高 瑋，茹志兵，雷海麗，湯 磊，郭玉玉

(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院，北京100089)

引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上，激光半主動(dòng)制導(dǎo)導(dǎo)彈、激光駕束制導(dǎo)導(dǎo)彈是現(xiàn)役裝備量最大、技術(shù)最成熟，具有精確打擊能力和強(qiáng)殺傷力的威脅源，也是車載主動(dòng)防護(hù)的重點(diǎn)防御目標(biāo)。如何提高車載武器系統(tǒng)在戰(zhàn)場(chǎng)上的生存能力，是現(xiàn)役和未來(lái)車載主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)面臨的重大挑戰(zhàn)[1，15]。為了防御和對(duì)抗激光、紅外半主動(dòng)制導(dǎo)、激光駕束制導(dǎo)等武器的攻擊，各國(guó)發(fā)展了激光、紅外、煙幕干擾技術(shù)，其中激光干擾技術(shù)主要有激光誘偏干擾對(duì)抗系統(tǒng)和激光壓制對(duì)抗系統(tǒng)。如美國(guó)的AN/GLQ-13車載激光誘偏系統(tǒng)、LATADS激光對(duì)抗誘餌系統(tǒng)等是已經(jīng)裝備的激光欺騙性對(duì)抗系統(tǒng)，主要用于干擾激光制導(dǎo)武器。在作戰(zhàn)時(shí)，當(dāng)被保護(hù)區(qū)域探測(cè)到有來(lái)襲威脅的激光信號(hào)逼近時(shí)，車載主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)通過(guò)激光誘偏干擾技術(shù)向假目標(biāo)發(fā)射覆蓋或等同于被干擾目標(biāo)的光電頻譜信號(hào)，并且在很短的時(shí)間內(nèi)完成有效的干擾時(shí)機(jī)，誘導(dǎo)敵方激光制導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊假目標(biāo)，起到了欺騙干擾的作用。

現(xiàn)代車載主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)通常由3部分組成：探測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和對(duì)抗系統(tǒng)[2]。它的工作原理是通過(guò)探測(cè)系統(tǒng)獲取來(lái)襲目標(biāo)的特征信號(hào)，利用控制系統(tǒng)對(duì)特征信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)發(fā)送控制命令對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行對(duì)抗防御，降低車輛被命中的概率,達(dá)到防護(hù)的目的。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置模擬了來(lái)襲威脅目標(biāo)照射、目標(biāo)信號(hào)的探測(cè)識(shí)別、干擾信號(hào)的產(chǎn)生、控制和跟蹤過(guò)程，實(shí)現(xiàn)激光誘偏干擾技術(shù)。

1 目標(biāo)特性分析

半主動(dòng)制導(dǎo)導(dǎo)彈作為車載主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的典型威脅源，其工作原理是：目標(biāo)指示器裝備在車載、單兵或其他移動(dòng)單元1上，其輸出的激光指示信號(hào)2指向預(yù)攻擊目標(biāo)。裝備在導(dǎo)引頭里的探測(cè)系統(tǒng)3探測(cè)到目標(biāo)表面漫反射的回波信號(hào)，接收器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理后得出導(dǎo)彈的偏角信息，進(jìn)而形成控制指令、改變彈體飛行姿態(tài)，使彈體沿著反射激光信號(hào)飛行，最終命中目標(biāo)，其示意圖見(jiàn)圖1所示。

對(duì)半主動(dòng)激光制導(dǎo)技術(shù)的工作原理分析可以發(fā)現(xiàn)半主動(dòng)激光制導(dǎo)的2個(gè)缺點(diǎn)：1) 指示激光信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行指示時(shí)，對(duì)方布置在目標(biāo)附近的光電告警系統(tǒng)就能夠感知到，通過(guò)一定的信號(hào)處理過(guò)程，進(jìn)而提取出目標(biāo)指示激光的碼型信息；2) 激光指示器裝備在裝甲車、單兵或者其他運(yùn)動(dòng)單元上，而信號(hào)接收器放置在武器系統(tǒng)上，兩者是分離的，信息不可能做到完全同步，而且制導(dǎo)的過(guò)程也需要時(shí)間，這是對(duì)其成功對(duì)抗的關(guān)鍵[3-4]。

圖1 半主動(dòng)激光制導(dǎo)技術(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of semi-active laser guidance technique

2 激光誘偏干擾技術(shù)

當(dāng)車載光電告警系統(tǒng)在監(jiān)視范圍內(nèi)探測(cè)到有威脅目標(biāo)的激光信號(hào)照射時(shí)，告警器對(duì)發(fā)現(xiàn)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)探測(cè)識(shí)別和數(shù)據(jù)處理算法，提取出該指示激光的編碼信息，將編碼信息輸出給干擾機(jī)，并據(jù)此發(fā)射干擾激光照射假目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)半主動(dòng)制導(dǎo)武器的干擾。干擾系統(tǒng)主要由激光告警器、探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、激光干擾發(fā)射器和假目標(biāo)等組成，工作示意圖見(jiàn)圖2所示。

圖2 激光誘偏干擾系統(tǒng)工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser incduced bias and interference system

激光誘偏干擾技術(shù)包括回答式干擾和同步轉(zhuǎn)發(fā)式干擾2種方式：1) 回答式干擾。該技術(shù)通過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理算法提取出信號(hào)的編碼信息，以第一次接收到信號(hào)為起始點(diǎn)，計(jì)算出下一次照射的時(shí)機(jī)節(jié)點(diǎn)，使干擾信號(hào)在時(shí)序上同步或先于指示信號(hào)，發(fā)出與指示光編碼信息一致的干擾光，照射假目標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的干擾目的。2) 同步轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。該技術(shù)通過(guò)將接收到的光信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的放大展寬后，在極短的時(shí)間內(nèi)輸出觸發(fā)信號(hào)激活己方的干擾機(jī)工作，輸出干擾信號(hào)指向假目標(biāo)。該方式要求干擾機(jī)的響應(yīng)時(shí)間極快，使干擾脈沖進(jìn)入導(dǎo)引頭的選通波門(mén)內(nèi)，且能量要大于威脅目標(biāo)指示激光能量，以便能夠被對(duì)方接收機(jī)采樣達(dá)到識(shí)別干擾的目的[5-7]。

實(shí)際應(yīng)用中，激光目標(biāo)指示編碼脈沖的寬度達(dá)到ns級(jí)時(shí)，激光干擾和敵方目標(biāo)指示信號(hào)幾乎不能同步，激光干擾信號(hào)不能通過(guò)抗干擾波門(mén)，回答式干擾無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為了有效實(shí)施激光誘偏干擾，本文采用同步轉(zhuǎn)發(fā)式干擾工作模式，通過(guò)調(diào)整激光干擾機(jī)的輸出能量和假目標(biāo)的激光反射率，使敵方導(dǎo)引頭更易認(rèn)同和接收干擾信號(hào)為激光制導(dǎo)信號(hào)。

3 激光誘偏干擾演示實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證同步轉(zhuǎn)發(fā)式激光誘偏干擾系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)指示器的快速識(shí)別、跟蹤及干擾能力，設(shè)計(jì)了一套激光誘偏干擾演示系統(tǒng)，如圖3所示，分別為漫反射板、激光跟蹤系統(tǒng)和誘偏干擾系統(tǒng)。其中漫反射板的真目標(biāo)和假目標(biāo)區(qū)域涂層反射率不同，假目標(biāo)反射率高于真目標(biāo)；激光跟蹤系統(tǒng)用于模擬激光半主動(dòng)制導(dǎo)的工作方式，誘偏干擾系統(tǒng)用于激光告警器的探測(cè)識(shí)別目標(biāo)特征信號(hào)和控制干擾激光光斑的指示。

工作流程：1) 跟蹤系統(tǒng)中目標(biāo)指示器發(fā)射激光照射目標(biāo)；2) 跟蹤平臺(tái)開(kāi)始工作，解算出目標(biāo)的偏角信息，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)跟蹤目標(biāo)光斑；3) 目標(biāo)附近激光干擾機(jī)探測(cè)到回波信號(hào)，通過(guò)同步轉(zhuǎn)發(fā)工作模式激發(fā)干擾機(jī)工作，在極短時(shí)間內(nèi)輸出同步干擾激光指向假目標(biāo)；4) 干擾激光進(jìn)入跟蹤平臺(tái)光學(xué)視場(chǎng)，跟蹤平臺(tái)偏離對(duì)目標(biāo)光斑的跟蹤軌跡，轉(zhuǎn)向假目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)干擾功能。

圖3 激光誘偏干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of laser induced bias and interference experiment

3.1 激光跟蹤系統(tǒng)

激光跟蹤系統(tǒng)工作示意圖如圖4所示。目標(biāo)指示器輸出激光照射漫反射板，四象限探測(cè)器將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，放大器對(duì)微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的目的[8-9]。放大后的信號(hào)脈寬在幾十納米量級(jí)，通過(guò)高速A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),通過(guò)ARM處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算得到角偏差量，控制電機(jī)始終指向光斑中心位置[10]。

圖4 跟蹤系統(tǒng)工作原理圖Fig.4 Working principle diagram of tracking system

3.2 激光干擾系統(tǒng)

激光干擾系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。光電探測(cè)器探測(cè)到跟蹤系統(tǒng)的目標(biāo)指示信號(hào)，通過(guò)放大電路將信號(hào)放大到干擾機(jī)的觸發(fā)電平，把放大后的信號(hào)整形成數(shù)字信號(hào)送入激光器的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)觸發(fā)干擾激光器輸出干擾激光，這要求干擾激光器具有較快的響應(yīng)時(shí)間，以保證干擾信號(hào)可以被導(dǎo)引頭采樣到，進(jìn)入采樣選通窗口[11]。

圖5 干擾系統(tǒng)工作原理圖Fig.5 Schematic diagram of interference system

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

本實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)指示器選用的是905 nm的半導(dǎo)體激光器，為了直觀地觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程，本文將632 nm的紅光激光筆固定到激光跟蹤平臺(tái)水平面，激光筆跟隨平臺(tái)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，光斑在有十字分劃線的刻度板上同步移動(dòng)，旁邊用攝像機(jī)記錄下數(shù)據(jù)，同時(shí)解算出跟蹤平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

圖6 激光干擾實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.6 Schematic diagram of laser interference experiment

為了實(shí)驗(yàn)方便，將目標(biāo)指示器光斑的初始位置設(shè)定在刻度板的0°位置，目標(biāo)指示器開(kāi)始工作→激光跟蹤平臺(tái)跟蹤目標(biāo)光斑→激光干擾系統(tǒng)輸出干擾光斑→跟蹤平臺(tái)跟蹤干擾光斑，激光筆跟隨激光跟蹤平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡得到圖7和圖8的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。

圖7中從曲線b點(diǎn)激光跟蹤系統(tǒng)開(kāi)始工作，系統(tǒng)進(jìn)入正向搜索階段，此時(shí)跟蹤在-4°左右的位置。c點(diǎn)為正向掃描完成，平臺(tái)開(kāi)始反向掃描，反向掃描在d點(diǎn)完成，跟蹤平臺(tái)開(kāi)始跟蹤目標(biāo)，跟蹤平臺(tái)迅速移動(dòng)到0°光斑位置，即實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的指示激光初始位置。在e點(diǎn)啟動(dòng)干擾機(jī)，干擾系統(tǒng)照射假目標(biāo)，ef段，跟蹤平臺(tái)偏離初始0°位置，跟蹤干擾光斑，整個(gè)過(guò)程持續(xù)了大約7 s的時(shí)間。

圖7 跟蹤平臺(tái)方位移動(dòng)軌跡Fig.7 Track of platform azimuth movement

圖8 跟蹤平臺(tái)俯仰移動(dòng)軌跡Fig.8 Track of platform pitch movement

圖8為俯仰方向的移動(dòng)記錄，跟蹤平臺(tái)在搜索掃描過(guò)程中記錄目標(biāo)光斑的位置信息，掃描完成后迅速轉(zhuǎn)向跟蹤到目標(biāo)光斑位置，成功跟蹤到目標(biāo)。從圖中可以看出,前期跟蹤搜索時(shí)間為40 s,從跟蹤到干擾用時(shí)大約7 s。

綜上所述，本文通過(guò)跟蹤系統(tǒng)和干擾系統(tǒng)模擬了真假目標(biāo)的激光光源的實(shí)現(xiàn)，建立了指示激光和干擾激光的時(shí)序關(guān)系，實(shí)時(shí)控制跟蹤系統(tǒng)對(duì)光斑的穩(wěn)定跟蹤[8]，記錄了目標(biāo)光斑和干擾光斑的跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)對(duì)跟蹤軌跡圖形的分析，可以看出跟蹤系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤目標(biāo)信息，當(dāng)干擾系統(tǒng)探測(cè)識(shí)別到目標(biāo)光斑后，迅速解算并驅(qū)動(dòng)該系統(tǒng)的激光器輸出假目標(biāo)光斑，當(dāng)干擾光斑進(jìn)入到跟蹤系統(tǒng)的光學(xué)接收視場(chǎng)時(shí)，跟蹤系統(tǒng)偏離之前的運(yùn)動(dòng)軌跡，轉(zhuǎn)而跟蹤假目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)了同步轉(zhuǎn)發(fā)式的激光誘偏干擾技術(shù)[12]。

5 結(jié)論

通過(guò)激光跟蹤系統(tǒng)模擬半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器的制導(dǎo)過(guò)程,建立了目標(biāo)模型，驗(yàn)證了同步轉(zhuǎn)發(fā)式激光干擾系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的誘偏干擾，可裝備在車載主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)中用于提升作戰(zhàn)中的自我防護(hù)能力。目前車載主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間要求在10 s以內(nèi)[13-14]，本系統(tǒng)從探測(cè)識(shí)別到干擾的反應(yīng)時(shí)間為7 s，能夠滿足使用要求。后續(xù)會(huì)根據(jù)目標(biāo)模型、大氣傳輸模型和目標(biāo)距離等參數(shù)，解算和控制干擾光斑的能量和束散角，通過(guò)提升探測(cè)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、伺服跟蹤系統(tǒng)的精度和帶寬等措施來(lái)提高干擾系統(tǒng)的工作性能，從而提升車載主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)在戰(zhàn)場(chǎng)上的抗制導(dǎo)能力。