路 明，蘇益德，孔德浩

(海軍航空工程學院 a.兵器科學與技術系; b.研究生管理大隊， 山東 煙臺 264001)

【航空和航海工程】

激光引信雙波束探測抗海雜波技術研究

路 明a，蘇益德b，孔德浩b

(海軍航空工程學院 a.兵器科學與技術系; b.研究生管理大隊， 山東 煙臺 264001)

提高海戰(zhàn)場環(huán)境下空空導彈激光引信的超低空性能，主要是增強引信抑制海雜波、提取目標信號的能力。本文提出了一種激光引信雙波束探測抗海雜波干擾的技術，在分析雙波束探測激光引信系統(tǒng)原理的基礎上，對組成發(fā)射和接收光學系統(tǒng)的光學元件參數(shù)、信號處理系統(tǒng)的工作過程和預定延時算法著重進行分析，最后給出了該引信系統(tǒng)的抗海雜波性能。采用雙波束探測的激光引信能夠有效抑制海浪以及海面后向散射信號的干擾。

激光引信；雙波束探測；海雜波；超低空

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，使用空空導彈攔截海面超低空飛行目標的作戰(zhàn)需求越來越迫切[1]。對于海戰(zhàn)場環(huán)境下超低空突防的武裝直升機、巡航導彈、反艦導彈、無人機等，引信在探測目標時，天線波束照射到海面，會接收到強烈的海面后向散射回波，引信必須具備較強的抑制能力，從強的海雜波環(huán)境下檢測出目標，因此引信的超低空能力決定了空空導彈超低空作戰(zhàn)性能。

目前空空導彈主要采用無線電引信和激光引信，無線電引信常用的超低空技術有兩種，距離波門壓縮技術和頻譜識別技術[2-4]。距離波門壓縮技術依據引信與海面之間的高度實時調整距離選通波門的寬度，將海雜波信號截止在距離波門之外，但引信的啟動概率會隨著作用距離的減小而不斷降低；頻譜識別技術依據引信與目標之間的相對速度大于引信與海面的相對速度，海雜波與目標回波之間存在多普勒頻差，利用多普勒頻差濾除海雜波，但當彈目交會角較大(≥45°)，目標速度較低(≤100 m/s)時，海雜波與目標回波頻差很小，有效分辨率較低。而激光引信由于方向性好且頻率處于光波頻段，超低空工作條件下，激光引信比無線電引信更具優(yōu)勢，但我國目前在激光引信超低空技術的研究方面相對較少。為此本文提出激光引信雙波束探測技術提高引信的超低空性能，針對該引信系統(tǒng)的發(fā)射和接收光學系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)進行詳細的分析，對其抗海雜波干擾性能進行研究。

1 雙波束探測的原理

雙波束激光探測系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)、激光發(fā)射系統(tǒng)、目標識別與探測系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、高度支路以及引爆系統(tǒng)。激光引信采用偽隨機編碼定距體制，其原理框圖如圖1所示。

圖1 激光引信雙波束探測原理框圖

電源系統(tǒng)給整個系統(tǒng)供電，激光發(fā)射系統(tǒng)用于產生兩個不同探測視場角的圓錐狀探測光束。電源系統(tǒng)給驅動電路供電，在驅動電路的作用下，半導體激光器受激輻射，輸出脈沖激光。光束準直系統(tǒng)進行光束的擴束和壓縮，使半導體激光器發(fā)出的光束達到探測目標的要求，并提高激光束的使用效率。經過雙錐反射鏡的作用形成兩個不同頂角的圓錐狀激光探測視場A和B，分別對稱布置在彈軸的兩側。目標識別與探測系統(tǒng)用于接收目標回波并將光信號轉換為電信號送入信號處理系統(tǒng)。高度支路用于獲取空空導彈據海面的高度信息，采用脈沖測距的工作方式。信號處理系統(tǒng)以及引爆系統(tǒng)依據目標回波信息產生起爆信號。彈目交會時，目標首先遇到光錐A，激光波束經目標反射形成回波信號，經過前反射鏡、前探測器以及前視頻放大器的作用進入信號處理系統(tǒng)，計時器開始計時，一段時間后，目標遇到光錐B，回波信號經后反射鏡、后探測器、后視頻放大器的作用進入信號處理系統(tǒng)，計時器停止計時，與預先設定的時間范圍進行比較，若在預定的時間范圍內，則定為來襲目標，當回波信號的滿足啟動要求時，經過必要的時間延遲，送入執(zhí)行級產生起爆信號。

2 發(fā)射和接收光學系統(tǒng)

2.1 發(fā)射光學系統(tǒng)

激光發(fā)射系統(tǒng)由偽碼產生器、調制器、與門、驅動電路、半導體激光器、激光準直系統(tǒng)、雙錐反射鏡組成，其中激光準直系統(tǒng)以及雙錐反射鏡構成激光發(fā)射的光學系統(tǒng)。激光準直系統(tǒng)，對光束進行優(yōu)化，使其達到激光引信所需要的參數(shù)[5]，同時提高激光光束的使用效率。為保證激光發(fā)射系統(tǒng)的輻射脈沖激光經天線視野窗口發(fā)射出兩個等光強且探測視場角不同的環(huán)形光束，將反射錐設計成具有前后兩個不同錐角的反射鏡，兩錐沿軸線的長度相同，后錐直徑與準直鏡的尺寸相同。為得到更好的反射效果，雙錐反射鏡的表面鍍有與激光波長相匹配的全反射膜。雙錐反射鏡的示意圖如圖2所示。

圖2 雙錐反射鏡示意圖

由圖2中的幾何關系得，激光引信的探測視場角與雙錐反射鏡的錐角之間的關系式為：

(1)

其中，φ1為前探測視場的視場角，φ2為后探測視場的視場角，θ1和θ2為雙錐反射鏡的錐角。

以空空導彈彈頭激光引信的位置O為原點建立三維笛卡爾坐標系，φ1、φ2為激光引信的前后探測錐傾角，某時刻艦空導彈通過第一個光錐O1點，引信的作用距離為R，脫靶量為ρ，脫靶的方位角為β，其彈目交會作用圖如圖3所示。為保證光束對目標有效的覆蓋，根據彈目迎頭攻擊交會的特點，在相對速度坐標系內，雙波束激光引信的可靠作用距離與脫靶量參數(shù)的關系式為[6]：

(2)

雙探測視場之間的水平距離與引信的作用距離之間的關系式為：

(3)

其中，S為雙探測視場之間的水平距離，θ為空空導彈的彈軸與水平方向之間的夾角。

圖3 彈目交會作用圖

空空導彈攔截反艦導彈時，彈目高速交會且脫靶量較大，垂直探測由于無提前量，引信可作用于探測的時間較短，難于獲得做夠的目標信息，為此雙波束探測采用前向探測。前向探測的光學系統(tǒng)前傾程度要求盡可能的大，但其受到光學系統(tǒng)的結構以及探測回波能量的限制，當傾斜角度過大，引信的作用距離增加，引信探測回波能量降低，光學系統(tǒng)的效率下降。選取前傾角度為45°，45°的前傾角可以獲得與脫靶量相等的提前量，且探測距離只增加40%，光學系統(tǒng)的效率下降在允許范圍內[7]，故可選取后探測視場的前傾角為45°，前探測視場的傾角與脫靶量、脫靶方位角、引信的作用距離、雙波束視場的水平探測范圍以及導彈的姿態(tài)角多種因素有關。

2.2 接收光學系統(tǒng)

接收光學系統(tǒng)將反射鏡的回波信號匯聚到光電探測器的光敏面上，當目標經過第一個光錐時，只允許前探測器能夠接收目標反射信號，當目標經過一定的時間延遲到達第二個光錐時，允許前后兩個探測器同時接收目標反射信號。故接收光學系統(tǒng)設計為一前一后的特殊形式。激光引信雙波束探測的光學系統(tǒng)從左至右依次為：后探測器、后透射鏡、脈沖激光器、準直鏡、雙錐反射鏡、前探測器、前透射鏡。其中前、后透射鏡以及前、后探測器組成激光引信的接收光學系統(tǒng)。激光引信的光路示意圖如圖4所示。

圖4 激光引信光路示意圖

前后接收窗口沿導彈彈軸的方向布置在發(fā)射窗口的兩側，不同組的發(fā)射和接收窗口沿導彈圓周方向均勻排列。若激光發(fā)射窗口為M，則前后接收窗口的N1=N2≥M，接收視場角應α≥360°/M。若采用6個扇區(qū)實現(xiàn)為實現(xiàn)360°周視探測，則接收視場角α≥60°。同時探測視場角的大小與接收光學系統(tǒng)的焦距以及光電探測器的參數(shù)有關，具體的表達式[8]為：

(4)

其中，α為接收視場角；ds為光電轉換器的光敏面直徑；f接收光學系統(tǒng)的焦距。

對于前后透射鏡，加大其有效光通直徑，引信的探測范圍加大，但干擾信號會增加。故前后透射鏡光學參數(shù)的選擇取還受到雙波束視場的探測范圍以及引信的長度的影響。對于光電探測器，應考慮其響應速度以及頻率響應特性，故可選取硅PIN型光電二極管，體積小、響應速度快、靈敏度高、噪聲小以及線性工作范圍大，探測靈敏度一般為10-8W[9]。

3 信號處理系統(tǒng)

3.1 預定延時算法

雙波束探測的激光引信的作用過程示意圖如圖5所示，以空空導彈彈頭激光引信的位置O為原點建立笛卡爾坐標系，其中φ1、φ2為激光引信的前后探測錐傾角，空空導彈的速度矢量為VM，反艦導彈的速度矢量為VT，兩者的相對速度矢量為Vr，空空導彈的速度矢量與反艦導彈的速度矢量之間的夾角為θ，相對速度矢量與反艦導彈速度矢量之間的夾角為α1，設某一時刻t0空空導彈與反艦導彈之間的距離為S0，空空導彈據海面高度為hM，反艦導彈據海面高度為hT，經過時間Δt反艦導彈在坐標系內飛行的距離為S。

圖5 雙波束探測激光引信作用過程示意圖

由圖5中幾何關系可得，彈目之間的相對速度矢量值的大小為：

(5)

相對速度與反艦導彈速度矢量之間的夾角為：

(6)

空空導彈與反艦導彈的距離為：

(7)

反艦導彈飛行的距離為：

(8)

則反艦導彈通過前后探測波束的運動時間Δt為：

(9)

依據式(9)可知，反艦導彈通過前后激光探測視場的時間與彈目速度、彈目速度矢量夾角、前后探測視場傾角以及彈目據海面的高度差有關。其中，彈目距海面的高度差與延遲時間成正比例關系，由于彈目交會段，空空導彈采用俯沖攻擊，其速度基本保持不變，故此處不考慮空空導彈對預定延時時間的影響。利用Matlab軟件，仿真得到預定延時時間與反艦導彈的速度、彈目速度矢量夾角以及前后視場傾角的關系曲線。仿真參數(shù)設置為：空空導彈的速度取750 m/s，反艦導彈的速度取300～450 m/s，彈目速度矢量夾角取10°～45°，前探測視場傾角取10°～30°，后探測視場的傾角30°～45°，初始時彈目據海面的高度差取為15 m。具體的仿真結果如圖6～圖9所示。

圖6 預定延時時間與反艦導彈速度關系

圖7 預定延時時間與彈目速度夾角關系

圖8 預定延時時間與前視場傾角關系

圖9 預定延時時間與后視場傾角關系

由仿真結果可知，反艦導彈通過激光引信前后雙波束視場的時間隨著反艦導彈速度的增加而逐漸加大，隨著彈目速度矢量夾角的增大，預定延時時間而逐漸增加而后趨于穩(wěn)定。若反艦導彈采取機動措施，提高飛行速度，則其通過雙波束探測視場的時間增加，同時由于空空導彈的飛行姿態(tài)角也會對反艦導彈通過雙波束視場的時間產生影響，故應根據導引頭提供的目標速度信息以及導彈本身的姿態(tài)角對預定延時時間進行調整。同時，反艦導彈通過激光引信前后雙波束視場的時間隨著前后視場傾角的增大而逐漸減小，故前后探測視場的傾角設計時應根據目標速度進行參數(shù)優(yōu)化。

3.2 信號處理電路的工作過程

該激光引信采用偽隨機編碼定距體制，信號處理電路的工作原理如圖10所示。反艦導彈通過激光引信的前探測視場，目標反射信號A經光學系統(tǒng)、前探測器、前放大器進入閾值比較電路，對回波信號的幅值進行判別，當回波信號幅值滿足條件時，時序與控制電路依據閾值比較電路的輸出信號控制計時器開始計時。當反艦導彈運動一段時間后，經過后探測視場，目標反射信號B經后探測器、后放大器，當回波信號幅值滿足條件時，時序與控制電路依據閾值比較電路的輸出信號控制計時器停止計時。依據高度支路提供的空空導彈據海面的高度信息以及制導系統(tǒng)提供的空空導彈姿態(tài)角和反艦導彈的速度信息計算預定延時時間，并將預定延時時間與計時器的計時結果進行比較，若滿足判別條件，則認為目標信號存在。時序與控制電路依據比較器的輸出信號，控制目標反射信號B進入預處理電路，預處理電路包括恒虛警處理以及解調處理，恒虛警處理用于濾除背景噪聲，解調處理用于還原M序列，以滿足后續(xù)的相關處理。相關電路利用回碼與本地碼相關函數(shù)的峰值判別空空導彈與反艦導彈的距離，當達到引信的作用距離時，經適當?shù)难訒r后引爆戰(zhàn)斗部。

圖10 信號處理電路工作原理

比較器實現(xiàn)預定延時時間與實際反艦導彈經過前后探測視場的時間的比較，其判別原則為：

0.95Δt-0.01≤t≤1.05Δt

(10)

其中，Δt為計算所得的預定延時時間，t為實際反艦導彈經過前后探測視場的時間?？紤]到系統(tǒng)響應的時間、測量誤差以及反艦導彈速度的變化帶來的影響，故有5%的誤差范圍，同時當彈目不共面交會時，前后探測視場視場傾角的差值在反艦導彈所在平面內隨脫靶量的增大而減小，由仿真結果可知，預定延時時間隨前后探測視場傾角的變化不超過0.01 s，故實際運動時間所處的范圍設定為[0.95Δt-0.01,1.05Δt]。

4 抗海雜波干擾分析

4.1 激光引信抗海雜波干擾的優(yōu)越性

激光引信工作在超低空狀態(tài)相比無線電引信更具優(yōu)勢，具體的優(yōu)勢為：

1) 激光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等優(yōu)點[10]，且激光引信的距離截止特性好，對距離波門之外的海雜波信號具有良好的抑制作用；

2) 激光的頻率處于光波波段，波長小，激光引信比無線電引信具有更高的角度和距離分辨率，故其測距和測向的精度高，相比無線電能夠更加準確的獲得導彈據海面的高度信息；

3) 激光引信發(fā)射波束的旁瓣小，無線電近炸引信的天線方向圖旁瓣較寬，激光引信接收到的海雜波頻帶范圍小于無線電引信；

4) 受激光引信接收光學系統(tǒng)參數(shù)的限制，激光引信的接收視場有限，相比無線電引信其接收海雜波信號的強度較弱。

4.2 雙波束探測抗海雜波性能分析

當海浪作為干擾目標進入激光引信的前探測視場時，海浪的移動速度為VL，海情等級越高，海面風速越大，海面波浪的有效浪高越大，海浪的移動速度越大。7級海情下海浪的移動速度不超過20 m/s，空空導彈的飛行速度較大，一般為600～900 m/s，當空空導彈俯沖角為25°時，則導彈下降速度為253～380 m/s，遠遠大于海浪移動的速度，超低空狀態(tài)下，空空導彈據海面高度較低，前后探測視場的水平距離較大，海浪通過前后探測視場的時間遠大于空空導彈高度下降至海面的時間，即海浪無法到達后探測視場，計時器無法產生時間差，從而排出海浪的干擾。

當空空導彈前向攔截掠海飛行的反艦導彈時，海面作為擴展平面進入激光引信的探測視場，若某時刻空空導彈據海面的高度為hM，空空導彈的俯沖角為θ，前后探測視場傾角為φ1和φ2，激光傳輸?shù)乃俾蕿閏，則此時的時間差為：

(11)

超低空條件下，空空導彈據海面高度不超過50 m，海面反射信號的時間差為微米級別，由仿真結果可知，其與反艦導彈通過前后探測視場的時間差區(qū)別較大，故比較器輸出為0，信號處理系統(tǒng)無法產生起爆信號，從而排出了海雜波的干擾。

5 結論

引信工作在超低空狀態(tài)下主要受到海雜波的干擾，本文針對激光引信提出了雙波束探測技術，給出敘述了該引信系統(tǒng)組成部分發(fā)射和接收光學系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)的工作原理分析。雙波束探測激光引信利用目標進入前后探測波束的時間差區(qū)分目標信號與海浪、海面雜波信號，通過對不同彈目速度、海況等級下目標進入前后探測波束延時量值時間的仿真分析表明該引信系統(tǒng)能夠有效判別目標信號并抑制海浪及海面雜波的干擾。

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TheStudyonLaserFuzewithDualBeamDetectionTechnologythatAnti-JammingSeaClutter

LU Minga，SU Yideb，KONG Dehaob

(a.Department of Ordnance Science and Technology; b.Graduate Students’Brigade, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

In order to improve the ultra-altitude performance of the air-to-air laser fuze in the sea battlefield environment, the abilities to suppress the sea clutter and extract the target signal must be improved firstly. This paper proposed a dual beam detection technology of laser fuze that anti-jamming sea clutter. The principle of dual beam detection laser fuze system was analyzed. Meanwhile, the parameters of optical components in transmitting and receiving optical system, the work process and the algorithm of scheduled delay time of signal processing circuit were analyzed. Finally, the laser fuze system work performance that anti-jamming sea clutter was given. The laser fuze with dual beam detection technology can suppress the influence of sea waves and sea clutter effectively.

laser fuze; dual beam detection; sea clutter; ultra-altitude

2017-08-25；

2017-09-20

路明(1966—)，男，碩士，副教授，主要從事海軍導彈引信技術研究；蘇益德(1992—),男,主要從事軍用目標近程探測、識別與干擾研究。

10.11809/scbgxb2017.12.054

本文引用格式：路明，蘇益德，孔德浩.激光引信雙波束探測抗海雜波技術研究[J].兵器裝備工程學報，2017(12):247-252.

formatLU Ming，SU Yide，KONG Dehao.The Study on Laser Fuze with Dual Beam Detection Technology that Anti-Jamming Sea Clutter[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):247-252.

TJ43.4

A

2096-2304(2017)12-0247-06

(責任編輯楊繼森)