提高脈沖激光近炸引信定距精度的研究

趙忠偉， 張玉鈞， 周 權(quán)， 沈 超， 倪家正

(脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(電子工程學(xué)院)，合肥 230037)

0 引言

提高炸點(diǎn)控制精度是引信特別是近炸引信發(fā)展的一個(gè)永恒主題，而提高炸點(diǎn)控制精度關(guān)鍵在于對(duì)目標(biāo)的精確定距和起爆點(diǎn)位置的精確控制，激光引信能精確控制起爆點(diǎn)的位置［1－2］，所以對(duì)激光引信實(shí)現(xiàn)較高的距離判別精度有著重要意義。

目前，由于激光引信對(duì)體積、重量和功耗有著苛刻的要求，所以激光引信主要采用脈沖測(cè)距的方法進(jìn)行距離判別［3－4］。根據(jù)脈沖激光測(cè)距的原理可知，影響測(cè)距的因素主要有起止脈沖信號(hào)時(shí)刻的判別和時(shí)間間隔的測(cè)量。國(guó)內(nèi)外目前在脈沖激光引信中，主要采用縮短發(fā)射激光的脈沖寬度來提高引信的測(cè)距精度［5－6］，雖然這種方案能提高引信測(cè)距精度，但對(duì)于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的帶寬卻提出了更高的要求，引信功耗也隨之加大，因此，本文設(shè)計(jì)了可在原有發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的條件下提高脈沖激光引信測(cè)距精度的時(shí)刻判別和時(shí)間間隔測(cè)量電路。

1 時(shí)刻判別電路設(shè)計(jì)

時(shí)刻鑒別單元的主要作用是對(duì)放大電路的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為系統(tǒng)產(chǎn)生起始信號(hào)和結(jié)束信號(hào)，其性能直接影響著測(cè)時(shí)精度和系統(tǒng)的距離分辨率。目前常用的方法有前沿時(shí)刻鑒別、恒定比值時(shí)刻鑒別法和高通容阻法［7］。前沿時(shí)刻鑒別容易實(shí)現(xiàn)，但是漂移誤差較大，無(wú)法滿足高精度測(cè)量的應(yīng)用;恒定比值時(shí)刻鑒別能夠克服前沿時(shí)刻鑒別的缺點(diǎn)，減小漂移誤差，提高測(cè)量精度，但是其需要得到一個(gè)精確到納秒量級(jí)的延遲，這是很難實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)的復(fù)雜度也會(huì)增加:所以本文在高通容阻的原理上設(shè)計(jì)了有源CR雙閾過零時(shí)刻判別電路。其原理如圖1所示。

圖1 有源CR雙閾過零時(shí)刻判別原理圖Fig.1 The active CR double threshold zero－crossing timing discriminating circuit

由圖1可知，放大后的信號(hào)分為兩路，一路經(jīng)過C1、R1和放大器U1構(gòu)成的有源CR微分電路，由單極性脈沖信號(hào)變?yōu)殡p極性信號(hào)，輸出到過零比較器U3;另一路輸入到閾值比較器U2進(jìn)行閾值比較，只有當(dāng)信號(hào)大于閾值時(shí)，才確定信號(hào)有效，輸出高電平到U3的使能端口LE，使U3處于比較狀態(tài)，避免了因噪聲和干擾信號(hào)引起過零比較器的誤觸發(fā)。當(dāng)U3處于比較狀態(tài)時(shí)，雙極性信號(hào)經(jīng)過U3，與零閾值進(jìn)行比較，輸出所需的脈沖信號(hào)。整個(gè)電路的時(shí)序如圖2所示。

圖2 時(shí)刻判別電路時(shí)序圖Fig.2 The time sequence of discriminating circuit

為了減小誤差，避免電源電壓波動(dòng)或者噪聲等造成的比較器閾值電平飄移，在比較器U2中采用穩(wěn)壓管穩(wěn)定閾值th1，電位器R4用來調(diào)整閾值大小;在U3中采用兩只二極管串聯(lián)來穩(wěn)定零電平，并且為了得到穩(wěn)定的閾電壓，對(duì)電位器R9輸出的電壓進(jìn)行了衰減和濾波，減少了噪聲和外部干擾的影響。

2 時(shí)間間隔測(cè)量原理

脈沖激光引信測(cè)距的工作原理是通過測(cè)定脈沖光波在測(cè)線上往返所經(jīng)歷的時(shí)間，按照式(1)求出距離值，即脈沖飛行時(shí)間法［8］。

式中:D為被測(cè)距離;c為光速;t為脈沖光波在測(cè)線上往返經(jīng)歷的時(shí)間間隔，即飛行時(shí)間。在激光引信中，測(cè)距的時(shí)序如圖3所示。

圖3 脈沖激光引信測(cè)距的時(shí)序圖Fig.3 Time sequence diagram of pulse laser fuze ranging

從圖3中可以看出，由開始信號(hào)到結(jié)束信號(hào)的真實(shí)時(shí)間間隔為Td，而若采用簡(jiǎn)單的直接計(jì)數(shù)法得到的測(cè)量結(jié)果為Tc，存在極大的誤差。目前，脈沖測(cè)距時(shí)間測(cè)量方法有模擬法［9］、數(shù)字法和數(shù)字插入法。數(shù)字插入法是在數(shù)字法的基礎(chǔ)上，通過插入法提高測(cè)量精度，包括延遲線插入法、時(shí)幅轉(zhuǎn)換插入法和時(shí)間放大插入法。數(shù)字插入法繼承了數(shù)字法測(cè)量范圍大和線性好的優(yōu)點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)了高精度的時(shí)間測(cè)量，因此，為了精確測(cè)量開始信號(hào)和回波信號(hào)的時(shí)間間隔，本文選擇具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量重復(fù)頻率高、易于單片集成和精度高等優(yōu)點(diǎn)的FPGA延遲線插入法進(jìn)行高精度時(shí)間間隔的測(cè)量。

在本設(shè)計(jì)中，時(shí)間間隔的測(cè)量包括“粗”時(shí)間測(cè)量和“細(xì)”時(shí)間測(cè)量?jī)刹糠?，其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 時(shí)間間隔測(cè)量的主要結(jié)構(gòu)Fig.4 Main architecture of time－interval measurement

“粗”時(shí)間測(cè)量，就是直接計(jì)數(shù)法，通過一個(gè)高速計(jì)數(shù)器和兩個(gè)鎖存器來實(shí)現(xiàn)，以時(shí)鐘周期為基準(zhǔn)，開始信號(hào)和回波信號(hào)為計(jì)數(shù)開門和關(guān)門的鎖存信號(hào)，鎖存住激光開始信號(hào)start和回波信號(hào)stop到達(dá)時(shí)的計(jì)數(shù)值，根據(jù)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘周期T0算出“粗”時(shí)間Tc;兩路延遲線構(gòu)成“細(xì)”時(shí)間測(cè)量電路，用來測(cè)量開始或回波信號(hào)與時(shí)鐘上升沿之間的時(shí)間間隔Ta和Tb，最后得到開始和回波信號(hào)之間的時(shí)間間隔Td。

假設(shè)計(jì)數(shù)器和兩個(gè)鎖存器位寬為N，開始信號(hào)的鎖存器Qa鎖存的計(jì)數(shù)值為Qa1，回波信號(hào)的鎖存器Qb鎖存的計(jì)數(shù)值為Qb1，則開始信號(hào)和回波信號(hào)之間的計(jì)數(shù)間隔Q△可表示為

假設(shè)延遲線每個(gè)單元的延時(shí)時(shí)間為Tr，主波信號(hào)延遲線和回波信號(hào)延遲線編碼器的輸出分別為Na、Nb，計(jì)算可得Ta和Tb。

由式(2)～式(4)可得Td為

由以上分析可知，在計(jì)數(shù)時(shí)鐘穩(wěn)定的條件下，F(xiàn)PGA延遲線插入法測(cè)量時(shí)間間隔的精度取決于延遲單元的精度Tr。

3 時(shí)間間隔測(cè)量電路設(shè)計(jì)

3.1 延遲線插入法

在FPGA中實(shí)現(xiàn)延遲線插入法有很多種，本文利用FPGA內(nèi)部專用進(jìn)位鏈來實(shí)現(xiàn)時(shí)間內(nèi)插，以便得到較高的測(cè)時(shí)分辨率［10－11］。使用加法器將進(jìn)位單元級(jí)聯(lián)起來形成一條對(duì)輸入信號(hào)的時(shí)間內(nèi)插延遲線，實(shí)現(xiàn)時(shí)間內(nèi)插電路，進(jìn)位鏈構(gòu)成延遲線的示意如圖5所示，其中，A為被加數(shù)、B為加數(shù)，Sum為和，C為進(jìn)位數(shù)，S為回波信號(hào)。

圖5 進(jìn)位鏈構(gòu)成延遲線示意圖Fig.5 Schematic diagram of delay－line formed by carry－in chain

設(shè)置所有的A為1，B除最低位外都為0，加數(shù)的最低位作為開始或回波信號(hào)S的輸入。這樣，當(dāng)外部沒有輸入信號(hào)時(shí)，S為0，所有輸出Sum都為1，進(jìn)位鏈上沒有信號(hào)傳播;當(dāng)外部有輸入信號(hào)時(shí)，S為1，加法器的最低位加法公式就是A+S+C=1+1+0，和數(shù)Sum［0］為0，進(jìn)位信號(hào)為1。這樣，輸入信號(hào)沿著進(jìn)位鏈的每級(jí)專用進(jìn)位連線一級(jí)級(jí)地傳輸，輸入信號(hào)被延遲線延遲的信息可以通過加法器的輸出信號(hào)顯示出來。

3.2 電路設(shè)計(jì)

通過對(duì)大量FPGA芯片性能的研究，本文選用Xilinx公司的XC2V250－6CS144I器件來實(shí)現(xiàn) Td的精確測(cè)量。該器件內(nèi)部最高時(shí)鐘可達(dá)420 MHz，延遲進(jìn)位鏈延時(shí)單元延時(shí)時(shí)間為82 ps，可以實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)、高時(shí)間分辨率、響應(yīng)速度快的TDC電路，其電路功能框圖如圖6所示。

圖6 FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔測(cè)量電路功能框圖Fig.6 Graph of time－interval measurement circuit in FPGA

由圖6可知，時(shí)間間隔測(cè)量電路主要包括高速計(jì)數(shù)器、延遲進(jìn)位鏈、鎖存器、D觸發(fā)器和編碼器。其中:高速計(jì)數(shù)器采用400 MHz的時(shí)鐘計(jì)數(shù)進(jìn)行“粗”測(cè)量，測(cè)得Tc;延遲進(jìn)位鏈包括開始信號(hào)start和回波信號(hào)stop兩路延遲線路，而且要求每一路延遲線路總的延遲時(shí)間大于高速計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘周期2.5 ns，所以每一路延遲線路的延遲單元不少于31個(gè)，為了確保延遲電路的有效性，每一路延遲線路的延遲單元設(shè)為48個(gè);鎖存器采用400 MHz時(shí)鐘同步的開始信號(hào)和回波信號(hào)進(jìn)行鎖存;D觸發(fā)器，用來完全一致地鎖存輸入信號(hào)沿進(jìn)位鏈傳輸?shù)臅r(shí)間延遲信息;編碼器是將延遲進(jìn)位鏈的48位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制碼。最后，各路信息匯總到信號(hào)處理單元，計(jì)算出測(cè)量的距離，再輸出到顯示器進(jìn)行顯示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)以上提高測(cè)距精度的方法，設(shè)計(jì)了一套脈沖激光引信系統(tǒng)，如圖7所示，包括發(fā)射系統(tǒng)(半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路，半導(dǎo)體激光器和發(fā)射透鏡)，接收系統(tǒng)(接收透鏡，探測(cè)器，前放電路，主放電路和時(shí)刻鑒別電路)，時(shí)間測(cè)量電路和數(shù)據(jù)處理4個(gè)部分。

圖7 脈沖激光引信系統(tǒng)框圖Fig.7 Graph of pulse laser fuze structure

系統(tǒng)中半導(dǎo)體激光器選用PGAS1S12，采用溫度補(bǔ)償激光二極管控制器X9530構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，接收電路中選用三極管BFR92構(gòu)成雙極晶體管型的跨阻式前置放大電路，主放大器AD8047構(gòu)成增益控制電路，時(shí)刻判別電路中選用運(yùn)放AD8047組成有源CR電路，高速比較器AD96687用來雙閾比較和時(shí)刻判定，F(xiàn)PGA進(jìn)行時(shí)間間隔測(cè)量和最后的信號(hào)處理。

完成以上系統(tǒng)后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，由于信號(hào)經(jīng)過接收系統(tǒng)各器件會(huì)產(chǎn)生延遲，所以需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，校正后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)放于距離系統(tǒng)的3～10 m之間，每個(gè)位置測(cè)量5次，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 近距離測(cè)量結(jié)果Table 1 Measure results in small range

從表1可以看出，單次測(cè)量最大誤差小于0.170 m，多次測(cè)量平均誤差小于0.040 m，結(jié)果表明，通過多次求平均后可以減小隨機(jī)誤差的影響。從結(jié)果中也可以看出，系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差不僅僅來自于時(shí)間間隔測(cè)量電路中延遲單元Tr，還有時(shí)鐘晶振的抖動(dòng)導(dǎo)致的“粗”計(jì)數(shù)部分出現(xiàn)的誤差，以及時(shí)刻判別電路中高速比較器存在的傳輸延時(shí)分散性誤差。因此造成單次測(cè)量結(jié)果誤差偏大，但平均誤差很小，證明了本系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)需要，所設(shè)計(jì)的時(shí)刻鑒別電路和時(shí)間間隔測(cè)量電路提高了脈沖激光引信的定距精度。

5 結(jié)論

根據(jù)高通容阻的原理和脈沖激光引信的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙閾過零時(shí)刻判別電路和基于FPGA延遲線插入法的時(shí)間間隔測(cè)量電路，滿足了在不增加脈沖激光引信系統(tǒng)功耗、體積和重量的前提下，有效地提高了系統(tǒng)定距的精度。實(shí)踐表明，該電路應(yīng)用于脈沖激光近炸引信測(cè)距系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)0.17 m的定距精度，滿足實(shí)際需要。

［1］ 崔占忠，宋世和.近炸引信原理［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2009:1－6.

［2］ 李大社，劉淑娥，劉晶.激光自適應(yīng)引信的設(shè)計(jì)［J］.電光與控制，2006，13(2):69－72.

［3］ 馮國(guó)旭，常保成.高精度激光測(cè)距技術(shù)研究［J］.激光與紅外，2007，37(11):9－12.

［4］ 施坤林，黃崢，馬寶華，等.國(guó)外引信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析與加速發(fā)展我國(guó)引信技術(shù)的必要性［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2005，27(3):1－5.

［5］ FARDI B，SCHEUNERT U，CRAMER H，et al.Multi－modal detection and parameter－based tracking of road borders with a laser scanner［C］//IEEE，2003:95－99.

［6］ 桑會(huì)平，鄧甲昊，胡秀娟.脈沖激光引信微弱回波信號(hào)數(shù)字檢測(cè)技術(shù)研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2007，28(4):420－424.

［7］ 陳千頌，楊成偉，潘志文，等.激光飛行時(shí)間測(cè)距關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展［J］.激光與紅外，2002，32(1):7－10.

［8］ JIN K C，MOON M K.TDC module for time－of－flight［C］//IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record，Honolulu，HI，Oct.26－Nov.3，2007:761－764.

［9］ 潘繼飛，姜秋喜，畢大平.模擬內(nèi)插法及其測(cè)量誤差分析［J］.電光與控制，2007，14(1):147－151.

［10］ ALOISIO A，BRANCHINI P，CICALESE R，et al.FPGA implementation of a high－resolution time－to－digital converter［C］//IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record，Honolulu，HI，Oct.26－Nov.3，2007:504－507.

［11］ SONG Jian，AN Qi.A high－resolution time－to－digital converter implemented in field programmable gate arrays［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science(S0018－9499)，2006，53(1):236－237.