彭晶晶,劉 輝,成志鋒,黃紅云,陳蕙心
(上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海,200090)
激光制導(dǎo)武器具有打擊精度高、成本低、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn),成為空對(duì)地精確打擊的主要手段,是各國(guó)競(jìng)相研制的重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域。隨著無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用,國(guó)內(nèi)的激光制導(dǎo)武器也發(fā)展迅速,無(wú)論是導(dǎo)引頭本身還是激光目標(biāo)指示器,都在不斷地朝著通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、小型化及多功能方向發(fā)展[1],這就對(duì)激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭提出了更高的要求。
為了搭載小型無(wú)人機(jī)等多種平臺(tái),以及開(kāi)展多模復(fù)合導(dǎo)引頭技術(shù)研究,本文提出一種基于Virtex系列FPGA芯片設(shè)計(jì)的數(shù)字處理機(jī)。該處理機(jī)結(jié)合IP核(Intelligent Property Core)模塊化設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)激光導(dǎo)引頭數(shù)字處理機(jī)全部功能,并集成伺服控制系統(tǒng)的控制功能,提高了激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的集成度,具有很高的移植性,完成了導(dǎo)引頭小型化設(shè)計(jì),可廣泛應(yīng)用于其它小型或復(fù)合類型的激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭。
激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭主要包括數(shù)字處理機(jī)、光學(xué)目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、二次電源,接口關(guān)系如圖1所示。其中,光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)完成激光目標(biāo)回波信號(hào)的探測(cè)及放大,數(shù)字處理機(jī)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別判定并輸出控制信號(hào),伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤及彈體擾動(dòng)隔離,二次電源實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭各系統(tǒng)的供電功能。
圖1 激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭組成示意圖Fig. 1 Schematic diagram of semi-active laser seeker compositon
數(shù)字處理機(jī)是以CPU為核心、以軟件為基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)多功能數(shù)字信息處理的平臺(tái)[2],其功能涉及目標(biāo)信號(hào)的高靈敏度檢測(cè)、目標(biāo)信號(hào)判定、角度信號(hào)快速準(zhǔn)確提取、目標(biāo)信號(hào)穩(wěn)定跟蹤、干擾環(huán)境下的對(duì)抗、參數(shù)預(yù)裝訂、制導(dǎo)指令信息提取、與彈上計(jì)算機(jī)之間信息傳遞、導(dǎo)引頭工作時(shí)序控制以及工作邏輯管理等。
傳統(tǒng)的激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭各分系統(tǒng)均獨(dú)立設(shè)計(jì),并有各自的處理電路,使得系統(tǒng)體積龐大。同時(shí),數(shù)字處理機(jī)的硬件電路也比較復(fù)雜,一般采用FPGA結(jié)合DSP及相關(guān)外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn),器件種類繁多,難以實(shí)現(xiàn)激光導(dǎo)引頭小型化設(shè)計(jì)。本文則提出一種以單片F(xiàn)PGA芯片為核心的嵌入式數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái),結(jié)合IP核設(shè)計(jì)技術(shù),將制導(dǎo)信息提取、目標(biāo)識(shí)別與抗干擾、伺服系統(tǒng)控制等關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn),完成傳統(tǒng)數(shù)字處理機(jī)全部功能的同時(shí)集成伺服系統(tǒng)控制功能,滿足了導(dǎo)引頭的小型化需求,該數(shù)字處理機(jī)組成如圖2所示。
圖2 數(shù)字處理機(jī)組成框圖Fig. 2 Block diagram of digital processor composition
數(shù)字處理機(jī)通過(guò)目標(biāo)采集模塊、控制電壓輸出模塊、邏輯管理模塊完成目標(biāo)探測(cè)信號(hào)采集以及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)自適應(yīng)控制;通過(guò)位置信息采集模塊提取方位信息;通過(guò)串口通訊模塊接收陀螺信息并控制信號(hào)產(chǎn)生模塊完成對(duì)伺服系統(tǒng)的控制;通過(guò)串口通訊模塊完成與彈控系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信。所有功能由FPGA控制完成。
數(shù)字處理機(jī)完成制導(dǎo)信息提取,形成指令信號(hào)后送到導(dǎo)彈控制艙,控制導(dǎo)彈的飛行姿態(tài),處理過(guò)程如圖3所示。激光半主動(dòng)式導(dǎo)引頭采用四象限(或雙四象限)光電探測(cè)器進(jìn)行目標(biāo)探測(cè),并用和差比幅設(shè)計(jì)進(jìn)行目標(biāo)位置解算。經(jīng)目標(biāo)反射的激光光斑經(jīng)導(dǎo)引頭光學(xué)接收系統(tǒng)在四象限光電探測(cè)器上成像,形成四象限輸出信號(hào),經(jīng)過(guò)低噪聲放大器放大后送到數(shù)字信息處理機(jī),進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣、目標(biāo)檢測(cè)與角度誤差信號(hào)提取。
圖3 激光目標(biāo)信號(hào)處理示意圖Fig. 3 Schematic diagram of target signal processing
當(dāng)數(shù)字處理機(jī)接收的四路信號(hào)的和信號(hào)超出檢測(cè)門限時(shí),對(duì)四路信號(hào)進(jìn)行高速采樣,提取四象限放大信號(hào)的電壓值,經(jīng)過(guò)和差計(jì)算得出目標(biāo)信號(hào)角位置(X,Y)為
(1)
(2)
式(1)、(2)中,Kx和Ky是常數(shù)因子。
數(shù)字處理機(jī)根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算所得的目標(biāo)信號(hào)位置轉(zhuǎn)化為導(dǎo)引頭光學(xué)天線軸線與目標(biāo)視線之間的視線角速度信號(hào),送至導(dǎo)彈控制艙形成制導(dǎo)指令,同時(shí)送給伺服控制系統(tǒng)控制光學(xué)天線穩(wěn)定指向目標(biāo)。
數(shù)字處理機(jī)的制導(dǎo)信息提取精度對(duì)激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器系統(tǒng)的制導(dǎo)精度起著關(guān)鍵作用,因此該模塊設(shè)計(jì)時(shí)須考慮四路目標(biāo)信號(hào)電壓提取的一致性,避免出現(xiàn)采樣時(shí)刻不同導(dǎo)致的視線角速度偏差太大,影響制導(dǎo)性能。
數(shù)字處理機(jī)的目標(biāo)識(shí)別與抗干擾模塊對(duì)接收的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行分析判別,通過(guò)分析判斷是真實(shí)目標(biāo)還是干擾信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的處理,避免導(dǎo)彈被干擾信號(hào)干擾而跟蹤錯(cuò)誤的目標(biāo)。隨著激光偵察和制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展,針對(duì)它的干擾技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展,包括有源干擾(欺騙式干擾、壓制式干擾)和無(wú)源干擾(消光類干擾)等[3]。因此需要對(duì)激光導(dǎo)引頭增加抗干擾策略,該數(shù)字處理機(jī)采用的就是激光精確編碼、波門設(shè)置組合抗干擾方式。
激光精確編碼抗干擾指激光目標(biāo)指示器采用編碼方式照射目標(biāo),導(dǎo)引頭數(shù)字處理機(jī)預(yù)先知道指示器的碼型和周期,通過(guò)對(duì)接收目標(biāo)信號(hào)分析得到接收信號(hào)的碼型和周期,從而正確識(shí)別激光目標(biāo)指示器照射的目標(biāo)信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。
波門設(shè)置是激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭采用的最為基本的脈沖時(shí)序控制措施,可分為固定式波門、實(shí)時(shí)性波門、偏置式波門等。數(shù)字處理機(jī)根據(jù)接收的彈上計(jì)算機(jī)指令預(yù)先設(shè)定激光制導(dǎo)信號(hào)脈沖的編碼規(guī)律,在制導(dǎo)脈沖到來(lái)的時(shí)刻,精確設(shè)置開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間波門的時(shí)間[4],以避開(kāi)干擾信號(hào)的接收時(shí)間,提高導(dǎo)引頭的抗干擾能力。此方法主要用于后向散射干擾以及其它激光干擾。
數(shù)字處理機(jī)的目標(biāo)識(shí)別與抗干擾模塊對(duì)整個(gè)武器系統(tǒng)非常關(guān)鍵,需從接收的目標(biāo)信號(hào)中正確識(shí)別出真實(shí)目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)目標(biāo)的抗干擾跟蹤。目前的策略可以滿足現(xiàn)狀需求,但仍需進(jìn)一步開(kāi)展抗干擾策略研究。
激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的伺服控制系統(tǒng)包括預(yù)定回路、穩(wěn)定回路以及跟蹤回路。預(yù)定回路完成對(duì)導(dǎo)引頭偏航和俯仰角度的預(yù)置,穩(wěn)定回路完成陀螺信號(hào)處理、方位環(huán)穩(wěn)定控制、俯仰環(huán)穩(wěn)定控制,跟蹤回路指穩(wěn)定回路與接收機(jī)閉合。伺服控制系統(tǒng)工作原理如圖4所示。
圖4 伺服控制系統(tǒng)工作示意圖Fig. 4 Schematic diagram of servo control system working
在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)嵌入式伺服控制模塊,實(shí)現(xiàn)伺服控制回路各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)字化。控制器輸出PWM信號(hào)送入功率驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī),經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)鏡頭,由軸角編碼器測(cè)得天線轉(zhuǎn)角位置反饋完成預(yù)定回路控制,經(jīng)陀螺測(cè)速測(cè)得平臺(tái)的角速度完成穩(wěn)定回路控制,控制器與接收機(jī)反饋信號(hào)閉環(huán),完成目標(biāo)視線角速度跟蹤回路控制。
激光制導(dǎo)導(dǎo)彈有多種工作模式,根據(jù)采用的激光目標(biāo)指示器可分為地照模式和機(jī)照模式。地照模式時(shí),激光目標(biāo)指示器與導(dǎo)引頭之間無(wú)法精確實(shí)現(xiàn)同步控制;機(jī)照模式時(shí),激光目標(biāo)指示器與導(dǎo)引頭同時(shí)掛在飛機(jī)上,通過(guò)同步波門同時(shí)控制指示器與導(dǎo)引頭以解決同機(jī)照射干擾。激光制導(dǎo)根據(jù)截獲方式可分為發(fā)射后捕獲和發(fā)射前捕獲兩種工作模式,發(fā)射前捕獲要求導(dǎo)引頭的作用距離要遠(yuǎn)一些。
數(shù)字信號(hào)處理機(jī)的工作時(shí)序管理模塊需根據(jù)激光制導(dǎo)導(dǎo)彈工作模式制定不同的處理策略,實(shí)現(xiàn)對(duì)激光導(dǎo)引頭的工作時(shí)序管理。按照時(shí)間順序可分為系統(tǒng)自檢階段、參數(shù)預(yù)裝階段、目標(biāo)搜索階段、目標(biāo)識(shí)別抗干擾階段、穩(wěn)定跟蹤階段、丟失后處理階段、目標(biāo)再次截獲穩(wěn)定跟蹤階段,如圖5所示。
圖5 激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭工作流程示意圖Fig. 5 Work flow of semi-active laser seeker
該數(shù)字處理機(jī)圍繞Xilinx公司Virtex系列FPGA芯片(XC5VSX50T)設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng),是一款面向通信領(lǐng)域的高性能嵌入式處理平臺(tái),主頻高達(dá)550 MHz,可實(shí)現(xiàn)100 Mb/s~3.75 Gb/s高速串行通信。該FPGA芯片集成了DSP處理核、時(shí)鐘管理、RAM等常用功能模塊,使FPGA可成為系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具,硬件上減少了多種器件,大大提高了數(shù)字信息處理機(jī)的集成度。
數(shù)字處理機(jī)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。以FPGA芯片為核心處理平臺(tái),外設(shè)包括RS422串口收發(fā)器(ADM2490)、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADS8358)、D/A處理芯片(AD5360)、IO電平轉(zhuǎn)換芯片等。由系統(tǒng)提供或自行設(shè)計(jì)的IP核實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)接口的控制,只需將信號(hào)引出連接相應(yīng)的轉(zhuǎn)換芯片,燒寫(xiě)存放嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)的FLASH選擇XCF32PVOG48C芯片。
圖6 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Configuration of hardware system
通過(guò)該電路設(shè)計(jì),數(shù)字處理機(jī)的體積減少到之前的四分之一,伺服控制系統(tǒng)也相應(yīng)減少了一塊控制電路板,并減少了數(shù)字處理機(jī)與伺服控制系統(tǒng)之間的信息傳送,提高了激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭硬件集成度。
數(shù)字處理機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)工作包括驅(qū)動(dòng)軟件和頂層應(yīng)用軟件,設(shè)計(jì)示意圖如圖7。驅(qū)動(dòng)軟件通過(guò)IP核完成各種硬件包括處理器、定時(shí)器、中斷控制器、串口通訊等驅(qū)動(dòng)程序的配置,并連接應(yīng)用軟件接口。頂層應(yīng)用軟件則由Xilinx公司提供的嵌入式開(kāi)發(fā)工具硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具(Platform Studio)實(shí)現(xiàn),經(jīng)編譯產(chǎn)生硬件比特流文件。頂層應(yīng)用軟件通過(guò)DSP處理核完成導(dǎo)引頭工作時(shí)序控制以及信息交互等,通過(guò)PLB(Processor Local Bus)總線標(biāo)準(zhǔn)訪問(wèn)多個(gè)外設(shè)IP核。開(kāi)發(fā)工具為嵌入式軟件平臺(tái)(Platform Studio SDK),采用C語(yǔ)言編程。
圖7 數(shù)字處理機(jī)軟件設(shè)計(jì)示意圖Fig. 7 Schematic diagram of digital processor software design
IP核是具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)核的集成電路芯核總稱,可直接實(shí)現(xiàn)用戶所需的所有功能,減少對(duì)外部設(shè)備編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的工作,主要包括軟核、固核、硬核,其中最常用的是軟核和硬核這兩類IP[5]。
驅(qū)動(dòng)軟件采用了多種IP核,其中,硬核資源包括DSP處理核、CDM時(shí)鐘管理單元、BRAM模塊、中斷控制器、系統(tǒng)復(fù)位模塊、GPIO控制器等,由系統(tǒng)提供,不可修改。軟核根據(jù)選擇的器件接口協(xié)議或者激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的功能要求設(shè)計(jì),包括A/D采集模塊、D/A處理模塊、RS422串口通訊模塊、光學(xué)參數(shù)設(shè)置軟核、目標(biāo)判別軟核、抗干擾控制模塊、目標(biāo)信息處理模塊以及伺服控制模塊。IP軟核通過(guò)ISE Foundation軟件開(kāi)發(fā),采用VHDL或Verilog語(yǔ)言編程,具有很高的移植性,可靈活應(yīng)用于其它激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭。
頂層應(yīng)用軟件依據(jù)導(dǎo)引頭的工作流程設(shè)計(jì),軟件流程圖如圖8所示。
圖8 數(shù)字處理機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig. 8 Flow diagram of digital processor software design
通過(guò)工程研制,將該數(shù)字處理機(jī)裝入激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭進(jìn)行整機(jī)測(cè)試,試驗(yàn)表明該數(shù)字處理機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光目標(biāo)的檢測(cè)判別與跟蹤,同時(shí)可完成對(duì)伺服控制系統(tǒng)的控制,導(dǎo)引頭輸出角度精度、隔離度、跟蹤時(shí)常數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)導(dǎo)引頭輸入模擬實(shí)際靶試的激光目標(biāo)回波信號(hào),對(duì)導(dǎo)引頭的動(dòng)態(tài)跟蹤性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證,仿真過(guò)程中跟蹤正常,無(wú)目標(biāo)丟失,數(shù)字處理機(jī)提取的視線角速度如圖9和圖10所示。
其中,圖9為俯仰方向視線角速度示意圖,圖10為偏航方向視線角速度示意圖,橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間,縱坐標(biāo)為視線角速度。仿真過(guò)程中,數(shù)字處理機(jī)提取的視線角速度隨著激光能量逐漸增強(qiáng)而減小,精度滿足設(shè)計(jì)要求,可用于激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭。
圖9 激光導(dǎo)引頭俯仰視線角速度Fig.9 Elevation LOS angular velocity of laser seeker
圖10 激光導(dǎo)引頭偏航視線角速度Fig.10 Yaw LOS angular velocity of laser seeker
本文闡述了激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭數(shù)字處理機(jī)的原理與功能,提出了一種激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭集成數(shù)字處理機(jī)及伺服系統(tǒng)控制功能的高集成數(shù)字處理平臺(tái)。運(yùn)用軟件模塊化設(shè)計(jì)思想,采用多種IP軟核,使軟件具有良好的移植性。試驗(yàn)證明,該硬件電路滿足設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)了激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭小型化的目的,性能可靠,軟件控制靈活,具有廣闊的應(yīng)用前景。