是大間隔脈沖。

3.4 有限位隨機(jī)周期碼

其特點(diǎn)是在同一個(gè)周期內(nèi)，各脈沖間隔是隨機(jī)的。產(chǎn)生該編碼采用的可能方法是在信源中隨機(jī)選取n個(gè)脈沖間隔組成一組編碼。該編碼與PCM編碼的不同之處在于脈沖間隔沒有明顯的依賴性，但具有較強(qiáng)的重復(fù)性。

比較有代表性的是美國采用的脈沖重復(fù)頻率(PRF)編碼，通常為3～4位，采用八進(jìn)制表示，1～8代表8個(gè)不同的時(shí)間間隔。

3.5 等差型編碼

等差型編碼是指各個(gè)脈沖間隔具有某種趨勢(shì)，例如從大到小或從小到大，脈沖間隔具有一定規(guī)律但全程不循環(huán)的編碼方式。例如，首脈沖間隔為T0的等差型兩種編碼如下:

3.6 偽隨機(jī)碼

偽隨機(jī)碼實(shí)質(zhì)上是在一固定的有限位移位寄存器內(nèi)設(shè)置好起始碼型，并將輸出經(jīng)過反饋函數(shù)反饋到寄存器中，使編碼的周期不循環(huán)，既具有隨機(jī)碼的性質(zhì)，又具有一定的規(guī)律性。該方法產(chǎn)生的編碼稱為LFSR調(diào)制碼，其與PCM碼的不同之處在于移位寄存器具有反饋函數(shù)，周期得到極大擴(kuò)展。對(duì)于偽隨機(jī)碼的干擾，通常識(shí)別出最小周期，而后進(jìn)行準(zhǔn)同步干擾或高重頻干擾。

為了增強(qiáng)抗干擾性，目前還有一種編碼，稱為LFSR狀態(tài)碼，即采用線性反饋移位寄存器的每個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)a(i)=(a1a2…a8)(i)進(jìn)行編碼，形成脈沖間隔序列ΔT={ΔTn|n≥1}，具體編碼方法為:

式中，ΔTc為常值;Δtu為編碼時(shí)間基元;［·］2→10表示二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制運(yùn)算。

4 干擾效果分析

激光解碼分為兩個(gè)過程:搜索識(shí)別過程和鎖定跟蹤過程。下面對(duì)搜索識(shí)別過程中高重頻激光干擾對(duì)不同編碼體制的干擾效果進(jìn)行定量分析。

4.1 干擾概率模型的建立

故若高重頻激光干擾在搜索識(shí)別過程中能夠有效干擾激光編碼，則高重頻激光干擾信號(hào)與激光編碼信息滿足解碼方程。設(shè)激光編碼信息采樣后為x(n)，激光高重頻干擾信號(hào)采樣后為y(n)，定義二者的歸一化互相關(guān)函數(shù):式中，N為數(shù)字相關(guān)器的長度;M為數(shù)字相關(guān)器長度內(nèi)包含的激光編碼脈沖個(gè)數(shù)。

則式(8)可以用來描述高重頻激光干擾與激光編碼之間的對(duì)抗效果，即高重頻激光干擾信號(hào)與激光編碼信號(hào)的歸一化互相關(guān)函數(shù)越接近于1，則干擾效果越好;反之則干擾效果越差。

4.2 干擾效果的定量分析

以第3節(jié)介紹的幾種激光編碼為例，利用式(8)所得歸一化互相關(guān)函數(shù)，定量分析不同高重頻激光干擾對(duì)各激光編碼的干擾概率。在仿真中，假設(shè)高重頻激光滿足波長、脈寬、功率等條件，取解碼方程參數(shù)為M=6，采樣周期為0.01 ms。

4.2.1 對(duì)精確頻率碼的干擾效果

取頻率為97.38 ms的精確頻率碼，則歸一化互相關(guān)函數(shù)如圖1所示。

圖1 對(duì)精確頻率碼的干擾效果Fig.1 Jamming effect to precise frequency code

由圖1可知，高重頻激光干擾的重復(fù)頻率越高干擾效果越好，且在較低重復(fù)頻率下仍能達(dá)到較好的干擾效果。如在21kHz時(shí)歸一化互相關(guān)函數(shù)為1，即在搜索識(shí)別段高重頻激光干擾以該重復(fù)頻率可完全干擾此精確頻率碼。由此可知，高重頻激光干擾對(duì)精確頻率碼的干擾效果較好。根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)精確頻率碼的干擾可采用較低頻率，干擾效果較好且降低了對(duì)高重頻激光器的要求。

4.2.2 對(duì)PCM碼的干擾效果

取重復(fù)頻率為20.54 Hz的1001011碼型的7位脈沖間隔碼，則歸一化互相關(guān)函數(shù)如圖2所示。

圖2 對(duì)PCM碼的干擾效果Fig.2 Jamming effect to PCM code

由圖2可知，高重頻激光干擾對(duì)PCM碼的干擾效果與精確頻率碼有相同趨勢(shì)，干擾效果較好，原因在于PCM碼循環(huán)時(shí)采用的時(shí)鐘基數(shù)是確定的，其脈沖間隔是時(shí)鐘基數(shù)的整數(shù)倍。低于80 kHz的高重頻干擾效果要差于對(duì)精確頻率碼的干擾，但仍可通過技術(shù)手段識(shí)別編碼周期后，以較低重復(fù)頻率達(dá)到較好的干擾效果，如圖2中的30 kHz對(duì)該時(shí)鐘基數(shù)下的PCM碼可完全干擾。

PCM碼在原則上講屬于LFSR調(diào)制碼的特例，而在搜索識(shí)別段采樣較短，高重頻激光干擾對(duì)LFSR調(diào)制碼的干擾概率與PCM碼的干擾效果無明顯差異。

4.2.3 對(duì)二間隔碼的干擾效果

取兩個(gè)時(shí)間間隔分別為 T1=97.38，T2= 99.57，則歸一化互相關(guān)函數(shù)如圖3所示。

圖3 對(duì)二間隔碼的干擾效果Fig.3 Jamming effect to two interval code

由圖3可知，高重頻激光干擾對(duì)二間隔碼的干擾仍可以較低重復(fù)頻率達(dá)到較好的干擾效果。由于采用了兩個(gè)毫不相關(guān)的時(shí)間間隔，高重頻激光干擾對(duì)其的干擾效果要差于精確頻率碼。

4.2.4 對(duì)有限位隨機(jī)碼的干擾效果

設(shè)有限位隨機(jī)周期碼共有4個(gè)脈沖間隔，分別為97.38 ms，99.57 ms，90.53 ms和94.68 ms，則歸一化互相關(guān)函數(shù)如圖4所示。

圖4 對(duì)有限位隨機(jī)碼的干擾效果Fig.4 Jamming effect to limited random code

由圖4可知，高重頻激光干擾對(duì)四位有限位隨機(jī)碼的干擾效果較差，重復(fù)頻率達(dá)到110 kHz以上才能達(dá)到較好的干擾效果。與圖1、圖3對(duì)比可知，隨著不相關(guān)間隔的增加，高重頻激光干擾的效果會(huì)變差。

4.2.5 對(duì)等差型編碼的干擾效果

等差型編碼有等差遞增型和等差遞減型兩種，仿真中采用等差遞增型編碼，取等差型編碼的首脈沖間隔ΔT為97.38ms，Δt為0.1ms，則歸一化互相關(guān)函數(shù)如圖5所示。

圖5 對(duì)等差遞增型編碼的干擾效果Fig.5 Jamming effect to arithmetic increasing code

由圖5可知，高重頻激光干擾對(duì)等差遞增型編碼的干擾要得到較好的效果，所需重復(fù)頻率較高。雖然等差遞增型編碼規(guī)律性較強(qiáng)，但其時(shí)間間隔一直在變化，其抗高重頻激光干擾效果較好。等差遞減型編碼具有相同的規(guī)律。

4.2.6 對(duì)LFSR狀態(tài)碼的干擾效果

取重復(fù)頻率為 20.5 4Hz、初始狀態(tài)為10100100、反饋函數(shù)為f(x1，x2，…，x8)=x1+x3+x4+x5的移位寄存器產(chǎn)生LFSR狀態(tài)碼，則歸一化互相關(guān)函數(shù)如圖6所示。

圖6 對(duì)LFSR狀態(tài)碼的干擾效果Fig.6 Jamming effect to LFSR status code

由圖6可知，高重頻激光干擾對(duì)LFSR狀態(tài)碼的干擾與對(duì)有限位隨機(jī)碼的干擾效果相近。原因在于仿真中選取的解碼方程參數(shù)M=6，LFSR狀態(tài)碼有六個(gè)不同的間隔，有限位偽隨機(jī)碼隨機(jī)間隔有四個(gè)，二者相差較小。當(dāng)采樣長度增加時(shí)，LFSR狀態(tài)碼由于每個(gè)時(shí)間間隔都不同，其對(duì)抗高重頻激光干擾的效果將優(yōu)于有限位隨機(jī)碼。

5 結(jié)束語

本文以歸一化互相關(guān)函數(shù)為評(píng)判指標(biāo)，定量分析了高重頻激光干擾在搜索識(shí)別段對(duì)不同編碼體制的干擾效果。仿真結(jié)果表明，高重頻激光干擾對(duì)不同編碼體制的干擾效果不同，對(duì)精確頻率碼及二間隔碼的干擾效果較好，采用較低的重復(fù)頻率即可達(dá)到較好的干擾效果;高重頻激光干擾的效果取決于脈沖間隔的隨機(jī)性，隨機(jī)性越強(qiáng)干擾效果越差。對(duì)于有限位隨機(jī)碼及等差型編碼，雖然在仿真中抗干擾效果較好，但由于存在周期短和規(guī)律性強(qiáng)的特點(diǎn)，很容易被識(shí)別，高重頻激光干擾對(duì)二者的干擾效果可進(jìn)一步增強(qiáng);PCM碼與LFSR調(diào)制碼形成的脈沖間隔為時(shí)鐘基數(shù)的整數(shù)倍，也容易被識(shí)別以增強(qiáng)高重頻激光干擾效果;LFSR狀態(tài)碼循環(huán)周期長、脈沖間隔具有隨機(jī)性，高重頻激光干擾效果較差，在今后研究中要加強(qiáng)對(duì)該編碼干擾方法的研究。

研究還發(fā)現(xiàn)，高重頻激光干擾的重復(fù)頻率越高，干擾效果越好，對(duì)不同編碼體制干擾概率大小的差異主要體現(xiàn)在120 kHz以下，當(dāng)重復(fù)頻率達(dá)到120 kHz以上時(shí)，對(duì)所有編碼干擾概率均為100%且各編碼體制之間無明顯差別;不同重復(fù)頻率對(duì)編碼的干擾效果不同，采樣頻率越低、采樣長度越長，高重頻激光干擾效果越差。通過仿真結(jié)果，還可根據(jù)不同編碼體制選擇較低頻率的高重頻，在降低對(duì)激光器要求的同時(shí)達(dá)到較好的干擾效果。

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Research on the effect of high-repetition-frequency laser jamm ing on different coding systems

ZHAO Qian，LIU Zhi-guo，WANG Shi-cheng，ZHANG Shuai
(The Second Artillery Engineering University，Xi’an 710025，China)

Focusing on the fact that the study of high-repetition-frequency laser jamming to different coding systems is little，the normalized cross-correlation function is adopted to quantify the effectof high-repetition-frequency laser jamming on different coding systems in classification process.Simulation results indicate that the effectofhigh-repetitionfrequency laser jamming to different coding systems exists differences;When the laser frequency exceeds120kHz，the efficiencies of the jamming to different coding systems are almost100%and there is no significant difference between the coding systems.

laser jamming;high-repetition-frequency;coding system;jamming effect

TN977

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.014

1001-5078(2014)04-0414-05

趙 乾(1991－)，男，碩士生，研究方向?yàn)榧す庵茖?dǎo)仿真、激光對(duì)抗。E-mail:zhaoqian_cool@163.com

2013-08-23

book=418,ebook=341