基于光載波攜能的制導武器無線攜能通信研究

周明進，侯如非，陳 釗，張 帥，孟宇麟，丁立平

（1.中國人民解放軍32381 部隊，北京 100072；2.上海機電工程研究所，上海 201109）

0 引言

在傳統制導武器發射控制技術中，地面設備和制導武器通過電氣連接機構進行接觸式連接，傳輸信號包括供電、通信、分立等，電氣連接機構在制導武器分離時通過軸向剪切或徑向拔除等方式分離。隨著現代化作戰方式的不斷發展，小型化多功能彈藥和超高速制導炮彈的不斷出現，傳統接插件式連接方案越來越難以滿足武器裝備自動化裝填、高密度發射、無人智能化、多彈藥一體化等需求。無線攜能通信技術綜合運用無線通信技術和無線傳電技術，取消了制導武器和發射裝置之間的電氣互聯。電氣鏈路具有耦合低、通用性強、高安全、高可靠、對接便捷等特點，應用前景廣泛，必要性愈發凸顯。

隨著實際作戰電磁環境日益復雜，尤其當電流強磁干擾和電磁脈沖干擾的頻譜較寬時，電磁等傳統無線通信方式將被嚴重干擾，從而對制導武器的無線發射控制產生不利影響。針對強電磁環境下的無線發射技術，需研制新型可靠的無線發射數據通信系統。光通信、光傳能具有電氣隔離、對電磁干擾天然免疫的能力，是實現強電磁環境無線攜能通信的優選技術途徑。文獻［10］針對機載環境設計了一種無線光通信設備，通過研制樣機在模擬環境下驗證了無線光通信的抗電磁干擾性和通信穩定性，但該設備需外部供電，無法滿足攜能通信的目的。文獻［11］設計了基于環境光能量收集的低功耗傳感器，通過高效的光照能量收集管理方案，可以維持該傳感器的工作而無需外部供電，但該傳感器依賴于藍牙通信，同樣存在被強電磁干擾的可能。如何合理地設計光路，實現光能傳輸和光通信的有效結合，對實現光攜能通信具有重要意義。此外，考慮到光攜能通信無外部供電，攜能通信部分的電路要求實現自驅動工作，光傳能的接收部分不僅要對外輸出功率，還要維持通信鏈路的工作，受限于武器直徑空間，通信系統的微功耗、自驅動設計將成為難點。

本文針對強電磁環境下的無線發射技術，提出了一種基于光載波攜能的無線發射數據通信系統。采用多波段和雙光源方案，實現將可見光無線能量傳輸和紅外通信技術的結合，且通信系統功耗低、可自驅動，可實現發射裝置對制導武器的可靠無線數據通信，可有效應用于強電磁環境下的武器無線發射場景。

1 無線發射數據通信系統架構

無線發射數據通信系統中，設計合理光路實現光通信和光能傳輸的結合是重點。文獻［12-14］對紅外光通信技術進行了論述和驗證，結果表明紅外光通信具備協議簡單、功耗低、適應性強的優點，可有效應用于光傳能場景；文獻［15-16］對光伏效應材料的特性展開了研究，結果表明，采用匹配光伏材料響應譜的多波段光，有益于獲得最大能量匹配接收。為有效避免通信干擾并實現最大能量傳輸，無線發射數據通信系統采用基于紅外光通信、多波段可見光傳能的雙光源方案，主要由發射端和接收端兩部分組成，如圖1 所示。該方案通過獨立的光通信系統、光源控制系統，將通信和傳能的光在光譜上進行分離。與傳統的電學上分離不同，該方案極大簡化了接收端的內部結構，釋放了受限的武器內部空間，便于實現發射端和接收端之間可靠的雙向攜能通信。

圖1 通信系統架構Fig.1 Communication system architecture

在武器的無線發射過程中，該通信系統的工作邏輯可概括如下：1）發射端發送可見光束照射在接收端，接收端將其轉化為電能，提供給光通信部分電路和數據存儲系統；2）待接收端電源穩定后，在發射端的光源中混合1 束紅外光，通過脈沖編碼方式攜帶通信數據流，被接收端解碼后進行存儲；3）待接收端解碼、校驗和存儲數據后，用剩余的電能向發射端回應1 幀簡短的紅外脈沖編碼信號，表示數據幀序號是否完整、正確；4）如果接收端正確解碼、接收數據且校驗成功，則將其保存在存儲器中，之后進入休眠狀態，在以上過程中，武器接口和副電源均處于未上電狀態；5）武器被發射飛行約3 s 后，其內部的電池被激活，通過副電源接口給模組通電，喚醒存儲系統的處理器，讀取存儲器內保存的數據，并傳回到武器的內部設備中。

1.1 雙光路發射端

發射端采用雙譜段光源，分別實現光傳能和光通信，其電路方案如圖2 所示。發射端主要包括作為能量載體的可見光源、作為通信載體的紅外光源、復合和濾光光路。通信和傳能的光在光譜上進行分離，可以有效地防止自然狀態下陽光對信息傳輸的干擾，在近距離條件下，該通信可靠性更高。此外，可采用濾光片消除環境光的工作波段，降低通信錯誤概率。

圖2 發射端電路方案Fig.2 Transmitter circuit scheme

對于系統光能量傳輸，考慮到傳輸距離較近，發射端光源采用LED 陣列配合透鏡聚光。設LED發射光功率為，則有

式中：為LED 中心輻 射強度；為LED 光束 輻射角；()為相對輻射強度分布函數；為發光立體角，與最大光束半角有關，d用sindd表示。

由式（2）可得為

則有輻射強度()為

當接收端有效感光面積滿足?時（為光束傳輸距離），可得()為

則接受端光功率為

為使光能量集中，發射端采用非郎伯型LED，不適用于郎伯輻射定律?；贚ED 光子輻射機理，其相對輻射強度分布函數()可使用高斯函數擬合。發射端的光傳能功率可基于式（6）針對接收端需求功率作相應調節。

針對LED 波長選擇，為提高接收端光-電轉換效率，接收端的光伏電池板采用三結砷化鎵材料，3個PN 結為串聯關系。從光譜能量匹配方面進行分析，在接收端表面3 種波段的光強相同的情況下，更有利于達到最大能量匹配接收的目的。遵循最大能量匹配電池板響應譜的原則，選擇3 種波段可見光進行混合，以分別激發三結光伏電池板的3 個PN結，實現最大能量匹配接收的目的。

對于光通信部分，系統采用紅外光進行通信，一方面容易和串行數據進行邏輯轉換；另一方面通過脈沖方式集中能量，具有較強的抗干擾能力。通信方案中，發射端和接收端均采用3/16 脈沖編碼，如圖3 所示，提供雙向通信能力，采用IrDA 推薦的基本編碼可以達到115.2 kbit/s 的速率。

圖3 光通信編碼方案Fig.3 Optical communication coding scheme

1.2 低功耗接收端

為滿足接收端體積小、功耗低的要求，接收端設計如圖4 所示，包含光伏電池板、紅外雙向通信部分和微處理器組合（存儲、接口）。

圖4 接收端電路設計方案Fig.4 Receiver circuit scheme

通信系統無外部供電，光傳能的接收部分不僅要對外輸出功率，還需維持通信鏈路的工作。提高接收端光電轉換效率，降低后端電路功耗尤為關鍵。接收端光伏板的工作狀態可由“五參數模型”描述：

式中：、分別為光伏板輸出電流和輸出電壓；、分別為光生電流和暗電流；∝為理想參數因子；和分別為并聯等效電阻和串聯等效電阻。

由于除非光強較大時，一般遠小于輸出電壓，上式可簡化為

因光生電流和光伏板接受光照強度有關，可以描述為

式中：為比例系數；?(，)為光伏板(，)處所能接收到的有效光子數?？紤]到發射端光源較為穩定，接收端接受面積受限較小，光伏板上有效光子數近乎平均，式（9）可改寫為

式中：為光伏板面積；為光照強度；為常數系數。由式（2）可得光伏板輸出功率為

式中：為輸出電壓。對該式求偏導，可求得最大功率對應的輸出電壓。

光伏板后端的電路工作電壓可和光照強度進行匹配設計，以獲得最大的輸出功率。

為節省功耗，接收端中的微處理器組合設計為休眠、光通信接收、光通信發射和接口通信4 種工作模式：1）休眠模式下，光源照射光伏電池板，整個電路正處于等待儲能環節充電狀態，所有芯片被強制處于休眠狀態，單片機處于低功耗狀態；2）光通信接收模式下，發射端向接收端通過光信號傳輸數據，儲存器處于存儲訪問狀態，紅外收發器處于接收狀態，單片機處于全速工作狀態，接口芯片無需啟動，處于休眠狀態；3）光通信發射模式下，接收端向發射端回饋正確應答信號，紅外收發器切換為發射狀態，其他元件的工作狀態和接收狀態相同，此時所需功率可能比光接收功率更大，所需能量可由儲能電容放電提供；4）接口通信模式中下，接收端由武器內電池供電，紅外芯片無需啟動，處于休眠狀態，其他模塊均需啟動，單片機處于全速工作狀態，儲存器處于存儲讀取狀態，接口芯片處于工作狀態。

1.3 通信邏輯設計

系統光通信選用國際上通用的X-Modem 協議，協議規定每1 幀數據由1 字節幀頭（Start of Header，SOH）、1 字節幀序號、1 字節幀序號補碼、128 字節數據和2 字節循環冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）校驗值組成，協議中的校驗重發機制可以保證通信的準確率。

為進一步防止外部干擾并降低功耗，設計基于雙向應答和重傳機制的低功耗通信邏輯，在保證通信可靠的同時減少接收端的能量損耗。在低功耗通信邏輯下，接收端狀態轉移關系如圖5 所示。當發射端開始提供光能一定時間（儲能電容電量充滿時間）后，啟動接收端系統，從休眠模式進入光通信發射模式，向發射端發送通信開啟字符以開啟通信。發送完通信開啟字符后，接收端進入休眠模式，如接收端在內未收到發射端發送的數據幀，則接收端會再次進入光通信發射模式，發送通信開啟字符重新開啟通信；如接收端在內收到了發送端發送的數據幀，則接收端會轉換至光通信接收模式。當接收端收到1 個字節后的等待時間內未收到新的字節，則認為該字節為該數據幀的幀尾，此時接收端進入到接受好的狀態，各個芯片的工作模式和接收中狀態相同，接著進行數據的校驗。校驗結束后，接收端將變為光通信發射模式，向發射端回復確認字符（Acknowledge Character，ACK）確認數據正確或是回復否定應答（Negative Acknowledgment，NAK）要求重發數據。發送之后，接收系統將進入休眠模式，等待新的數據或者重發的數據。在此狀態轉移圖下，接收端在數據通信過程中，絕大部分時間處于休眠模式，大幅減少了接收端的總體功耗。

圖5 低功耗通信狀態轉移Fig.5 Low-power communication state transition diagram

2 試驗驗證

2.1 試驗系統設計

為驗證提出的強電磁環境無線發射數據通信系統的可靠性和有效性，設計實驗測試系統如圖6所示。

圖6 測試系統原理Fig.6 Schematic diagram of the test system

在夾具和武器模型上實現發射端和接收端的安裝固定，整體安裝在光學滑軌上，以便調節和測試收、發距離；用輔助電源給發射端供電，用模擬武器電池給接收端供電，計算機和發射端、接收端模塊通過RS-422 轉USB 接口實現數據流的傳輸。搭建試驗平臺如圖7 所示。

圖7 試驗平臺Fig.7 Experiment platform

2.2 通信速率及誤碼率測試

將發射端和接收端分別通過RS-422 轉USB接口和上位機端相連，設置發射端和上位機的通信速率為115 200 bit/s，接收端和發射端的通信速率為115 200 bit/s，接收端和PC 的通信速率為614 400 bit/s。輔助電源對發射端上電28 V，通過發射端依次發送10 次4 kbit 數據給接收端（以128 字節為1 幀，共32 幀），接收端依次接收并存儲。對發射端進行斷電，模擬制導武器系統內部對接收端上電5 V。通過上位機讀取并保存數據，如圖8 所示。

圖8 通信速率及誤碼率測試過程Fig.8 Test processes of communication rate and bit error rate

整個過程，通信啟動延遲約160 ms，采用Matlab比對功能對收、發數據進行驗證，數據誤碼率＜10，可見系統可實現可靠數據通信，如圖9所示。

圖9 誤碼率分析結果Fig.9 Results of the bit error rate analysis

2.3 接收端功耗測試

2.3.1 試驗方法

1）測試接收端的初始狀態和接收狀態：正常啟動接收端，將電流表接入光通信鏈路，一端接儲能電容，另一端接電源芯片的輸入引腳，測試接收端初始狀態和接收狀態的電流。

2）測試接收端的發射狀態：在儲能電容和電源芯片之間串聯1 Ω 電阻，將電阻的前后兩端分別接示波器探頭1 和2，正常啟動接收端，測出電壓的差值，計算其電流即為接收端的發射狀態的電流。

2.3.2 試驗結果

按上述接線方法分別測量并計算接收端在初始、接收和發射狀態下的電流變化，如圖10 所示。

圖10 接收端不同工作狀態下的電流變化Fig.10 Current changes of the receiver under different working conditions

各個過程的功耗計算見表1。

表1 接收端功耗測試結果Tab.1 Test results of the power consumption of the receiver

此時，發射端3 種型號LED 經計算分別消耗電能約為7.08、3.60 和1.80 W，即LED 陣列總功率為12.48 W。設LED 電能轉化為光能的效率為40%，光學效率系數為80%，凸透鏡透光率為95%，則從發射端窗口出去的光能為3.80 W。按照光斑40 mm 圓孔，能夠覆蓋整個接收端，接收端表面光強約為0.3 W/cm，此時接收端可獲得超過100 mW的功率，滿足表1 中的功耗需求，證明通信系統功耗低、可自驅動。

3 結束語

為應對愈發復雜的作戰電磁環境，提出了一種基于光載波攜能的無線發射數據通信系統，其采用多波段、雙光源方案，主要包括雙光路發射端和低功耗接收端。通過試驗測試表明，提出的無線發射數據通信系統，可有效結合可見光無線能量傳輸技術和紅外通信技術，實現可靠的攜能通信，且通信系統功耗低、可自驅動，能有效應用于強電磁環境下的制導武器無線發射場景。