相干激光引信大帶寬信號處理系統(tǒng)設(shè)計

劉 揚， 王鳳杰， 陸長平， 劉錫民

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第六軍事代表室，上海201109;2.上海無線電設(shè)備研究所，上海201109)

0 引言

目前用于防空武器平臺的激光引信無法有效識別探測過程中遭遇的云、霧、雨等自然環(huán)境，極易受到干擾而產(chǎn)生虛警[1-2]。針對這一難題，研究人員提出了多種技術(shù)解決方案。何成林研究了超窄脈沖激光探測技術(shù)，通過降低環(huán)境回波強度來消弱自然環(huán)境對激光引信的干擾[3]。張好軍、謝紹禹等提出了雙色激光探測技術(shù)，利用自然環(huán)境干擾回波在不同光學(xué)頻段的差異性進(jìn)行環(huán)境干擾的識別[4-5]。孟祥盛、劉健等提出了偏振激光探測技術(shù)，利用自然環(huán)境干擾回波與硬目標(biāo)回波的偏振特性差異，識別并排除自然環(huán)境干擾[6-7]。付春提出了激光與無線電復(fù)合探測技術(shù)，引入無線電探測體制來提高引信的抗干擾能力[8]。Zhang W.、李新斌等利用目標(biāo)回波與自然環(huán)境干擾回波的波形特征差異，設(shè)計相應(yīng)的信號處理算法來消除自然環(huán)境的干擾[9-10]。劉錫民提出了相干激光探測技術(shù)，利用多普勒效應(yīng)獲取速度信息，對高速目標(biāo)和自然環(huán)境進(jìn)行識別[11]。上述技術(shù)方案中，相干激光探測技術(shù)充分利用了空中目標(biāo)的高速特征，對目標(biāo)和自然環(huán)境干擾具備較高的識別率。但是，由于激光波長短、空中目標(biāo)速度高等特性，導(dǎo)致相干激光引信接收到的激光多普勒回波信號具有頻率高、帶寬大的特點，如何高精度處理高頻大帶寬的回波信號成為了相干激光引信需要解決的難題。

因此，本文開展大帶寬信號處理系統(tǒng)的設(shè)計研制工作，包括以FPGA 為控制器的信號處理硬件設(shè)計、基于掃頻定位和精準(zhǔn)降頻的信號處理算法設(shè)計，并對系統(tǒng)的大帶寬信號處理性能進(jìn)行試驗分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 結(jié)構(gòu)與功能

信號處理系統(tǒng)主要包括FPGA、線性頻率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)、混頻器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-Digital Converter，ADC)等，如圖1所示?；夭ㄐ盘栠M(jìn)入信號處理系統(tǒng)后，首先在混頻器內(nèi)與DDS輸出信號進(jìn)行電混頻，改變信號頻率;然后通過低通濾波器濾除設(shè)定頻率之外的高頻信號，并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;最后進(jìn)入FPGA 中進(jìn)行鑒頻處理，得到回波信號的頻率，并最終解算出目標(biāo)的速度、距離等信息。在信號處理系統(tǒng)工作過程中，DDS首先輸出線性掃頻信號，當(dāng)回波信號頻率能夠被搬移到設(shè)定頻段時，DDS 鎖定輸出頻率，此后一直輸出固定點頻信號。

圖1 信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 硬件設(shè)計

FPGA 是信號處理系統(tǒng)的控制器，一方面控制DDS、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等器件的工作狀態(tài)，另一方面對信號進(jìn)行算法處理，解算信號頻率和目標(biāo)信息。根據(jù)系統(tǒng)時鐘要求，本系統(tǒng)選用XC3SD3400A 型號FPGA。

DDS的作用是輸出特定頻率的正弦信號，作為本振信號對高頻回波信號進(jìn)行降頻，降低后端信號處理的難度。本系統(tǒng)采用Analog Device公司AD9915直接數(shù)字頻率合成器芯片，其內(nèi)部由DDS內(nèi)核、參數(shù)控制器、時鐘源、D/A 轉(zhuǎn)換器和I/O緩沖器組成，具有單頻模式、線性掃描模式、可編程模數(shù)模式等多種工作模式，最大輸出頻率1.2 GHz。AD9915芯片的線性掃描模式可任意設(shè)定掃頻上下限值、掃頻步長、時間步長等參數(shù)，完全滿足本系統(tǒng)的性能要求。

混頻器的功能是將回波信號與DDS輸出信號進(jìn)行混頻，得到兩者的差頻信號。根據(jù)多普勒回波信號的帶寬，本系統(tǒng)選用AD8343混頻器芯片。AD8343芯片的RF、LO 端口輸入頻率范圍和IF端口輸出頻率范圍均為(0～2.5)GHz，可滿足系統(tǒng)的使用要求。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能是將回波信號由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，為后續(xù)信號數(shù)字化處理作準(zhǔn)備。綜合考慮轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度等參數(shù)，本系統(tǒng)采用AD公司的AD9268-80高精度A/D 轉(zhuǎn)換芯片。AD9268-80芯片為差分輸入、并行輸出，具有80 Msps采樣速率和16位轉(zhuǎn)換精度，基準(zhǔn)電壓線性可調(diào)，支持1.8 V CMOS或LVDS輸出。

信號處理系統(tǒng)實物圖如圖2所示。

圖2 信號處理系統(tǒng)實物圖

1.3 算法設(shè)計

信號處理算法流程如圖3所示：

a)信號處理系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA 控制DDS輸出線性掃頻信號，掃頻信號在每個頻點的駐留時間容許系統(tǒng)完成一次信號處理過程;

b)FPGA 控制混頻器將輸入的回波信號與DDS輸出信號進(jìn)行混頻處理，得到差頻信號;

c)FPGA 控制ADC對差頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字差頻信號;

d)利用FFT 算法對數(shù)字差頻信號進(jìn)行時頻轉(zhuǎn)換，得到差頻信號的頻譜分布;

e)提取頻譜分布中的峰值頻點，并判斷其是否在設(shè)定的頻段內(nèi);

f)若結(jié)果為否，說明目前回波信號與DDS輸出信號的差頻頻率較大，超出了后端的處理帶寬，則DDS繼續(xù)輸出下個頻點的信號，并重復(fù)上述過程;

g)若結(jié)果為是，說明DDS已經(jīng)定位到信號的大致頻率，根據(jù)峰值頻點和DDS 當(dāng)前輸出頻點，解算得到回波信號頻率，并進(jìn)一步解算出目標(biāo)的距離、速度等信息;

h)此后，DDS 輸出約等于回波信號頻率的固定點頻信號，將信號頻率精準(zhǔn)控制在后端可處理頻段內(nèi)，從而實現(xiàn)大帶寬信號的高精度處理。

圖3 信號處理算法流程圖

2 性能試驗與分析

將信號處理系統(tǒng)裝配到相干激光近程探測系統(tǒng)中，分別試驗分析其對低速運動目標(biāo)回波信號和高速運動目標(biāo)回波信號的處理性能，如圖4(a)所示。

2.1 低速運動目標(biāo)信號處理性能

選擇轉(zhuǎn)臺作為探測目標(biāo)。轉(zhuǎn)臺主要由電動機(jī)、變頻器、飛輪、目標(biāo)反射體及安全防護(hù)罩等組成，飛輪安裝在電機(jī)上，由電機(jī)直接驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn);變頻器可控制電機(jī)速度，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié);目標(biāo)反射體安裝在飛輪邊緣，可產(chǎn)生較強的反射信號。轉(zhuǎn)臺如圖4(b)所示。

啟動轉(zhuǎn)臺分別以多種特定的速度轉(zhuǎn)動，利用相干激光近程探測系統(tǒng)發(fā)射激光照射轉(zhuǎn)臺邊緣，并接收目標(biāo)反射體的多普勒激光回波信號，經(jīng)過光學(xué)混頻相干后送入信號處理系統(tǒng)中，在信號處理系統(tǒng)中解算出轉(zhuǎn)臺邊緣的速度信息，并將測試結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)中顯示。試驗現(xiàn)場如圖4(c)所示。

信號處理系統(tǒng)對不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)臺的測試結(jié)果如表1 和圖5 所示。當(dāng)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速分別為0.94，9.43，18.8，28.3，37.7，47.1 m/s時，信號處理系統(tǒng)的測量誤差分別為0.04，0.03，0.2，0.6，0.7，0.5 m/s，最大測量誤差為0.7 m/s。試驗結(jié)果表明，信號處理系統(tǒng)對速度(0～50)m/s目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒信號的處理誤差小于1 m/s，具備較高的低速運動信號處理精度。

表1 低速運動目標(biāo)測速試驗結(jié)果表

圖5 低速運動目標(biāo)測速試驗結(jié)果曲線

2.2 高速運動目標(biāo)信號處理性能

考慮到采用真實目標(biāo)開展高速測量試驗存在諸多困難，因此利用聲光移頻器模擬高速目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒回波信號。試驗方案如圖6(a)所示：相干激光近程探測系統(tǒng)發(fā)射的激光直接送入聲光移頻器，在聲光移頻器中進(jìn)行固定頻率的移頻，以模擬高速目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒頻移;移頻后的激光信號再送回相干激光近程探測系統(tǒng)，利用信號處理系統(tǒng)解算出移頻量所代表的速度信息。試驗現(xiàn)場如圖6(b)所示。

表2與圖7為信號處理系統(tǒng)對不同移頻量回波信號的測試結(jié)果。其中，實際速度根據(jù)式(1)計算得

式中：λ 為激光波長;f 為回波信號的移頻量。

圖6 高速運動目標(biāo)測速試驗方案與現(xiàn)場圖

表2 高速信號測速試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果，當(dāng)模擬速度分別為106.4，212.8，372.4，478.8 和638.4 m/s時，信號處理系統(tǒng)的測量誤差分別為1.97%、1.27%、0.94%、0.84%和0.97%，最大測量誤差為1.97%。試驗結(jié)果表明，信號處理系統(tǒng)對速度(100～600)m/s目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒信號的處理誤差小于2%，具備較高的高速運動目標(biāo)信號處理精度。

3 結(jié)論

圖7 高速運動信號測速試驗結(jié)果曲線

本文開展了相干激光引信大帶寬信號處理系統(tǒng)的設(shè)計研制工作，研制了以FPGA 為控制器的信號處理硬件電路，設(shè)計了基于掃頻定位和精準(zhǔn)變頻的信號處理算法。該系統(tǒng)首先通過掃頻定位信號頻率，然后將信號變頻到后端可處理頻段，最后再進(jìn)行高精度處理。對信號處理系統(tǒng)的大帶寬信號處理性能進(jìn)行試驗分析，結(jié)果表明：系統(tǒng)對速度(0～50)m/s目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒信號的處理誤差小于1 m/s，對速度(100～600)m/s目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒信號的處理誤差小于2%，具備較高的大帶寬信號處理精度。本文設(shè)計的信號處理系統(tǒng)對相干激光引信具有較高的實用價值。