基于無線激光通信的引信外彈道裝定方法

劉鵬飛，王敬斌，周曉東，王金柱

(1.陸軍工程大學石家莊校區，河北 石家莊 050003；2.西北工業集團，陜西 西安 710065)

0 引言

引信作為武器系統的實施終端毀傷的控制核心，要綜合利用武器平臺的目標信息、環境信息，選擇最佳的攻擊點、起爆時機、起爆方式。引信裝定就是在彈丸發射前或飛行過程中，將所需的信息和參數由裝定器通過有線或無線傳輸的方式傳輸給引信[1]。引信裝定分為接觸式和非接觸式，由于非接觸式裝定能夠減少反應時間、提高武器系統的射速，從而使武器系統更靈活、生存能力更強，因此正確可靠大容量數據的非接觸式裝定成為各國研究的熱點。

現代引信非接觸裝定研究主要集中在電磁感應裝定和射頻裝定兩種方法。20世紀70年代，電磁感應裝定首先由美國海軍為控制半主動制導炮彈的延遲時間時第一次使用，之后國內外對電磁感應裝定進行了大量研究。文獻[2]設計了非共軸線圈形式，克服了火炮身管尺寸的限制。文獻[3]提出了一種適用于小口徑武器平臺的平板型感應耦合裝定結構。電磁感應裝定主要有共軸“L”形式、非共軸形式和平板型結構等。電磁感應裝定在武器平臺上也得到了實際應用，如美國的艾連特公司研制的便攜式感應裝定器(PIAFS)、瑞士的AHEAD引信實時感應裝定系統等[4-5]。但是由于信息傳輸速率和感應距離的相互制約關系，使得電磁感應裝定難以實現高速率、遠距離的引信裝定。射頻裝定系統較電磁感應裝定系統能夠實現遠距離裝定。文獻[6]設計了射頻裝定系統并在實驗室條件下完成了試驗，能夠實現百米的裝定距離。文獻[7]提出了在安裝孔內圈增加鐵氧體襯板的方式降低安裝鋼板對電磁場產生的渦流損耗。但是從目前的研究成果來看，射頻裝定還難以滿足抗金屬屏蔽和渦流影響實現戰場復雜電磁環境的干擾下可靠裝定的需求。針對上述問題，本文提出了基于無線激光通信的外彈道裝定方法。

1 無線激光通信原理

無線激光通信原理是利用激光在空間中的傳播實現信息傳輸，主要包括近地通信、星際通信和水下通信等。無線激光通信系統主要包括光學天線、激光收發器、信號處理單元和自動跟瞄系統等組成[8-9]，其示意圖如圖1所示。

圖1 無線激光通信示意圖Fig.1 Schematic diagram of OWC

信息經過編碼和調制將其按編碼特征改變激光信號的某些特征值(如振幅、頻率、相位等)，使激光信號攜帶信源信息的相關信息。激光器驅動電路為激光器提供穩定的電流，確保其正常工作。激光信號經過光學天線和大氣信道到達接收端。接收端接收到的激光信號由光電探測器轉變為電信號，再經過解調和解碼恢復為原信號。自動跟瞄系統保證收發兩端天線對準。

2 基于無線激光通信的引信裝定方法

2.1 系統原理及組成

引信裝定在彈丸發射后的外彈道進行，其本質就是由裝定器到引信的單向無線激光通信過程，如圖2所示。引信激光裝定系統由裝定器和接收器兩部分組成，其組成如圖3所示。

圖2 引信外彈道激光裝定示意圖Fig.2 Schematic diagram of fuze exterior ballistic setting

圖3 引信激光裝定系統組成圖Fig.3 System of fuze laser setting

裝定信息通過裝定器鍵盤輸入或武器系統上的火控系統對目標和彈丸的運動參數進行跟蹤探測解算獲得，將引信裝定所需的裝定參數送至激光裝定器的微處理器進行編碼。信源編碼采用二進制NRZ編碼。編碼后的信號送入調制器進行調制，調制方式采用OOK調制。激光束經發射窗口在外彈道形成一定區域的激光信息場。發射窗口采用透射式光學窗口，起到壓縮發散角和擴束的作用。

接收器安裝在彈丸上，彈丸飛經激光信息場時，接收窗口接收激光脈沖信號并由光電探測器轉變為電信號。彈體上設置多個接收窗口，使高旋彈丸經過激光束區域的過程中始終能接收到激光脈沖信號，保證信息接收的完整性。信號處理電路對所有光電探測器發送的電脈沖信號進行重組，得到完整的信號，再由裝定解調器解調和信息處理單元解碼譯碼后，還原裝定信息。引信裝定采用多次重復裝定比較方式，引信裝定完成后閉鎖接收電路，防止彈道干擾。

2.2 快速裝定

彈丸在激光信息場內運動時間很短，此時的彈丸運動簡化為直線運動，如圖4所示。激光器的發散角為2θ，激光與速度方向夾角為α，彈丸距炮口距離S處裝定，彈丸在激光束內的運動距離為S′，則彈丸經過光場的時間t為：

(2)

(3)

(4)

當激光發散角為10 mrad，激光與彈丸飛行夾角為35 mrad，彈丸飛行速度為245 m/s，在50 m處開始裝定，由上式知彈丸經過光場的時間t為58.5 ms。

圖4 彈丸與激光信息場交會幾何圖Fig.4 The geometric figure of ammunition and laser beam

裝定時間為10 s，裝定精度1 ms，所需裝定時間數據位14位；起爆方式數據位2位；校驗方式采用奇偶校驗，校驗位1位；同步位1位；采用差錯重收方式，裝定3次，裝定時間Tset大小應滿足：

(5)

式(5)中，R為傳信率。得到傳信率最小為0.923 Kb/s。

在一個二進制數的OOK幀周期中，包含5個光脈沖周期，每個光脈沖周期τ=1/f，一幀中包含5個光脈沖時表示二進制1，無光脈沖時表示二進制0。則系統的幀周期為：

TOOK=5τ

(6)

系統的傳信率[8]為：

(7)

系統激光重復頻率為20 kHz時，此時通信速率R為4 Kb/s，滿足激光裝定的傳信率要求，彈丸飛經光束區域時能夠完成裝定，裝定所需時間為13.5 ms。

2.3 裝定信息多窗口復合接收

準確完整地接收激光脈沖信號是引信可靠裝定的關鍵。引信接收窗口采用多窗口復合接收方法，在彈體四周對稱設置4個光學接收窗口，天線分布如圖5所示。

圖5 光學天線設置剖面示意圖Fig.5 Schematic diagram of optical antenna

對于小口徑榴彈，轉速約為1 200 r/s，彈丸轉動四分之一圈用時0.207 5 ms，當傳信率大于260 Kb/s時，引信裝定時間小于彈丸的旋轉四分之一所用時間。此時，彈丸旋轉一周，每個接收窗口都能接收到一個完整的裝定信號，可以通過對四個裝定信號進行對比或者復合，從而減小誤差，提高裝定精度。當傳信率小于260 Kb/s時，裝定時間大于彈丸旋轉四分之一圈所用時間，每個光學窗口都不能接收到完整的裝定信息。此時，可以通過四個光學接收窗口依次不間斷的接收激光脈沖信號，由內部電路實現對四個光學窗口所接收信號的整合，從而接收到完整的激光裝定信號。

采用低頻率傳輸裝定信息時，由于彈丸轉動，接收天線發生變化，為保證信息接收的連續性，必須保證在接收天線轉換時有兩個接收天線同時接收到激光信號，即正在接收激光信號的天線和將接收激光信號的天線同時接收到激光信號。此時光斑直徑Df最小為：

Df=S′sin(α-θ)

(8)

當裝定時間為13.5 ms時，Df約為11.6 cm。激光束發散角為10 mrad時，50 m處的光斑大小為50 cm，滿足光斑大小要求，同時能夠減小彈道擾動對裝定的影響，保證信息可靠傳輸。

2.4 裝定信息處理

如前文所述，激光重復頻率較低時，每個接收窗口接收一個裝定信息片段，需要后續的電路對所有信息片段整合，得到完整的裝定信息。

信號處理電路對所有光學接收窗口接收到的脈沖信號進行合成，即只要有一路有脈沖信號則輸出該脈沖信號，若全部沒有電脈沖信號則不輸出電脈沖信號，實現對對所有脈沖信號片段的整合得到完整的裝定信息。信號處理原理如圖6所示。

圖6 信號處理原理圖Fig.6 Schematic diagram of signal processing

3 裝定系統通信性能仿真

使用Optisysem軟件進行對裝定系統的通信性能進行仿真，發射端采用一個連續激光器作為光源，偽隨機碼發生器和非歸零脈沖發生器用于產生偽隨機的NRZ數字信號，幅度調制器用于對激光信號進行調制。調制后的信號經過大氣信道到達接收端，

通過PIN探測器和TIA放大器實現信號的接收，并用誤碼測試儀來測試其誤碼性能。

系統器件和大氣信道參數設置如表1所示。

在表1參數設置下，發射信號如圖7所示，在50 m、70 m、90 m和100 m處系統接收到的信號波形如圖8所示。

圖7 發射信號波形Fig.7 Launched signal waveforms

器件參數設置值器件參數設置值激光器波長/nm910功率/mW100偽隨機信號發生器比特率/(Kb/s)4占空比0.5大氣信道距離/m50～80衰減/(dB/km)25光束發散角/mrad10發射孔徑/cm5接收孔徑/mm4光電探測器低通濾波器響應率/(A/W)0.7暗電流/nA10熱噪聲/(W/Hz)1×10-223 dB帶寬/kHz3濾波階數5

從圖中可以看出，距離越近，接收信號質量越好，在波形上越接近發射信號，但是也會受到噪聲的影響；距離越遠，接收信號幅值越小。為了更好地分辨系統的性能，圖9給出了不同距離系統接收眼圖，從眼圖中“眼睛”的張開度的大小可以清楚地分辨出不同距離對接收系統性能的影響。從圖9可以看出距離越遠，“眼睛”的張開度越小，眼圖的線跡越亂，表明系統的通信性能隨通信距離的增加而降低。表2給出了系統的主要性能參數，可以看出系統的誤碼率隨著通信距離的增加急劇上升。這主要是因為激光束的發散角大，隨距離的增加，激光面呈指數增加，使探測器可接收的光功率減少，可以看到在距離為100 m時，誤碼率已經達到10-8數量級，已經不能滿足通信性能要求。圖10給出了誤碼率隨距離變化曲線。從圖中可以看出，隨距離的增加，系統誤碼率增加。在發射功率為100 mW、大氣衰減為25 dB/km和發散角為10 mrad條件下，以誤碼率小于10-9作為衡量標準，其裝定的有效距離可以達到94 m。

表2 系統性能參數

圖8 接受信號波形Fig.8 Received signal waveforms

圖9 仿真系統眼圖Fig.9 Eye diagrams of simulation system

圖10 距離與誤碼率的關系曲線Fig.10 Min.log of BER vs.range

4 結論

本文提出了基于無線激光通信的引信外彈道裝定方法。該方法利用無線激光的近地通信在外彈道形成激光信息場，彈丸飛經激光信息場時通過復合接收方式實現引信信息裝定。通過Optisystem對激光裝定的通信性能進行仿真，結果表明在發射功率為100 mW、大氣衰減為25 dB/km和發散角為10 mrad條件下，能夠實現94 m內的引信裝定。由于本文旨在驗證無線激光裝定系統的有效性，各器件的參數還可以進一步優化以提升系統性能。通過提高發射功率、減少光強損耗、提高探測靈敏度等方法提高系統性能。通過該方法實現發射后引信裝定，對提高彈藥作戰效能具有重要的應用價值。