激光半主動式比例引導裝置信息處理模塊設計

梁哲 趙君 趙剛

摘? ?要：針對激光半主動式引導裝置的抗干擾性與實時性提升需求，文章介紹了半主動式激光導引裝置工作原理。通過分析，提出了一種基于ARM+FPGA的信息處理模塊架構，通過提升協處理能力，提升系統實時性與復雜碼型檢測能力，并對其軟硬件的實現方式進行了詳細描述。半物理實驗結果表明，系統脈沖捕獲效率高，增益控制響應時間短，有效提升了激光半主動式比例導引裝置的實時性與可靠性。

關鍵詞：導引裝置;抗干擾;信息處理

激光制導武器在現代戰場得到了廣泛使用。激光半主動比例導引裝置是一種常見的核心組件，是彈箭產品核心技術之一。導引裝置的功能是實現目標搜索、捕獲及追蹤;對相關信號進行邏輯處理與計算，并不斷給出控制律所需的控制指令（信號）至飛行機構，以修訂彈箭飛行軌跡。導引裝置的主要技術包括：（1）探測靈敏閥設計。（2）編碼/解碼設計。（3）抗誘騙設計。其中，探測靈敏閥的設計主要依靠光學系統，而編碼/解碼設計以及抗誘騙設計，主要依靠由嵌入式計算機構成的信息處理模塊實現。

本研究主要以導引裝置信息處理模塊為研究對象，依據新型導引裝置技術要求，從系統架構、關鍵硬件與軟件的角度闡述信息處理模塊設計原理與關鍵技術。

1? ? 信息處理模塊工作原理與要求

信息處理模塊作為導引裝置系統中光電信號接口與信息處理的核心，其主要功能包括：（1）信號采集。（2）目標捕獲。（3）自動跟蹤。（4）增益控制。（5）飛行控制。（6）通信功能。激光信號的編碼/解碼設計是信息處理模塊設計中一項關鍵功能。激光編碼需要考慮激光發射定時、導引裝置采集精度以及光信號在傳輸過程中可能遇到的丟失與抖動等因素。由于受到電子產品本身穩定性以及戰場環境等外部因素影響，編碼方案的選擇需要考慮更多的安全性設計。抗誘騙能力同樣是信息處理模塊設計的重要指標之一。角度欺騙方式和高頻干擾方式是現有武器中最常見的抗干擾手段[1]。其基本原理是：在目標附近設置告警裝置，用于接收照射激光并進行解碼，以確定激光照射器的方位，通過破譯，生產相同特征的激光信號照射在假的目標位置，誘騙激光制導武器對假目標進行攻擊，完成對重要目標的防御。

2? ? 計算處理模塊硬件方案

2.1? 功能架構

基于功能模塊化設計思想，導引裝置計算處理模塊被分解為5個單元：電源轉換單元、信號調理單元、邏輯控制單元、計算單元以及通信單元。其架構如圖1所示。導引裝置計算處理模塊采用高級精簡指令集處理器（Advanced RISC Machines，ARM）+現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的計算架構，FPGA完成邏輯處理，ARM完成數據計算、通信以及控制。

在本設計中，針對導引裝置所需數據計算性能評估，選擇ARM 作為主處理器，具有較高的處理性能及豐富的外設資源。面向導引裝置對信號處理時序及時效性要求，擴展FPGA進行信號邏輯處理與時序控制。其主要功能包括：控制模數（Analog to Digital，AD）轉換器進行模擬電壓采集;控制數模（Digita to Analogl，DA）轉換器控制芯片實現模擬信號的輸出控制;通過可變靜態存儲控制器（Flexible Static Memory Controller，FSMC）總線完成與主處理器ARM的數據與指令交互;實現導引裝置相關信號采樣保持時序以及增益輸出控制時序等邏輯處理。

2.2? 供電單元設計

供電單元是計算處理模塊的重要單元，導引裝置這種工作環境復雜的設備，對電源干擾反應非常敏感，因此，穩定的供電單元對產品的可靠性非常重要。導引裝置計算處理模塊采用外部±12 V供電，計算處理模塊的供電單元被設計為兩組供電電路：數字電路用于ARM及FPGA供電;模擬電路用于模擬器件電路器件。

2.3? 通信單元設計

計算處理模塊與地面設備通信通過RS422總線實現。RS422總線是一種差分串行通信總線，其設計實現比較簡單，傳輸距離長，有較強的抗干擾能力。在本設計中，采用ARM自身通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）加上外部接口轉換電路，實現了RS422串口通信;為了便于軟件升級，預留了一個UART加外部接口轉換的電路，實現1路RS232串口通信，提升產品的維護性。

2.4? 信號調理單元設計

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

3? ? 軟件設計

軟件部分包括ARM軟件和FPGA邏輯兩部分。FPGA邏輯完成信號采保時序，信號采保時序對信號實時性要求很高，它以外部光源為同步信號，各接口信號間關系緊密，存在嚴格的時序關系[3]。其特點是信號間邏輯關系緊密，實時性要求高。信號采保時序如圖2所示。

ARM軟件主要功能包括硬件資源初始化、數據初始化、RS422通信、目標捕獲與追蹤以及狀態監控。導引裝置實現對目標的搜索與跟蹤，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碼等，其主要特點為：

（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，易識別，能夠節省捕獲時間，但容易被破解。

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

（3）偽隨機碼是不等間隔碼的一種升級，其碼型并不是隨機產生的，而是具備一定的編碼規則，使用有限的幾個碼值，通過編碼算法，生成一系列長度有限的編碼組合，能滿足快速識別的需要，同時，在整個導引裝置飛行過程中，激光脈沖的編碼不出現重復，大大降低了編碼被破解的風險。

信息處理模塊軟件的核心內容主要為目標搜索與跟蹤。搜索是通過對接收到的激光脈沖信號進行分析，判斷是否與預置的編碼算法相同，以確定正確目標。跟蹤是在目標被成功捕獲后，根據激光信號不斷調整自身飛行狀態，并有效過濾干擾信息，飛向目標的過程[4]。在跟蹤過程中，存在多種因素可能導致激光信號的丟失與震蕩，因此，軟件需要做一些應對算法即策略，如目標丟失再捕獲、調整波門開度等。

4? ? 結語

針對新型導引工作原理與需求，提出了一種支持等間隔、不等間隔與偽隨機碼的導引裝置信息處理模塊設計方法，并在實驗室環境下基于半物理仿真，完成了功能及性能指標驗證。測試結果表明，該信息處理模塊可靠性高，控制精度高，目標捕獲準確且具有很強的抗干擾能力。

[參考文獻]

[1]鄧方林.激光導引頭半實物仿真系統的設計與研制[J].系統仿真學報，2004（2）：77-79.

[2]李珊珊.嵌入式彈載計算機性能優化與實現[J].航空兵器，2011（2）：58-61，66.

[3]何衡湘.激光引導系統主要技術參數分析[J].紅外與激光工程，2009（6）：57-61.

[4]湯永濤.現代導彈導引頭發展綜述[J].制導與引信，2014（3）：12-17.

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