制导信号中的抗高重频干扰的改进技术探讨

高重频激光干扰是半主动激光制导武器对抗中采用的一种有效的激光有源干扰技术。通过分析激光高重频有源干扰的机理，在已有的激光高重频对抗方法的基础上，针对现有激光对抗方法难以对抗激光高重频干扰的问题，提出并设计了一种由PAWM编码和导引头上抗干扰改进方法组成的抗高重频干扰改进方法，并通过电路实验验证，结果表明该方法不仅能有效排除高重频干扰信号，同时又不影响制导信号质量。
　　关键词：激光制导;抗干扰;PAWM编码;激光高重频干扰
　　中图分类号：TN97
　　      文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）05-0006-04
　　0 引 言
　　激光半主动制导武器是目前装备量最大、应用范围最广的一类精确打击武器，其干扰和抗干扰技术成为国内外研究热点。现有的激光干扰技术主要有无源干扰和激光有源干扰2种。其中，激光高重频干扰具有无需编码识别、实施简单、实时性好的优点，成为一种非常有效的干扰方式[1-2]。
　　激光半主动制导武器系统，常用来对抗激光有源欺骗式干扰方式有2种[3]：一是对目标指示信号进行编码，同时在导引头设置相应的解码电路解码;二是在导引头的跟踪系统中设置抗干扰方法（如时间波门或抗干扰电路）。为了取得更好的抗干扰效果，通常这2种措施被同时采用。
　　本文针对现有的激光对抗方法不能有效对抗激光高重频干扰的问题，设计了激光半主动制导系统抗高重频的改进方法，并进行了电路实验验证，以证明所设计改进方法的正确性和可行性。
　　1 激光高重频干扰机理
　　高重频激光干扰技术的干扰机理在于利用高重复频率的激光脉冲作为干扰信号，保证在导引头选通波门内至少会有2个干扰脉冲，迫使其探测系统较高概率地处理干扰信号，从而使导引头形成错误的制导指令去控制制导武器的飞行。
　　对于高重频的干扰激光，只要重复频率f≥1/τ（τ为波门时间宽度），那么至少会有一个干扰脉冲进入波门[4]。当干扰脉冲先于制导信号之前进入波门，且强度大于制导信号时，就会对导引头形成有效的干扰，其原理如图1所示。
　　图1 高重频激光干扰示意图
　　2 抗高重频干扰改进方案设计
　　激光半主动寻的制导系统主要由弹上寻的系统和弹外的激光目标指示器2部分组成[5]，其核心部件是弹上寻的系统的激光半主动寻的器，即激光导引头。激光目标指示器发射编码后的激光信号照射目标，导引头的探测器将目标反射回来的微弱信号转换为电信号，经过放大及逻辑运算、信号处理单元识别、解码，形成控制指令，控制导弹沿着既定弹道飞向目标。
　　本文设计的抗高重频干扰的改进方法由PAWM编码和导引头上抗干扰改进方法2部分组成。
　　2.1 PAWM编码设计
　　本文采用电光开关直接削波整形的方法得到脉冲幅值宽度编码（pulse amplitude width modulation，PAWM），其原理图如图2所示。
　　图2 电光开关削波整形原理图
　　该电光开关削波是采用Nd：YAG激光器，工作波长1.064μm，输出约为50 ns的长脉冲，当GaAs光电导开关接收到从分光镜反射出来的光信号后，GaAs光电导开关导通，输出与光脉冲形状一致的电脉冲，但只有当电脉冲幅度大于预定值时，才能触发高压电脉冲形成器产生高压电脉冲，通过可编程控制器对延迟电路进行编程控制，采用微带传输线输出整形电脉冲，并且幅值可调，以驱动正交KTP晶体的普克尔盒[6]削波整形，然后经泵浦源驱动的激光放大器处理后输出削波整形后的激光信号。洛匈双棱镜分别起到起偏和检偏的作用。其中KTP普克尔盒中的2块KTP晶体正交放置如图3所示[7]。其目的是为了对KTP晶体存在的静态双折射产生的相位差进行补偿。
　　图3 2块KTP正交放置示意图
　　图2中普克尔盒的电源可采用同步控制方案，如图4所示，能有效地减小延迟产生的误差。
　　图4 普克尔盒电源同步控制方法
　　普克尔盒电源的同步控制方案的工作原理是晶体控制电源每次输出一个触发脉冲s1外触发激光器放电电路的可控硅，使激光器经闸流管、电容转移电路、预电离及放电从而输出原始光脉冲s2，控制电源本身从输出s1脉冲时刻开始延时（此延时可调），至延时控制电路的传感器检测激光器的放电电路开始放电输出光脉冲时，由以Krytron管（弧光放电充气管）为主体的高压脉冲电路输出一幅值（晶体半波电压）和脉宽均可调的电脉冲s3加到普克尔盒上，使光、电脉冲同步实现削波。
　　根据编码要求，采用可编程控制器对延时电路编程控制，在改变普克尔盒2极间电压的脉宽大小的同时，有规律地改变输出激光脉冲宽度实现激光脉宽编码，还可以改变其幅值。
　　以下举一例说明具体的编码，设有8个幅值间隔（PA）A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8和4个脉冲宽度（PW）b1，b2，b3，b4如表1所示。
　　2.2.1 获取高重频信号的周期
　　采用在波门之间设置计数波门。记录计数波门内第一个信号的时间t1和最后一个信号的时间tn，得到计数波门内总的时间t=tn-t1，采样的脉冲个数为n，则可求得2个脉冲之间的平均时间T
　　T=（tn-t1）/（n-1）（1）
　　即T为高重频信号的周期。
　　这仅为一个高重频干扰信号源存在时的高重频信号周期的测量方法。若存在2个干扰源，并且2个干扰源的频率相同，相位不同。设定计数波门内的第一个信号的时间为t1和最后一个信号的时间tn，采样的脉冲个数为n （n>2并且为奇数），则可求得2个高重频干扰信号的周期T
　　T=（tn-t1）/（（n-1）/2）（2）
设有m个高重频干扰源存在，频率相同，相位不同。设定计数波门内的第一个信号的时间为t1和最后一个信号的时间tn，采样的脉冲个数为n（n>m并且n-1能整除m），则可求得多个干扰源的周期T
　　T=（tn-t1）/（（n-1）/m）（3）
　　2.2.2 寻找反向高重频信号的同步点
　　计数波门的存在，为寻找反向信号同步点提供依据。因此可选取计数波门内的第一个脉冲信号作为反向高重频信号的同步点。
　　2.2.3 高重频干扰信号的消除
　　以反向高重频信号控制一个高重频电子开关，当复合信号通过此电子开关时就可以消除高重频干扰信号。可以考虑适当加宽反向高重频信号的脉冲宽度，达到更好消除高重频的目的。
　　对于多个高重频干扰源存在的情况，只要测定出干扰源的周期，就能参照一个干扰源存在的情况逐个消除高重频干扰信号。若多个激 光高重频干扰源存在，则根据上述原理分别测量出对应的干扰信号的周期，在计数波门内由干扰信号周期先确定一个反向高重频信号的同步点，控制高重频开关消除该频率的干扰信号，再检测波门内是否存在干扰信号，若仍存在高重频干扰信号，则将输出信号作为输入信号重新进入波门信号处理控制电路，同理可消除另一周期的高重频干扰信号，直到波门内检测不到干扰信号为止，最终输出制导信号。
　　3 电路实验验证
　　3.1 PAWM编码
　　本文通过对STM32f103核心板的D/A模块编程实现脉冲幅值调制，采用定时器实现脉冲宽度调制，从而实现了PAWM编码，通过示波器观察输出的PAWM波形。根据PAWM编码设计原理，搭建实验平台。
　　设定PAWM编码的制导信号频率为20 Hz，脉冲宽度为10 ns，20 ns，30 ns（这里为了便于观察波形，设置脉冲宽度为10 ms，20 ms，30 ms）周期性等差递增，幅值在0.33.3 V之间随机变化。由示波器测量出的实验结果图如图5所示。
　　图5 PAWM编码实验结果图
　　由图5可知，制导信号的脉冲宽度是等差递增周期性变化，而脉冲幅值表现出伪随机编码的特性，编码周期不循环，验证了本文设计的PAWM编码的有效性。
　　3.2 导引头上抗干扰改进方法
　　采用EWB（eletronics workbench）软件对导引头上抗干扰改进方法进行硬件电路仿真。设计的电路图如图6所示。
　　图6 硬件仿真原理图
　　在图6中，采用直流电源模拟产生频率为20 Hz、幅值为5 V的制导信号，采用微分电路提取脉冲信号的沿信号，如图7a所示。模拟产生频率为2k Hz、幅值为5 V的高重频干扰信号，如图7b所示。制导信号通过运放电路进行放大后，进入加法器与高重频干扰信号叠加，得到的混合信号如图7c所示所示，高重频干扰信号的反向信号与混合信号进行运算，模拟反向高重频信号控制一个高重频电子开关，消除混合信号的高重频干扰信号，最后输出的控制信号如图7d所示。
　　图7 硬件仿真结果图
　　由图7可知，制导信号和输出控制信号基本一致，采用本文设计的导引头上改进方法可以有效的消除高重频干扰信号而不影响制导信号。
　　根据改进方法的设计要点，搭建实验平台。采用单片机作为信号源产生一个频率为20 Hz的制导信号和一个频率为2k Hz的高重频干扰信号;12 V直流电源给电路的运放芯片（LM324N）供电;采用示波器显示电路所需测试的波形。通过示波器测量出的制导信号波形如图8a所示，高重频干扰信号波形如图8b所示，叠加后的混合信号如图8c所示，消除高重频干扰信号后的控制信号如图8d所示。
　　图8 实验结果图
　　由图8可知，输出控制信号与制导信号基本相同，验证了本文设计的改进方法对抗激光高重频干扰的有效性。
　　4 结束语
　　本文采用电光开关削波整形的方法设计了一种PAWM编码，结合导引头上抗干扰改进方法，形成了一种抗高重频干扰的改进方法，并搭建实验平台进行实验验证，结果表明本文设计的抗干扰方法能有效的对抗高重频干扰而不影响制导信号质量，具有较好的抗干扰性能，为进一步研究对抗高重频干扰方法提供了参考。
　　参考文献：
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