偽隨機(jī)碼近炸引信激光探測(cè)技術(shù)研究

韓磊 張亞 李世中

【摘要】本文設(shè)計(jì)了一種以巡航導(dǎo)彈為目標(biāo)，可靠作用距離大于1m的激光近炸引信，重點(diǎn)從探測(cè)機(jī)制的選擇、探測(cè)器的選擇、前置放大器的設(shè)計(jì)以及信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)研究設(shè)計(jì)了激光近炸引信的系統(tǒng)構(gòu)成以及相應(yīng)的激光近炸引信的探測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定出了相關(guān)的技術(shù)參數(shù)并設(shè)計(jì)出了相關(guān)的電路。

【關(guān)鍵詞】引信;激光近炸;探測(cè)器

引言

由于觸發(fā)引信有效地降低炮彈的威力，所以，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中較為廣泛的使用近炸引信，它的作用是不需要接觸到目標(biāo)就可以引爆戰(zhàn)斗部。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，出現(xiàn)了許多種類的引信，近炸引信可以分為無(wú)線電近炸引信與光學(xué)近炸引信。光學(xué)近炸引信又包括紅外近炸引信與激光近炸引信[1]。激光近炸引信的接收系統(tǒng)接收的是激光信號(hào)。激光近炸引信是利用激光具有單色性和方向性較好的特點(diǎn)，可以將激光光束和探測(cè)場(chǎng)設(shè)計(jì)的很窄。它在指定距離內(nèi)可以檢測(cè)目標(biāo)，當(dāng)導(dǎo)彈處在最佳爆炸點(diǎn)的位置時(shí)啟爆戰(zhàn)斗部。激光近炸引信探測(cè)脈沖窄、調(diào)制方便、抗干擾能力強(qiáng)、能精確探測(cè)目標(biāo)距離和位置，具有引戰(zhàn)配合效率高和抗光電干擾能力突出等優(yōu)點(diǎn)，特別適合現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的精確打擊和電子對(duì)抗的特點(diǎn)[2]。

1.偽隨機(jī)碼激光引信系統(tǒng)組成

偽隨機(jī)碼激光引信系統(tǒng)是由偽隨機(jī)碼發(fā)生器、激光發(fā)射電路、激光接收電路、信號(hào)處理電路、發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成。偽隨機(jī)碼發(fā)生器用于產(chǎn)生所需要的偽碼信號(hào)，其經(jīng)調(diào)制后獲得滿足激光器脈沖寬度要求的偽碼脈沖信號(hào)，經(jīng)激勵(lì)電路激勵(lì)后驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射編碼的激光脈沖，最后經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)對(duì)激光束進(jìn)行準(zhǔn)直或擴(kuò)展后照射到目標(biāo)。從目標(biāo)反射的光學(xué)能量發(fā)射給目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)使濾光器的濾光和光束完成聚焦，激光接收器對(duì)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，分別送入CPLD和FPGA芯片中。在CPLD中，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)與本地碼信號(hào)的離散相關(guān)性判斷，并輸出相關(guān)度值傳送給FPGA信號(hào)處理系統(tǒng)，以此數(shù)據(jù)為依據(jù)在FPGA中判斷FPGA所做的相關(guān)性定距運(yùn)算的有效性，從而實(shí)現(xiàn)引信抗干擾的功能。AD采集回波信號(hào)通過(guò)FPGA進(jìn)行處理，完成相關(guān)性定距運(yùn)算，在依據(jù)目標(biāo)信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)則的前提下完成對(duì)目標(biāo)的識(shí)別;在依據(jù)一定的目標(biāo)方位識(shí)別準(zhǔn)則的前提下完成對(duì)目標(biāo)方位的判別。最終根據(jù)彈目交會(huì)角、交會(huì)速度等信息及引戰(zhàn)配合的要求，給出起爆指令[3]，如圖1所示：

圖1 偽隨機(jī)碼體制激光引信系統(tǒng)原理

2.發(fā)射系統(tǒng)

激光引信發(fā)射系統(tǒng)的目標(biāo)是形成激光。發(fā)射系統(tǒng)由偽隨機(jī)碼產(chǎn)生電路、激勵(lì)電路和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，偽隨機(jī)碼產(chǎn)生電路產(chǎn)生所要求的頻率和脈寬的偽碼信號(hào);激勵(lì)電路將偽隨機(jī)碼產(chǎn)生電路輸出的信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，使激光器發(fā)出所需要的頻率和能量的激光;激光器發(fā)出的激光經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直或擴(kuò)散，轉(zhuǎn)變?yōu)樗栊问降墓馐蚩臻g輻射，在空間形成所需要的探測(cè)物理場(chǎng)。為了提高激光引信的工作性能，激光器一定要有足夠的功率。由于激光器發(fā)射功率與發(fā)射激光脈沖寬度成反比，因此偽隨機(jī)碼序列需首先進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，經(jīng)激勵(lì)電路激勵(lì)后，再經(jīng)激光器進(jìn)行發(fā)射。調(diào)制頻率的大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)確定，以保證獲得系統(tǒng)所需的發(fā)射功率。按照系統(tǒng)的特性要求及激光器的選擇原則，可選用目前國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體激光器的主流器件——砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體激光器，它的額定輸出功率為數(shù)十瓦左右，脈沖占空比為千分之一，滿足系統(tǒng)高峰值功率和高脈沖占空比的要求[4]。為了使激光引信能探測(cè)較遠(yuǎn)的目標(biāo)，可選用摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）固體激光器，其屬于四能級(jí)系統(tǒng)，脈沖重復(fù)頻率大于1kHz，峰值功率大于。驅(qū)動(dòng)激光器工作的激勵(lì)技術(shù)和提供激光器工作的直流電源技術(shù)是保證系統(tǒng)特性的另外兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。一方面，因?yàn)樗捎眉す馄鞯拈撝惦娏饕话銥閹装才?，工作電流為幾十安培，最大可達(dá)幾百安培，而調(diào)制后的信號(hào)一般在mA級(jí)，所以必須對(duì)調(diào)制后的信號(hào)加以激勵(lì)。同時(shí)，為了使工作點(diǎn)處于激光器輸出特性曲線的線性部分，使輸出的激光信號(hào)不失真，一般在加調(diào)制信號(hào)的同時(shí)加一適當(dāng)?shù)钠秒?。最后，直流電源本身都存在?nèi)阻，直接流過(guò)數(shù)十安培的工作電流會(huì)使直流電源發(fā)熱很快燒毀。同時(shí)為保證激光器工作狀態(tài)正常，直流電源需要有很高的穩(wěn)定度和很低的噪聲與紋波，所以也必須采取相關(guān)技術(shù)加以解決[5]。

3.接收系統(tǒng)

激光引信接收電路的作用是將接收的激光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過(guò)后繼信號(hào)預(yù)處理電路將微弱的電信號(hào)變?yōu)楹竺鍲PGA等信號(hào)處理電路要求的具有一定幅值和信噪比的信號(hào)。其原理是光電探測(cè)器接收經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)變換，并經(jīng)通帶干涉濾光器濾波的目標(biāo)反射的激光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電號(hào)。獲得的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大并與設(shè)定的雙閾值電路進(jìn)行比較，只有介于閾值門內(nèi)的信號(hào)才能通過(guò)，高于或低于閾值門的信號(hào)將被去除。對(duì)于偽隨機(jī)碼探測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)光電探測(cè)器的要求主要有高靈敏度、低噪聲、快速響應(yīng)和光譜特性好幾點(diǎn)。靈敏度越高，意味著接收微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)，從而作用距離越遠(yuǎn)，而靈敏度正是以其所能接受的最小功率來(lái)衡量的。光電轉(zhuǎn)換器件是光探測(cè)器的核心。光電轉(zhuǎn)換器件可選用硅PIN型光電二極管，它是光伏效應(yīng)的典型代表，它體積小、響應(yīng)速度快、靈敏度高、噪聲小及線性工作范圍大，并且還可以直接暴露在陽(yáng)光下而不受損。

4.光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)是激光引信的重要組成部分，分為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)。綜合考慮技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性、綜合戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能、單機(jī)成本，本設(shè)計(jì)采用“激光平行光路小視場(chǎng)探測(cè)”模式。收發(fā)視場(chǎng)的光軸是平行的，且形成接收視場(chǎng)包容發(fā)射視場(chǎng)的狀態(tài)。發(fā)射視場(chǎng)和接收視場(chǎng)窗口用隔板隔開，防止發(fā)射光束直接進(jìn)入接收系統(tǒng)。若目標(biāo)出現(xiàn)在盲區(qū)，從目標(biāo)反射回的回波信號(hào)將無(wú)法進(jìn)入接收視場(chǎng);當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在模糊區(qū)時(shí)，目標(biāo)有可能同時(shí)進(jìn)入發(fā)射視場(chǎng)和接收視場(chǎng)，此時(shí)引信將探測(cè)到目標(biāo);當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在啟動(dòng)區(qū)時(shí)，由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射的激光束經(jīng)目標(biāo)反射后將進(jìn)入接收視場(chǎng)，激光引信將探測(cè)到目標(biāo)，在作用距離內(nèi)，產(chǎn)生起爆信號(hào)。在光學(xué)系統(tǒng)中加入透鏡系統(tǒng)，使其與激光器及相應(yīng)的固定支架一起構(gòu)成獨(dú)立的激光發(fā)射裝置。其可以根據(jù)引信攻擊的目標(biāo)及與目標(biāo)接近姿態(tài)的不同，改變發(fā)射光束的發(fā)散角、波束寬度和截面積，而發(fā)射總功率基本保持不變，從而達(dá)到增加光輻射密度的目的。光源發(fā)散角越小，接收系統(tǒng)接收到的光功率越大，所以激光發(fā)射端可采用會(huì)聚透鏡來(lái)準(zhǔn)直光束，一般發(fā)射視場(chǎng)角不大于2?。激光引信作用距離與光學(xué)接收器的有效通光直徑有關(guān)，加大通光孔徑會(huì)加大探測(cè)距離，但同時(shí)干擾信號(hào)也會(huì)增加，所以應(yīng)根據(jù)探測(cè)靈敏度等要求綜合考慮光學(xué)接收器的有效通光直徑D，其大小一般與接收光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)等效焦距相當(dāng)。探測(cè)視場(chǎng)角大小的要求因激光引信戰(zhàn)技指標(biāo)和攻擊對(duì)象的不同而有所不同。

5.信號(hào)處理電路

在探測(cè)系統(tǒng)獲取目標(biāo)信號(hào)后，信號(hào)處理系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)和抗干擾，對(duì)目標(biāo)定距和方位判別等任務(wù)。信號(hào)處理電路主要任務(wù)是完成本地碼和回波信號(hào)的相關(guān)判別與計(jì)算，獲得引信與目標(biāo)或背景的距離信息，同時(shí)依據(jù)目標(biāo)和背景的特性實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別和方位的判斷。激光引信中，由于彈目以高速交會(huì)，則對(duì)引信信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求很高，采用傳統(tǒng)的微分、積分等電路構(gòu)成的模擬方式的信號(hào)處理方法難以完成復(fù)雜彈目交會(huì)條件下的目標(biāo)識(shí)別及精確定距和抗干擾任務(wù)。

FPGA信號(hào)處理系統(tǒng)，必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理，以滿足FPGA芯片對(duì)輸入信號(hào)的要求。因此，首先需要對(duì)探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大，以獲得所需頻率和幅值的信號(hào)，之后經(jīng)比較器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電平信號(hào)。本設(shè)計(jì)中，相關(guān)性判斷部分在CPLD中完成，CPLD將輸出的相關(guān)度值直接送FPGA器件。同時(shí)利用A/D對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采集，并將A/D轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)加到FPGA的數(shù)據(jù)口， FPGA根據(jù)各路的回波幅值信息、回碼與本地碼的相關(guān)性信息及依據(jù)目標(biāo)信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)則和方位識(shí)別準(zhǔn)則，完成對(duì)目標(biāo)的識(shí)別、距離的計(jì)算和方位的判斷，并依據(jù)引戰(zhàn)配合的要求輸出起爆信號(hào)。

6.結(jié)論

本論文選擇了基于偽隨機(jī)碼的激光探測(cè)體制并對(duì)其系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理作了詳細(xì)的闡述，偽隨機(jī)碼激光引信利用自身的自相關(guān)性來(lái)完成測(cè)距和抗干擾的性能，其尖銳的自相關(guān)性可有效去除作用距離以外和作用距離內(nèi)的干擾信號(hào)，大大提高激光引信的抗干擾能力。

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