基于分区波门压缩的激光引信抗海杂波干扰技术

打开文本图片集

摘要：在拦截超低空掠海飞行的反舰导弹时，引信面临海面背景散射的杂波信号干扰，虚警率明显升高。结合周视激光引信多通道探测的特点，应用高性能数字信号处理器实时检测海杂波信号可以动态地调整每个探测通道的距离门宽度，始终将海杂波截止在距离门之外，在达到抗海杂波干扰目的的同时，实现对目标的可靠探测。数学仿真和实际测试结果均表明，采用分区波门压缩技术可以有效提高周视激光引信对超低空导弹类目标的启动概率，在海面浪高0.8m～1.5m条件下，虚警率小于10%。

关键词：波门压缩 抗干扰技术 激光引信 反导导弹

中图分类号：TJ43+9.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）03-0000-00

Abstract： The false alarm rate （FAR） will be higher at the time of intercepting low altitude sea-skimming missile targets， because the sea clutter signal may be too strong for anti-missile missile’s fuze to detect the target signal correctly. Based on panoramic laser fuze’s multi-channel detection and high-level digital signal processor， the gate compression technique was designed to adjust the gate width in real time， respectively and adaptively. Its purpose was to resist the sea clutter signal coming into the gate， in the same time， the target signal can be detected in the gate. The simulation and experiment showed that， respective gate compression can increase detection rate of the low altitude missile target， and the FAR can be less than 10% （while wave height is 0.8m～1.5m）.

Key words： gate compression； anti-jamming technique； laser fuze； anti-missile missile

在科学技术发展的推动下，攻防双方的对抗日益趋紧，先进反舰导弹普遍采用末段超低空突防措施，以增加成功命中目标的概率，目前世界先进水平已能达到高度3m左右。对舰载防空导弹来说，则须具备拦截超低空掠海飞行导弹目标的能力，才能适应现代战争的需求。由于激光引信具有抗电磁干扰能力强、定角精度高和系统体积小等优点，在二十世纪九十年代左右，西方军事强国就为其舰载防空导弹设计了多通道探测方式的周视激光引信，如“巴拉克”、“拉姆”、“西北风”等，通过应用几何光学截止和波门压缩等技术具备了较好的抗海杂波干扰性能，目前仍在大力发展窄脉冲激光发射技术和高动态激光探测技术以继续提高其各项性能[1-2]。我国在舰载防空导弹技术领域主要研究的是多模复合引信和脉冲无线电引信，前者通过多种体制探测器的信息融合，后者应用波门压缩和频谱识别技术，均能在一定程度上解决从海杂波背景中探测导弹类目标这一难题，但系统复杂、成本高、体积大，难以实现普遍的工程应用[3-4]。近年来，国内激光器件研制技术、小体积光学系统设计技术、抗干扰设计技术快速发展，推动激光引信研究取得了长足的进步，武器装备应用日益广泛[5-6]。本文以舰载防空导弹应用为背景，探讨周视激光引信的海杂波特性，进行分区波门压缩设计，并分析实际海面条件下的抗干扰试验结果。

1 海杂波机理及其特性

1.1 多通道大视场激光探测

舰载防空导弹为了有效拦截来袭的反舰导弹，要求引信具备全向探测能力。激光引信通过在周向均匀布置多套激光收发系统即可实现无盲区探测，一种多通道的周视激光引信如图1所示，每个探测通道覆盖周向45°视场，θ为探测视场倾角。

（a） Structure View （b） Side View （c） Front View

图1 周视激光引信的视场分布示意图

Fig. 1 The viewing areas of panoramic laser fuze

1.2 海杂波机理分析

对舰载防空导弹来说，在拦截超低空掠海飞行的反舰导弹时，宽大的海面背景将进入激光引信的探测视场（如图2所示）。一方面，激光引信工作在近红外波段（波长小于1μm），在海水中的透过率小，当激光束照射到海面时，大部分在海面产生后向散射[7]。另一方面，周视激光引信采用大视场探测，当激光束照射到海面时，将形成较大的后向散射截面积。因此，在防空导弹接近目标的过程中，距离海面的高度逐渐减小，海面散射的杂波干扰信号将从无到有，且越来越强，严重时可能导致引信虚警而无法有效摧毁来袭目标。

图2 超低空弹目交会时海杂波的产生

Fig. 2 The diffuse reflection of sea surface

1.3 海杂波特性分析

若将海面细分为许多微小平面面元Si，则每个面元上的激光光束传播可以认为遵循镜面反射定律（即φr=φi）[2]。那么，根据激光引信探测方程，若距离引信Ri处微小平面面元Si被激光照射且反射的回波进入引信接收视场，则其功率Pri可表示为：

（1）

式中，Pt为激光引信发射功率，ρ为面元Si的反射率，Tt为引信发射光学系统透过率，Tr为引信接收光学系统透过率，Ta为2Ri距离的大气透过率，Ai为面元面积，φi为入射光与面元法线的夹角，Sf（Ri）为距离Ri处引信激光发射光束截面积。

海杂波信号的总能量可由Pri的积分求和得到，即

（2）

由式（1）和式（2）可见，海杂波信号能量大小的主要影响因子是Ri和φi，结合海面随机运动规律的研究成果[8-11]，可以总结海杂波的特性如下：①海浪涌起得越高，距离激光引信的距离Ri越小，杂波能量也就越强；②入射角φi越小，反射的激光回波能进入引信接收视场的面元数量越多，杂波能量也就越强；③海面起伏是随机运动，导弹飞行过程中接收到的海杂波无明显规律，时有时无，时强时弱，容易导致激光引信虚警。

2 分区波门压缩设计

如上所述，在拦截超低空掠海飞行的反舰导弹目标时，周视激光引信受到海杂波的干扰有可能产生虚警，因而抗干扰设计必不可少。

2.1 波门压缩技术

应用窄脉冲激光发射技术和激光回波识别技术，周视激光引信能够具备一定的抗海杂波干扰能力，但在高海情条件下虚警率仍较高[2]，波门压缩技术则可较好地解决这一问题。

图3 波门压缩原理图

Fig. 3 Gate compression

拦截超低空飞行目标的弹道末段，防空导弹距离海面的高度逐步降低，激光引信到海面的距离也逐渐减小，海杂波门内的干扰信号将从无到有并由后向前移动。如图3所示，波门压缩算法为：实时检测海杂波门内的信号，当满足压缩条件时，海杂波门整体前移δ距离，同时距离门后沿随进压缩δ距离。因此，在随机起伏的海面背景下，波门压缩设计可以使距离门后沿与海杂波始终保持一个安全距离ΔR，从而大大降低引信的虚警率。

2.2 分区压缩设计

采用波门压缩设计后，引信对目标的实际作用距离R为：

（3）

式中，R0为引信探测海面的距离，ΔR为海杂波门宽度也即安全距离，N为波门压缩次数，δ为单次压缩距离。

由式（3）可见，由于激光引信须将一部分探测能力用来跟踪海杂波信号，故波门压缩设计会导致引信作用距离的损失，即对目标的启动区有所减少，不利于提高防空导弹的单发杀伤概率，如图4（b）所示。结合周视激光引信多通道探测的特点，作如下改进设计。

（a） The original （b） all compression （c） respective compression

图4 波门压缩示意图

Fig. 4 Comparison of detection areas

（1）分区压缩。即，每个探测通道独立地进行海杂波跟踪，仅将检测到海杂波的探测通道进行动态的波门压缩而其它探测通道保持原有的探测能力，如图4（c）所示。假设周视激光引信原有作用距离半径为4m，全压缩后为3m，则启动区下降至56.25%；采用分区压缩（压缩3个通道），则启动区仅下降为83.59%。由此可见，与全压缩相比，分区压缩导致的引信启动区减小明显降低。

（2）步进压缩。波门压缩的重要技术指标之一是安全距离ΔR，ΔR越小，波门控制精度越高，引信作用距离损失越小。由于激光引信的数字处理器频率通常低于200MHz，波门控制精度较低，单次波门压缩宽度最小为5ns，则ΔR最小为0.75m。为了提高波门控制的精度，采用FPGA配合精密延时芯片AD9501进行距离门和海杂波门的动态控制，精度达到1ns。实际应用中，需确保很高的海杂波信号检测准确率，海杂波门宽度和单次波门压缩宽度应根据弹道特性优化设计，不宜太窄。本文中，综合考虑设置海杂波门宽度为5ns，步进压缩δ为2ns，则安全距离ΔR为0.75m，步进压缩距离为0.3m。

（3）最小作用距离。波门压缩的另一重要技术指标是最小作用距离Rmin。在全压缩设计中，引信为了保留对目标的基本启动能力，Rmin不能过小，通常为3m左右，导弹飞行高度越低，虚警率越高。采用分区压缩设计，理论上Rmin可以为0m，随着导弹飞行高度的降低，虚警率始终处于较低水平，由于未探测到海面的通道没有进行波门压缩，因此在提高抗海杂波干扰性能的同时，对超低空掠海飞行的反舰导弹目标仍能可靠启动。

根据上述改进措施制作了原理样机，在真实海面背景条件下，分别进行了不压缩和分区压缩两种状态周视激光引信的抗海杂波干扰试验。试验中，引信轴线水平，距离海面高度为3m，视场倾角45°，作用距离最小可压缩至1.5m。试验结果见表1。

表1 激光引信抗海杂波干扰对比试验结果

Table 1 Experiment results （no compression & respective compression）

Wave Height

FAR

（no compression）

FAR

（respective compression）

0.2m～0.5m

10.8%

2.8%

0.5m～0.8m

52.3%

7.3%

0.8m～1.5m

85.2%

9.8%

分析表1数据可见，海面浪高越高，激光引信虚警率越高，与上述海杂波特性分析结论一致；同时，采用分区波门压缩设计可以在损失较少启动区的情况下显著提高周视激光引信超低空抗海杂波干扰的性能。在海面浪高0.8m～1.5m条件下虚警率小于10%，能够满足实际应用的需求。

3 结语

超低空抗海杂波干扰技术是先进舰载防空导弹的重点发展内容之一，结合周视激光引信多通道探测的特点，通过分区波门压缩设计有效地提高了抗海杂波干扰性能，使其虚警率明显降低，同时克服了全压缩损失引信启动区的缺点，具备良好的工程应用前景。随着激光器件、光学设计、电子信息等领域技术的发展，激光引信的系统设计、测距精度、光束质量将持续优化，有助于进一步提高其抗海杂波干扰性能，使高海情条件下的虚警率处于可接受水平。

参考文献

[1]Randall D. Cope. Fuzing overview [C]//NDIA 44th Annual Fuze Conference， Pleasanton， CA.， April 10-12， 2010.

[2]Buzzard G. Modeling the interaction of a laser target detection device with the sea [C]//NDIA 54th Annual Fuze Conference， Kansas City， MO.， May 11-13， 2010.

[3]刘跃龙，张艳.超低空引信技术综述[J].制导与引信，2010，31（4）：1-6.

LIU Yue-long， ZHANG Yan. Summarization of Low Altitude Fuze Technology[J]. Guidance & Fuze， 2010， 31（4）： 1-6.

[4]左翼， 李晓，刘斌.复合引信的信号处理设计及实现[J]. 航空兵器，2011，3：47-51.

ZUO Yi， LI Xiao， LIU Bin. Design and Implementation of the Signal Processing for Compound Fuze[J]. Aero Weapoy， 2011， 3： 47-51.

[5]胡俊雄， 张艳. 激光引信抗干扰技术综述[J]. 制导与引信，2009，30（4）：6-13.

HU Jun-xiong， ZHANG Yan. The Antijamming Technology Summarization of Laser Fuze[J]. Guidance & Fuze， 2009， 30（4）：6-13.

[6]魏斌，郑链，王克勇，宋承天.用于近距目标探测的激光引信技术[J].激光杂志，2005，26（6）： 10-12.

WEI Bin， ZHENG Lian， WANG Ke-yong， SONG Cheng-tian. Laser Fuze Technology for Short-range Target Detection[J]. Laser Journal， 2005， 26（6）：10-12.

[7]YANG Chun-ping， WU Jian. Properties of Laser Scattering from the Waved Seawater Surface[J]. High Power Laser and Particle Beams， 2002， 14（4）： 526-530.

[8]Pierson W J， Moscowitz L. A proposed spectral form for fully developed wind seas based on the similarity theory of S.A. kitaigorodsrii[J]. J. Geophys. Res.， 1964， 69（24）： 5181-5190.

[9]李恪，王江安，潘琛.激光海面漫反射解析特性研究[J].激光与红外，2011，41（5）： 525-530.

LI Ke， WANG Jiang-an， PAN Chen. Study about Analytical Character of Laser Diffusion from Sea Surface[J]. Laser & Infrared， 2011， 41（5）： 525-530.

[10]杨希伟，孙晓泉，卞进田.海面对激光的方向反射率分布研究[J].激光与红外，2005，35（8）： 557-559.

YANG Xi-wei， SUN Xiao-quan， BIAN Jin-tian. Analysis of Direction Reflectance Ratio of Sea Surface for Laser[J]. Laser & Infrared， 2005， 35（8）： 557-559.

[11]史春波，苏建忠，马献华.激光引信飞行仿真中的随机海浪模型[J].探测与控制学报，2009，31（3）： 5-8.

SHI Chun-bo， SU Jian-zhong， MA Xian-hua. Random Wave Model Establishment for Laser Fuze Flying Simulation[J]. Journal of Detection & Control， 2009， 31（3）： 5-8.

收稿日期：2016-01-12

作者简介：蔡克荣（1984—），男，江西玉山人，汉族，博士，工程师。主要研究方向：激光引信总体设计及其仿真技术。