基于FPGA的雙波束激光引信目標識別算法研究

嚴文康, 李傳增, 王樹山, 蒲榮輝

(1.北京理工大學(xué)機電學(xué)院,北京100081;2.中國人民解放軍第94789部隊,江蘇南京210022;3.國營5424廠,北京101149;4.國營732廠,山東 淄博 255201)

0 引言

艦載武器在執(zhí)行反導(dǎo)作戰(zhàn)任務(wù)時,由于彈目相對運動速度較大(通常達到2～6 M a以上),因此要求引信系統(tǒng)必須具有全向探測、快速識別、準確定位、精確控制炸點的功能,要實現(xiàn)上述功能,必須采用大視場探測體制,有效提高光束照射到目標的可能性和對目標的覆蓋范圍,以保證接收機有足夠大的接收信號功率和信噪比[1]。

為在惡劣的天氣條件下對低空掠海飛行的超音速目標給予致命性打擊,美國提出的應(yīng)用于艦載防空導(dǎo)彈引信的窄脈沖激光目標探測裝置(Short Pulse Laser TDD)和“十一五”期間北京理工大學(xué)提出的雙波束激光引信[2-5],均采用了兩個具有一定前向傾角的大視場探測方式,以實現(xiàn)對目標的全方位探測。目前,如何有效識別目標是雙波束激光引信亟待解決的關(guān)鍵問題之一,本文結(jié)合一定工程應(yīng)用背景,提出了速度判斷準則,基于FPGA技術(shù)采用VHDL語言編寫了目標識別算法程序,并進行了程序的仿真、調(diào)試和實物測試。研究結(jié)果可為雙波束激光引信抗干擾技術(shù)的進一步研究提供參考。

1 系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

雙波束激光引信是一種新型激光近炸引信,采用特殊的光束空間布局方式形成兩個不同頂角的圓錐狀激光探測場,對周圍空間進行360°掃掠觀測,當敏感到目標的存在時,基于速度判斷準則的信號處理系統(tǒng)對來襲目標進行判斷,進而確定戰(zhàn)斗部最佳起爆時刻[5-7]。該引信主要由激光探測系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、安全引爆系統(tǒng)和機械觸發(fā)系統(tǒng)等組成,具有全向、前向探測功能,能夠增加探測目標的概率;具有抗超低空嚴重海雜波(海浪)干擾的能力,保證了彈道安全;且可通過調(diào)整激光器與彈軸的傾角適配于多種類型的戰(zhàn)斗部。

如圖1所示,其具體作用過程是:兩個不同波長、不同頂角的圓錐狀激光探測場A和B,分別對稱分布在彈軸兩側(cè)。彈目交會時,目標首先遇到光錐A,激光束經(jīng)目標反射形成回波信號,并被相應(yīng)的接收器捕捉到,經(jīng)放大后送于信號處理系統(tǒng),計時器開始計時。一段時間后,目標遇到光錐B,回波信號同樣被相應(yīng)的接收器捕捉,并經(jīng)過處理送于信號處理系統(tǒng),計時器停止,并與預(yù)先設(shè)定的時間范圍進行比較,若在預(yù)定時間范圍內(nèi),則確定為來襲目標。

圖1 雙波束激光引信模型樣機及其探測原理示意圖

2 目標識別算法

目標識別的主要目的是將目標與非目標進行區(qū)分,排除非目標回波信號的干擾,在海情較為復(fù)雜時,可采用距離截止技術(shù)首先對一般海浪進行濾除,然后對進入探測視野的浪尖采用速度判斷準則進行二次過濾。通過目標與海浪之間的速度對比進而確定目標。雙波束激光目標識別算法的流程圖,如圖2所示。

圖2 目標識別算法流程圖

雙波束激光引信的信號處理系統(tǒng)主要由邏輯控制單元和起爆控制單元組成。其工作過程:實時計算目標穿過兩個光錐的時間差,不斷將當前的時間差與預(yù)定延時進行比較,一旦當前的時間差在預(yù)定延時的范圍內(nèi),邏輯控制單元便自動默認為預(yù)定目標,并將目標的方位或距離信息傳遞給起爆控制單元進行炸點信息的解算,進而決定起爆時刻,及時引爆戰(zhàn)斗部。發(fā)射前,預(yù)定延時信息需根據(jù)彈目交會狀態(tài)和相對速度編程到引信信號處理系統(tǒng)電路中進行裝定。

艦載武器反導(dǎo)彈藥的典型目標是“飛魚”類反艦導(dǎo)彈,該類目標在彈道末端一般以0.85 M a的速度在距海平面(5～15)m高度內(nèi)低空掠海水平巡航,而艦載武器反導(dǎo)彈藥與目標的交會狀態(tài)通常為軸向迎擊交會。因此,根據(jù)實際的彈目交會狀態(tài),對目標通過雙波束激光探測場的時間差進行計算,為預(yù)定時間t的設(shè)定提供理論支撐。

當目標進入雙波束激光探測視野時,具有兩個空間邊界點O1和O2,如圖3所示。

圖3 彈目交會示意圖

假如目標通過第一個光錐的O1點時,計時器啟動,在第二個光錐的O3點計時器停止。為保證光束對目標的有效覆蓋,根據(jù)彈目軸向迎擊交會特點,在相對速度坐標系內(nèi),雙波束激光引信的可靠作用距離與脫靶量參數(shù)應(yīng)滿足如下關(guān)系:

則彈丸所走過的距離S為

式中:R為雙波束激光引信的可靠作用距離;ρ為脫靶量;θ為脫靶方位角;Ω1、Ω2為激光器與彈軸之間的夾角。

2.1 電路實現(xiàn)

由式(2),若雙波束激光近炸引信可靠作用距離為12 m,兩個激光器傾角分別為 45°和 30°,彈目相對速度為680 m/s,則目標在雙波束激光探測場中所經(jīng)歷的時間上限t max=6.57ms,選取一定的裕量,取為7 m s,即認為只要通過兩個光錐的時間差小于7 ms就可判斷為目標?？紤]到系統(tǒng)的響應(yīng)時間(信號累計至超過啟動閾值的時間),設(shè)定時間差下限為tmin=2m s,則目標識別算法中的預(yù)定時間t=(2,7),并以此數(shù)據(jù)進行程序設(shè)計。本著電路實時性和小型化的原則,本文選用FPGA作為硬件設(shè)計平臺,并使用 M AX+PLUSⅡ、QUARTUSⅡ、ISE作為設(shè)計工具,采用VHDL作為程序編寫語言。根據(jù)目標識別算法流程圖的要求,將電路劃分為三個模塊,即信號接收器、計時器和比較器。主要實現(xiàn)功能如下:當接收到start信號時,計時開始,接收到stop信號時,計時結(jié)束,并得到計時時間差,然后將時間差送入比較器與給定時間范圍(二進制輸入)進行比較,若在給定范圍內(nèi),則LED燈亮(表明目標為預(yù)定目標),程序結(jié)束,否則返回重新等待計時,電路引腳如圖4所示。

圖4 目標識別算法數(shù)字電路引腳圖

圖4中各引腳和端口定義如下:clk為 50 MHz時鐘信號輸入端口;reset為手動復(fù)位信號輸入引腳;start為探測器A接收到的激勵信號;stop為探測器B接收到的停止信號;B1為用撥碼開關(guān)輸入初始比較值;LEDˉB為內(nèi)部的比較信號(將輸入B1信號取反后賦值);LED為比較結(jié)果信號,燈亮表示為來襲目標,反之相反;led1為計時信號,燈亮代表接收到了激勵信號,計時器開始工作;Seg[7..0]為七段數(shù)碼管顯示信號。

2.2 仿真與測試

電路經(jīng)布線后,設(shè)計工具能夠給出該設(shè)計的詳細延時信息,這些延時信息非常貼近FPGA的實際工作情況。根據(jù)這些復(fù)雜的延時信息,時序仿真將按照最壞的情況來分析電路的時序行為。目標識別算法的時序仿真波形,如圖5所示。

圖5中,第1行波形為輸入時鐘;第2行為復(fù)位信號;第3行為開始信號;第4行為停止信號;第5行為輸入值;第6行為LED燈顯示結(jié)果(低電平有效);第7行為計時燈顯示標志;第8行為模塊內(nèi)部的計數(shù)值;第9行為計時結(jié)果輸出顯示。

將通過軟件仿真的程序下載到ALTERA公司開發(fā)的CycloneⅡ系列(采用EP2C8Q 208芯片)通用FPGA開發(fā)板上對其進行測試。測試過程運行正常,顯示結(jié)果如圖6所示。

圖5 目標識別算法的時序仿真圖

初始時,計時器屏幕顯示為“0”,當給出start(按鍵1)觸發(fā)信號時,計時器開始計時,數(shù)碼管正上方的二極管顯示燈D2亮,表明計時器開始正常工作,經(jīng)過一段時間的計時,當接收到“stop”信號時(按鍵2),計時停止計時,D2熄滅。當數(shù)碼管顯示時間在預(yù)定時間(2～7)ms之間時,二極管顯示燈D1亮。若接收到“stop”觸發(fā)信號時,沒有在預(yù)定時間內(nèi),則計時器重新開始計時。經(jīng)反復(fù)測試,系統(tǒng)運行正常,測試結(jié)果表明:基于雙波束激光目標識別算法的信號處理系統(tǒng)能夠在預(yù)定的時間內(nèi)做出正確判斷,該算法有效可行。

圖6 程序測試結(jié)果

3 結(jié)論

針對艦載武器在執(zhí)行反導(dǎo)作戰(zhàn)任務(wù)時,通常采用的無線電近炸引信易受自然環(huán)境和人為因素干擾的特點,提出了雙波束激光引信的概念,分析了其系統(tǒng)構(gòu)成和作用原理;重點研究了雙波束激光引信目標識別算法,提出了速度判斷準則,基于FPGA技術(shù)采用VHDL語言編寫了目標識別算法程序,并進行了程序的仿真、調(diào)試和實物測試,結(jié)果表明:基于雙波束激光目標識別算法的信號處理系統(tǒng)能夠在預(yù)定的時間內(nèi)做出正確判斷,初步驗證了其原理的可行性。由于實驗過程中不能真實模擬彈目的高速交會狀態(tài),所以無法驗證系統(tǒng)工作的實時性,這將是目標識別算法進一步改進的方向和重點。

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