专利名称：一种抗高重频干扰的激光编码系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种编码方法，尤其是一种激光编码方法。广泛应用于跟踪、制导、定位、准直、光通信、APT技术、光电对抗等方面
背景技术：
现有激光半主动寻的制导(跟踪)系统中，采用编码的激光脉冲作为制导信号，是激光半主动寻的制导(跟踪)实现同时跟踪多目标和提高抗干扰性能的重要手段。激光制导(跟踪)以激光信号为指示信息源。从制导方式上可分为主动式、半主动式和被动式，其中，半主动较为常用。半主动寻的激光制导(跟踪)系统主要由跟踪器上的激光导引头和跟踪器外的激光目标指示器两部分组成。在制导过程中，激光目标指示器始终瞄准照射所要跟踪的目标。而导引头则利用目标反射的激光信号进行寻的。当跟踪器距目标一定距离时，指示器开始向目标发射激光脉冲，导引头也开始搜索从目标反射的激光信号。导引头在搜索从目标反射的激光信号的同时，还要对其收到的信号进行相关识别，当确认其符合自身的制导信号形式后，就开始进入寻的制导阶段。整个制导过程分惯性制导、目标搜索、和寻的制导三个阶段。半主动寻的的制导方式，其制导信号的发射器(激光目标指示器)与接收器(跟踪器激光导引头)是相互分离的，制导信号的脉冲编码形式是事先约定好的协议。导引头对引导信号的处理要经过接收-识别-确认这一系列过程，也正是其这样特征，使我们对其实施有效的有源干扰成为可能。激光调制是指以激光作为信息载体，通过对激光的物理特性如激光能量、脉冲宽度、重复频率、脉冲间隔、脉冲幅值、波长及相位等参量进行调制，使激光携带尽可能多的信息。激光编码是指对激光目标指示器发射的激光脉冲物理特性进行调制。激光编码目的一是解决在同一时刻多个跟踪器同时跟踪不同目标时不致引起混乱；二是解决在同一时刻同时跟踪多个目标多个激光目标指示器互相干扰的问题；三是对抗激光有源干扰。激光目标指示器向目标发射的是经过编码的激光脉冲，导引头只有在接收到发射前预置的指定激光编码后才认为是捕获了目标。采用编码，可以避免“重复跟踪”提高抗主动干扰能力。编码的激光脉冲重复频率应适当地高以使导引头有足够的数据率。分析表明对于固定的目标，重复频率5脉冲/s即可，对活动目标则应在10脉冲/s以上，但在20脉冲/s以上作用已不明显，而激光器的体积与重量将大为增加，所以通常在10-20脉冲/s之内，及激光目标指示器的工作重复频率在10-20HZ。当前可有效地对抗激光半主动寻的制导的有源干扰技术主要有两种激光角度欺骗式干扰和高重频激光干扰。激光角度欺骗式干扰需要识别出激光编码的最小编码周期，其干扰机理是识别和复制激光编码信号，将同步或超前同步的激光干扰信号照射到假目标上，致使导引头无法区分制导信号与干扰信号，而实现干扰目的；高重频激光干扰通常不需识别激光编码信号的特征，其干扰机理是采用高重频激光脉冲直接照射导引头，使干扰信号先于制导信号进入波门之内，致使导引头无法区分制导信号和干扰信号，来实现干扰目的。激光半主动制导(跟踪)系统，常用来对抗激光有源欺骗式干扰的两种方式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脉冲录取波门。选通波门就是外部信息出入的大门，开启时，允许信息录入，关闭时，禁止信息录入。选通波门位于跟踪器的信息处理部分。通常这两种措施被同时采用。激光半主动寻的制导(跟踪)导引头由两个主要部分组成位标器(探测器)和电子舱。位标器负责反射光束的吸收以及光电转换；电子舱负责信号的处理、计算以及控制指令的形成。脉冲录取波门的宽度受波门形式、激光频率抖动、跟踪器导引头与目标距离变化时激光信号的延时差异、指示器与导引头的时基误差等诸多因素的影响不能设置得过小。固定型波门宽度通常为数百微秒，实时型波门可以设置在30 50 μ s，这使工作频率仅在几十赫兹的激光角度式欺骗干扰的干扰效果大大降低。在激光目标指示器的预置编码方面，现有的脉宽编码技术主要是针对激光脉冲重复频率编码易受干扰的现状，采用的方案存在普克尔盒削波时对光、电脉冲难以实现严格同步控制的难点，并且没有考虑普克尔盒的静态双折射补偿。而本发明的PAWM编码可对抗激光诱骗式干扰，也能对抗激光高重频干扰，并且采用了普克尔盒电源同步控制方案，解决了光、电脉冲的同步控制问题，采用两块正交的KTP晶体实现了静态双折射补偿问题。在激光导引头(跟踪器)抗干扰方面，普遍采用两种对抗方案，这两种方案均存在一定的缺点。方案一在寻找激光高重频干扰信号的周期时，仅用5个脉冲讨论就，6个及6个以上的随机脉冲的情况均可以归类于5个随机脉冲时的三类情况；高重频干扰脉冲的周期低至十几微秒，甚至几微秒，按方案一的情况，制导信号与干扰信号的脉冲之间的周期更小，所以不能够准确测量高重频脉冲周期。方案二采用取样波门内信号与波门信号对比的方法来消除高重频时，需要一个一个对比消除，运算量很大，同时，如果高重频干扰信号均超前于制导信号进入波门，则方案二的方法不能消除高重频信号的干扰。
发明内容
本申请针对激光半主动寻的制导武器系统现有编码方法易被激光高重频干扰的问题，设计一种新型的激光抗干扰编码系统，在激光目标指示器预置PAWM编码，以对抗高重频干扰及诱骗式干扰；在导引头上采用计数波门和电子开关，对抗多源激光高重频干扰。该系统包括激光目标指示器和弹上寻的系统(导引头，包括探测器、放大及逻辑运算、信号处理电路、陀螺)。在激光目标指示器预置纳秒级脉宽可调激光器进行PAWM编码；在导引头信号处理电路采用计数波门进行时刻记录，测量高重频干扰信号的周期，寻找反向高重频信号的同步点，以反向高重频信号控制高重频电子开关，消除高重频干扰信号。激光目标指示器采用脉宽可调激光器，实现脉冲宽度编码和脉冲幅值编码，信息处理电路、脉宽识别放大电路对光电转换后的目标信号进行识别、解码，从而区分出真目标和干扰信号。PAWM编码具体为脉宽可调激光器由电光开关削波实现脉冲宽度和脉冲幅值 的编码，正交的KTP(磷酸氧钛钾)晶体补偿静态双折射产生的相位差，普克尔盒电源同步控制减少延迟和误差，产生稳定可调的脉冲宽度和脉冲幅值，激光编码器调制脉冲宽度与脉冲幅值，形成PAWM编码。
探测器获取的含有高重频干扰信号的制导信号通过信号处理电路的选通波门和计数波门，计数波门结合时刻记录测量高重频干扰信号的周期，根据高重频干扰信号周期在计数波门内确定反向高重频信号的起始点，以起始点作为同步点发出与高重频信号完全反向的周期信号。以反向高重频信号控制高重频电子开关，消除高重频干扰信号。根据KTP晶体的有效电光系数Yel制成电光开关，两块相同的KTP晶体正交放置，实现晶体的静态双折射补偿，并对调Q脉冲进行削波。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。
本发明针对产生纳秒级脉宽激光器的途径，提出一种使用电光开关直接削波的方法实现脉冲宽度和脉冲幅值的编码方法，设计了一种既能对抗激光角度欺骗式干扰又能对抗高重频激光干扰的PAWM编码；同时提出在导引头上采用技术波门精确测量高重频干扰周期与高重频电子开关反向同步消除高重频激光干扰信号的方法来对抗多源激光高重频干扰。能够实现严格同步控制，准确测量高重频脉冲周期，减少运算量。其抗干扰性能明显提高，适用范围有所提高，在激光高重频干扰和激光诱骗式干扰的对抗方面具有应用情景。该方案的两个部分既能独立使用对抗不同情况下的干扰，又可结合使用对抗复杂情况下的激光高重频干扰。
图I闻重频激光干扰不意2激光半主动寻的系统图3激光脉冲编码和识别原理4KTP电光开关削波整形原理示意5两块KTP晶体正交放置示意6普克尔盒电源同步控制方案图7抗高重频激光干扰方案一原理8抗高重频激光干扰方案二的波门示意9激光高重频抗干扰处理模型(a)干扰模型简图(b)改进方案的波门外信号处理模型
具体实施例方式高重频激光干扰技术的干扰机理就在于利用足够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两个干扰脉冲，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的飞行。对于高重频的干扰激光，只要在重复频率f μ I/τ (τ为波门时间宽度)时，至少会有一个干扰脉冲进入波门。当干扰脉冲较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I所示。对抗高重频激光干扰的途径目前主要有两种一是在目标指示器上设计能抗高重频的新型编码；二是激光导引头上信号处理部分滤除高重频。随着激光技术的发展，重复频率高、单脉冲能量大的激光器日趋成熟，高重频激光有源干扰已成为一种极具前途的干扰方式，具有无需编码识别、实施简单、实时性好 的优点。针对激光高重频干扰的机理，本发明设计一种激光抗干扰编码系统，如图2所示激光半主动寻的系统原理图，在激光目标指示器预置纳秒级脉宽可调激光器进行PAWM编码，具体为，使用电光开关直接削波实现脉冲宽度和脉冲幅值的编码，采用正交的KTP (磷酸氧钛钾)晶体来补偿静态双折射产生的相位差，采用普克尔盒电源同步控制减少延迟和误差，产生稳定可调的脉冲宽度和脉冲幅值，激光编码器调制脉冲宽度与脉冲幅值，形成一种既能对抗激光角度欺骗式干扰又能对抗高重频激光干扰的PAWM编码。在导引头上对抗多源激光高重频干扰。采用计数波门进行时刻记录，测量多个高重频干扰信号的周期，寻找反向高重频信号的同步点，以反向高重频信号控制一个高重频电子开关闭合，消除高重频干扰信号。多源激光高重频干扰时，可分别测量出各个激光高重频干扰信号的周期，逐次消除干扰信号。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。I.激光指示器预置编码采用脉冲宽度可调激光器实现激光脉冲宽度编码。纳秒级脉宽可调激光器可采用如下三种方式实现一、利用布里渊散射(SBS)的染料调Q技术，可通过单池布里渊散射或双池布里渊散射实现SBS脉宽连续可调；二、采用电光晶体光闸对前级驱动器输出的激光脉冲切割削波获得任意整形的激光脉冲；三、采用电光开关直接对单激光器件输出脉冲削波，即在电光可调Q激光器中通过控制电光晶体所加高压电脉冲实现激光脉冲的脉宽可调。第三种方案更易于实现编码控制，能对任意调Q脉冲实现削波、整形，具有很好的稳定性。因此，本实例以第三种方案为例说明实现脉冲宽度的可调输出。如图3所示激光脉冲编码和识别原理图。激光脉冲编码包括脉冲宽度编码激光器、双四象限雪崩光电二极管、脉宽识别放大电路、脉冲合成电路、信号处理电路、方位和舵/[目号、编码宽度选择。激光目标指示器采用脉冲宽度编码激光器，激光器应用可编程控制器实现脉冲宽度编码和脉冲幅值编码，经过编码的制导信号照射所要攻击的目标，导引头的光电探测器(可采用双四象限雪崩光电二极管)探测到制导信号，通过脉宽识别放大电路、信息处理电路对光电转换后的目标信号进行识别、解码，从而能够区分出真目标和干扰信号，进而形成方位和舵信号的控制指令，控制导弹飞向目标。脉冲宽度编码激光器最好采用波长I. 064 μ m,脉冲宽度应能在5 50ns之间可调。假定三个脉宽分别为MO (IOns)、M1 (20ns)、M2 (30ns)，单脉冲能量30 60mJ，工作频率20Hz。脉冲宽度编码激光器采用KTP晶体的有效电光系数Yel制成的电光开关，两块相同的KTP晶体正交放置，实现晶体的静态双折射补偿，并将它运用于调Q脉冲的削波，实现方案如图4所示。如电光开关削波采用Nd: YAG激光器，工作波长I. 064 μ m，输出约为50ns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，当电脉冲幅度大于预定值时，触发高压电脉冲形成器产生高压电脉冲，通过PLC (可编程控制器)控制的延迟电路，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普克尔盒中的两块KTP晶体正交放置最好如图5所示。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5是两块KTP电光开关的基本结构，在三维坐标系中，晶体垂直主轴X切割，光束沿y方向传播，通光长度L，z方向加电场，电极间距为d。放在晶体两端的两个偏振片的起偏方向相互正交，并且偏振方向都与z轴成45°角。图4中普克尔盒的电源可采用同步控制方案，如图6所示，能有效的减小延迟产生的误差。 普克尔盒电源的同步控制方案是晶体控制电源每次输出一个触发脉冲Si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Si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。PLC(可编程控制器)根据编码要求对延迟电路进行编码控制，不仅可以改变普克尔盒两极间电压的脉宽，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。脉冲调幅(PAW)是激光通讯中常用一种激光调制方式。是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量和波形的一种调制方式。为增加识别解码的难度，进一步提高制导系统的抗干扰能力。采用将激光制导信号既进行脉冲幅值编码(PAM)又进行脉冲宽度编码(PWM)，脉冲幅值编码采用大周期循环编码，脉冲宽度编码采用小周期循环编码。这样，经过同时PAM和PWM编码的PAWM编码(脉冲幅度及宽度编码)，既可以对抗激光角度欺骗式干扰又可以对抗激光高重频干扰。以下举一例说明具体的编码，设存在8个幅值间隔(PA)Al，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8和四个脉冲宽度(PW)bl，b2, b3, b4如表I所示。表I脉冲幅值、宽度和地址
序号地址 PA~ PW~
~ O Al bl~
2 A2 b2~
32A3 b3~
~3A4 M~
54A5
~65A6
~6A权利要求
1.一种抗高重频干扰的激光编码系统，其特征在于，在激光目标指示器预置纳秒级脉宽可调激光器进行PAWM编码；在导引头信号处理部分采用计数波门、选通波门，含有高重频干扰信号的制导信号通过选通波门和计数波门，通过计数波门进行高重频周期测定，获取反向高重频同步信号，控制高频电子开关对经过选通波门的制导信号输出控制信号，计数波门根据时刻记录测量高重频干扰信号的周期，根据高重频干扰信号周期在计数波门内确定反向高重频信号的起始点，以起始点作为同步点发出与高重频信号完全反向的周期信号，再以此周期信号控制一个高重频电子开关，消除复合信号中的高重频干扰信号。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述激光目标指示器进行PAWM编码具体为电光开关削波实现脉冲宽度和脉冲幅度的编码，正交的磷酸氧钛钾KTP晶体补偿静态双折射产生的相位差，普克尔盒电源同步控制减少延迟和误差，产生稳定可调的脉冲宽度和脉冲幅值，激光编码器调制脉冲宽度与脉冲幅值，形成PAWM编码。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，纳秒级脉宽可调激光器采用如下三种方式之一实现脉冲宽度编码(I)利用布里渊散射SBS的染料调Q技术，实现脉冲宽度连续可调；(2)采用电光晶体光闸对前级驱动器输出的激光脉冲切割削波获得任意整形的激光脉冲；(3)采用电光开关直接对单激光器输出脉冲削波。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，根据KTP晶体的有效电光系数Yd制成电光开关，两块相同的KTP晶体正交放置，实现晶体的静态双折射补偿，并对调Q脉冲进行削波。
5.根据权利要求1-3其中之一所述的系统，其特征在于，调用公式T=(Vt1)/((n-l)/m)获取高重频信号的周期，其中，m为高重频干扰源数，计数波门内的第一个信号的时间为A，最后一个信号的时间为tn，采样脉冲个数为n，周期为T。
6.根据权利要求1-3其中之一所述的系统，其特征在于，寻找反向高重频信号的同步点具体为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。
7.一种抗高重频干扰的激光编码方法，其特征在于，在激光目标指示器预置纳秒级脉宽可调激光器进行PAWM编码；在导引头信号处理部分采用计数波门、选通波门，含有高重频干扰信号的制导信号通过选通波门和计数波门，通过计数波门进行高重频周期测定，获取反向高重频同步信号，控制高频电子开关对经过选通波门的制导信号输出控制信号，计数波门结合时刻记录测量高重频干扰信号的周期，根据高重频干扰信号周期在计数波门内确定反向高重频信号的起始点，以起始点作为同步点发出与高重频信号完全反向的周期信号，再以此周期信号控制一个高重频电子开关，消除复合信号中的高重频干扰信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述PAWM编码具体为电光开关削波实现脉冲宽度和脉冲幅度编码，正交的KTP晶体补偿静态双折射产生的相位差，普克尔盒电源同步控制减少延迟和误差，产生稳定可调的脉冲宽度和脉冲幅值，激光编码器调制脉冲宽度与脉冲幅度，形成PAWM编码。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，调用公式T=(Vt1)/((n-l)/m)获取高重频信号的周期，其中，m为高重频干扰源数，计数波门内的第一个信号的时间为&、最后一个信号的时间为tn，采样脉冲个数为n，周期为T。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，寻找反向高重频信号的同步点具体为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。
全文摘要
本发明涉及一种抗高重频干扰的激光编码方法，通过对高重频激光有源干扰对激光半主动寻的制导的威胁，针对产生纳秒级脉宽可调激光器，提出一种使用电光开关直接削波实现脉冲宽度和脉冲幅值的编码，同时采用正交的KTP晶体来补偿静态双折射产生的相位差，并且采用普克尔盒电源同步控制减少延迟和误差，将激光编码脉宽编码与脉冲幅值调制相结合，形成一种既能对抗激光角度欺骗式干扰又能对抗高重频激光干扰的PAWM编码，同时在导引头上对抗高重频激光干扰的方法做出改进，形成一种新型的激光编码系统，该系统适合用于跟踪、制导、定位、准直、光通信APT技术、光电对抗等方面。
文档编号H03M5/00GK102638271SQ20121011457
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月18日 优先权日2012年4月18日
发明者冉景砚, 冯鹏, 孙龙钊, 熊杰, 王寅, 肖维仲, 陆遥, 陈勇 申请人:重庆邮电大学