激光半主動(dòng)式比例引導(dǎo)裝置信息處理模塊設(shè)計(jì)

梁哲 趙君 趙剛

摘? ?要：針對(duì)激光半主動(dòng)式引導(dǎo)裝置的抗干擾性與實(shí)時(shí)性提升需求，文章介紹了半主動(dòng)式激光導(dǎo)引裝置工作原理。通過分析，提出了一種基于ARM+FPGA的信息處理模塊架構(gòu)，通過提升協(xié)處理能力，提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)性與復(fù)雜碼型檢測能力，并對(duì)其軟硬件的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了詳細(xì)描述。半物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)脈沖捕獲效率高，增益控制響應(yīng)時(shí)間短，有效提升了激光半主動(dòng)式比例導(dǎo)引裝置的實(shí)時(shí)性與可靠性。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)引裝置;抗干擾;信息處理

激光制導(dǎo)武器在現(xiàn)代戰(zhàn)場得到了廣泛使用。激光半主動(dòng)比例導(dǎo)引裝置是一種常見的核心組件，是彈箭產(chǎn)品核心技術(shù)之一。導(dǎo)引裝置的功能是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)搜索、捕獲及追蹤;對(duì)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行邏輯處理與計(jì)算，并不斷給出控制律所需的控制指令（信號(hào)）至飛行機(jī)構(gòu)，以修訂彈箭飛行軌跡。導(dǎo)引裝置的主要技術(shù)包括：（1）探測靈敏閥設(shè)計(jì)。（2）編碼/解碼設(shè)計(jì)。（3）抗誘騙設(shè)計(jì)。其中，探測靈敏閥的設(shè)計(jì)主要依靠光學(xué)系統(tǒng)，而編碼/解碼設(shè)計(jì)以及抗誘騙設(shè)計(jì)，主要依靠由嵌入式計(jì)算機(jī)構(gòu)成的信息處理模塊實(shí)現(xiàn)。

本研究主要以導(dǎo)引裝置信息處理模塊為研究對(duì)象，依據(jù)新型導(dǎo)引裝置技術(shù)要求，從系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵硬件與軟件的角度闡述信息處理模塊設(shè)計(jì)原理與關(guān)鍵技術(shù)。

1? ? 信息處理模塊工作原理與要求

信息處理模塊作為導(dǎo)引裝置系統(tǒng)中光電信號(hào)接口與信息處理的核心，其主要功能包括：（1）信號(hào)采集。（2）目標(biāo)捕獲。（3）自動(dòng)跟蹤。（4）增益控制。（5）飛行控制。（6）通信功能。激光信號(hào)的編碼/解碼設(shè)計(jì)是信息處理模塊設(shè)計(jì)中一項(xiàng)關(guān)鍵功能。激光編碼需要考慮激光發(fā)射定時(shí)、導(dǎo)引裝置采集精度以及光信號(hào)在傳輸過程中可能遇到的丟失與抖動(dòng)等因素。由于受到電子產(chǎn)品本身穩(wěn)定性以及戰(zhàn)場環(huán)境等外部因素影響，編碼方案的選擇需要考慮更多的安全性設(shè)計(jì)?？拐T騙能力同樣是信息處理模塊設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一。角度欺騙方式和高頻干擾方式是現(xiàn)有武器中最常見的抗干擾手段[1]。其基本原理是：在目標(biāo)附近設(shè)置告警裝置，用于接收照射激光并進(jìn)行解碼，以確定激光照射器的方位，通過破譯，生產(chǎn)相同特征的激光信號(hào)照射在假的目標(biāo)位置，誘騙激光制導(dǎo)武器對(duì)假目標(biāo)進(jìn)行攻擊，完成對(duì)重要目標(biāo)的防御。

2? ? 計(jì)算處理模塊硬件方案

2.1? 功能架構(gòu)

基于功能模塊化設(shè)計(jì)思想，導(dǎo)引裝置計(jì)算處理模塊被分解為5個(gè)單元：電源轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)調(diào)理單元、邏輯控制單元、計(jì)算單元以及通信單元。其架構(gòu)如圖1所示。導(dǎo)引裝置計(jì)算處理模塊采用高級(jí)精簡指令集處理器（Advanced RISC Machines，ARM）+現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的計(jì)算架構(gòu)，F(xiàn)PGA完成邏輯處理，ARM完成數(shù)據(jù)計(jì)算、通信以及控制。

在本設(shè)計(jì)中，針對(duì)導(dǎo)引裝置所需數(shù)據(jù)計(jì)算性能評(píng)估，選擇ARM 作為主處理器，具有較高的處理性能及豐富的外設(shè)資源。面向?qū)бb置對(duì)信號(hào)處理時(shí)序及時(shí)效性要求，擴(kuò)展FPGA進(jìn)行信號(hào)邏輯處理與時(shí)序控制。其主要功能包括：控制模數(shù)（Analog to Digital，AD）轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬電壓采集;控制數(shù)模（Digita to Analogl，DA）轉(zhuǎn)換器控制芯片實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的輸出控制;通過可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器（Flexible Static Memory Controller，F(xiàn)SMC）總線完成與主處理器ARM的數(shù)據(jù)與指令交互;實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引裝置相關(guān)信號(hào)采樣保持時(shí)序以及增益輸出控制時(shí)序等邏輯處理。

2.2? 供電單元設(shè)計(jì)

供電單元是計(jì)算處理模塊的重要單元，導(dǎo)引裝置這種工作環(huán)境復(fù)雜的設(shè)備，對(duì)電源干擾反應(yīng)非常敏感，因此，穩(wěn)定的供電單元對(duì)產(chǎn)品的可靠性非常重要。導(dǎo)引裝置計(jì)算處理模塊采用外部±12 V供電，計(jì)算處理模塊的供電單元被設(shè)計(jì)為兩組供電電路：數(shù)字電路用于ARM及FPGA供電;模擬電路用于模擬器件電路器件。

2.3? 通信單元設(shè)計(jì)

計(jì)算處理模塊與地面設(shè)備通信通過RS422總線實(shí)現(xiàn)。RS422總線是一種差分串行通信總線，其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)比較簡單，傳輸距離長，有較強(qiáng)的抗干擾能力。在本設(shè)計(jì)中，采用ARM自身通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）加上外部接口轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)了RS422串口通信;為了便于軟件升級(jí)，預(yù)留了一個(gè)UART加外部接口轉(zhuǎn)換的電路，實(shí)現(xiàn)1路RS232串口通信，提升產(chǎn)品的維護(hù)性。

2.4? 信號(hào)調(diào)理單元設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理單元主要完成信號(hào)的濾波、放大、測量等過程。本單元根據(jù)外部信號(hào)不同類型，設(shè)計(jì)為單端-差分模擬信號(hào)采集電路、模擬量電壓單端輸出電路、邏輯門電路（Logic Gate Circuits，TTL）電平信號(hào)采集電路以及TTL電平輸出控制電路[2]。為保證模擬信號(hào)采集效率，降低通信頻率，提升信息處理單元電磁兼容（Electromagnetic Compatibilit，EMC）水平，本設(shè)計(jì)為每一路AD控制器配置了獨(dú)立的串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）總線接口。模擬量電壓輸出通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，主處理器向FPGA固定寄存器寫入需發(fā)送的量值，由FPGA通過SPI總線控制DA芯片輸出。該電路增加一級(jí)比例調(diào)節(jié)及跟隨，完成輸出阻抗匹配。TTL信號(hào)接口則由FPGA和總線緩沖器構(gòu)成。

3? ? 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括ARM軟件和FPGA邏輯兩部分。FPGA邏輯完成信號(hào)采保時(shí)序，信號(hào)采保時(shí)序?qū)π盘?hào)實(shí)時(shí)性要求很高，它以外部光源為同步信號(hào)，各接口信號(hào)間關(guān)系緊密，存在嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系[3]。其特點(diǎn)是信號(hào)間邏輯關(guān)系緊密，實(shí)時(shí)性要求高。信號(hào)采保時(shí)序如圖2所示。

ARM軟件主要功能包括硬件資源初始化、數(shù)據(jù)初始化、RS422通信、目標(biāo)捕獲與追蹤以及狀態(tài)監(jiān)控。導(dǎo)引裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的搜索與跟蹤，主要依靠加密的編碼方式與解碼算法，可靠性高、重復(fù)性低的編碼方式能夠有效提升武器的可靠性與抗干擾能力。常用的編碼方式主要是等間隔碼、不等間隔碼以及偽隨機(jī)碼等，其主要特點(diǎn)為：

（1）等間隔碼是最常見的編碼類型，激光脈沖為固定的周期。這種編碼類型簡單，易識(shí)別，能夠節(jié)省捕獲時(shí)間，但容易被破解。

（2）不等間隔碼是一組確定編碼序列，每組編碼時(shí)間間隔不等。如果不等間隔碼的長度太長，會(huì)導(dǎo)致解碼過程復(fù)雜且耗時(shí)，不利于捕獲目標(biāo)。在實(shí)際使用中，不等間隔碼長度有限，在飛行過程中，激光照射器重復(fù)發(fā)射確定的編碼序列，這種方式同樣易被破解或誘騙。

（3）偽隨機(jī)碼是不等間隔碼的一種升級(jí)，其碼型并不是隨機(jī)產(chǎn)生的，而是具備一定的編碼規(guī)則，使用有限的幾個(gè)碼值，通過編碼算法，生成一系列長度有限的編碼組合，能滿足快速識(shí)別的需要，同時(shí)，在整個(gè)導(dǎo)引裝置飛行過程中，激光脈沖的編碼不出現(xiàn)重復(fù)，大大降低了編碼被破解的風(fēng)險(xiǎn)。

信息處理模塊軟件的核心內(nèi)容主要為目標(biāo)搜索與跟蹤。搜索是通過對(duì)接收到的激光脈沖信號(hào)進(jìn)行分析，判斷是否與預(yù)置的編碼算法相同，以確定正確目標(biāo)。跟蹤是在目標(biāo)被成功捕獲后，根據(jù)激光信號(hào)不斷調(diào)整自身飛行狀態(tài)，并有效過濾干擾信息，飛向目標(biāo)的過程[4]。在跟蹤過程中，存在多種因素可能導(dǎo)致激光信號(hào)的丟失與震蕩，因此，軟件需要做一些應(yīng)對(duì)算法即策略，如目標(biāo)丟失再捕獲、調(diào)整波門開度等。

4? ? 結(jié)語

針對(duì)新型導(dǎo)引工作原理與需求，提出了一種支持等間隔、不等間隔與偽隨機(jī)碼的導(dǎo)引裝置信息處理模塊設(shè)計(jì)方法，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下基于半物理仿真，完成了功能及性能指標(biāo)驗(yàn)證。測試結(jié)果表明，該信息處理模塊可靠性高，控制精度高，目標(biāo)捕獲準(zhǔn)確且具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

[參考文獻(xiàn)]

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Design of information processing module of laser semi-active proportional guiding device

Liang Zhe， Zhao Jun， Zhao Gang

（Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC，Xian 710065， China）

Abstract：For semi active laser guided devices anti-interference and real-time requirements， this paper introduces the working principle of the semi active laser guided device. Through the analysis， put forward a kind of information processing module based on ARM + FPGA architecture， promote system real-time and complex type detection ability by increasing the co-processor ability， and the way of the realization of the software and hardware were described in detail. The results of semi-physical experiments show that the system has high pulse acquisition efficiency and short response time of gain control， which effectively improves the real-time and reliability of laser semi-active proportional guidance device.

Key words：guidance device; anti-interference; information processing