新型激光信息場檢測系統(tǒng)設計

陳 羽，尚麗明，郝新建，侯安貴

(河南平原光電有限公司，河南 焦作 454000)

激光駕束制導是激光制導最常用的制導技術。它的原理是激光制導儀向目標發(fā)射激光信息場以控制導彈在激光光束中的飛行軌跡，實時調整導彈在激光信息場的位置，當導彈偏離激光信息場中心時，彈尾接收機實時檢測導彈飛行偏差，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給彈上計算機，彈上計算機調整舵機位置，達到控制導彈飛行的目的。激光駕束制導的應用大大提升了導彈的命中概率，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中實施精確打擊的主要實現(xiàn)方式之一[1]。激光信息場是決定導彈命中的關鍵因素，因此對激光信息場的檢測至關重要。

目前，激光信息場檢測設備存在電路設計復雜、攜行不方便、檢測精度不高等缺點。本設計針對上述缺點，設計一套新型的信息場檢測系統(tǒng)，以解決上述問題。

1 系統(tǒng)設計的原理及組成

1.1 指令值檢測設計原理

激光信息場是由激光經過調制盤被黑白條紋切割成不同頻率而形成的。激光信息場指令值是由5種不同頻率的激光脈沖信號組成。隨著不同頻率信號的占比不同，激光信息場的指令值也不同[2]。通過測量彈尾接收機接收到經過調制形成的不同頻率激光信號以及該信號在一個周期內持續(xù)的時間長短，就可以判斷導彈偏離信息場的中心位置[3]。

調制盤以轉速50 r/s的頻率旋轉時，調制盤的信息圖案的黑白光柵首先上下切割激光束，經過10 ms后，從右向左切割激光束，因此，上半周期的10 ms內包含f1、f2、f5這3種頻率，下半周期內包含f3、f4、f5這3種頻率。導彈在信息場中偏離的失調量的計算式為[4]：

(1)

(2)

式中，T1、T2、T3、T4、T5分別表示經過頻率f1、f2、f3、f4、f5的時間；K表示比例系數(shù)；ΔR表示碼道寬度。目標處于信息場的任何位置，都可以用此計算式計算出誤差值。

1.2 輻照度檢測設計原理

輻照度表示接收激光能量的強度，是激光信息場的一個重要參數(shù)。在放大電路后添加AD采集電路，以采集信號放大后的輸出電壓。激光能量在未飽和狀態(tài)下，不同的激光輻照度對應不同的AD采集電壓。標定電壓后就能對激光輻照度進行檢測。

1.3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)是由FPGA作為數(shù)據(jù)處理核心，主要由激光接收模塊、信號處理模塊、無線傳輸模塊以及平板終端顯示等構成(見圖1)。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1)激光接收模塊：采用APD激光探測器，將微弱激光信號轉換成電信號。為了避免陽光中的雜散光，采用窄帶濾光片濾除背景光。為了避免激光過強探測器輸出飽和，在鏡頭前安裝合適口徑的光闌，以減少通光孔徑。

2)信號處理模塊：信號處理模塊將激光接收模塊接收到的小信號放大到FPGA可以識別的電平信號(TTL電平)。FPGA接收到帶有5種不同頻率的信號，對不同頻率進行選頻處理，并計算出不同頻率所占的時間[5]。

3)無線傳輸模塊：FPGA計算出偏航和俯仰的誤差后，將數(shù)據(jù)通過串口輸出給無線傳輸模塊，無線傳輸模塊收到數(shù)據(jù)后，將信號輸出給平板終端。

4)平板終端顯示：通過無線模塊接收串口數(shù)據(jù)，并將串口數(shù)據(jù)解析成失調量數(shù)據(jù)和激光能量數(shù)據(jù)，并顯示到平板終端上，對測試數(shù)據(jù)進行評估。同時，平板終端可以與遠端服務器連接，用于數(shù)據(jù)的傳輸。

信息場檢測功能框圖如圖2所示。

圖2 信息場檢測功能框圖

2 信號處理模塊硬件設計

信號處理模塊是整個系統(tǒng)的核心，其電路主要包括電源電路、信號放大電路、信號處理電路以及FPGA處理電路。

2.1 電源電路

本系統(tǒng)中，電源來自內部電池，一般為26 V。而信號處理模塊所需要的電源為+5 V、+3.3 V、+2.5 V、+1.2 V、±15 V。為了滿足設計需求，采用DC-DC電源模塊搭配LDO線性電源使用。DC-DC電源電路和LDO線性電源電路分別如圖3～圖5所示。

圖3 DC-DC電源電路1

圖4 DC-DC電源電路2

圖5 LDO線性電源電路

2.2 信號放大電路

經過激光接收模塊轉換后，從背景光和激光調制而成的混合信號解析出有用的調制信號，信號經由放大電路限幅放大以滿足后端接收電路的要求。信號放大電路應從如下3個方面考慮。

1)保證5種頻率信號通過的前提下，要使每一級帶寬盡量窄，以減少噪聲。

2)要求放大電路偏置電壓盡量小，避免信號的放大、限幅導致正向端信號過高造成部分頻率信號丟失。

3)放大電路動態(tài)范圍不宜過大，避免放大電路飽和或發(fā)生自激。

綜合上述3個方面的考慮，本系統(tǒng)采用低噪聲、高精度、高速運算放大器OP07。信號放大電路如圖6所示。

圖6 信號放大電路

2.3 AD采集電路

AD采集電路主要采集激光信號能量。本系統(tǒng)采用ADI公司AD3810芯片。AD3810是一款高速、低功耗、10位模數(shù)轉換器(ADC)，采用2.7～5.5 V單電源供電。該器件內置1個2 μs逐次逼近型模數(shù)轉換器(固有采樣保持功能)、1個偽差分輸入和1個可與大多數(shù)微控制器接口的高速串行接口，額定溫度范圍為-40～+105 ℃。AD3810采用一種能夠在一次轉換結束時對CONVST(轉換開始)信號狀態(tài)進行采樣的技術，因此可以在自動省電模式下工作。在這種模式下工作時，AD3810會在一次轉換結束時自動關斷，并在新轉換開始時自動“喚醒”。當吞吐量較低時，此特性可顯著降低器件的功耗。AD3810也可在一種高速模式下工作，此時該器件在2次轉換之間不關斷。在這種高速模式下工作時，AD3810的轉換時間為2 μs。最大吞吐量取決于微控制器串行接口的速度。AD采集電路如圖7所示。

圖7 AD采集電路

2.4 FPGA處理電路

傳統(tǒng)激光信息場檢測處理電路一般采用單片機，將接收模塊輸出的信號經過信號放大后，轉換成可被檢測的數(shù)字信號，然后送到脈寬識別電路，根據(jù)不同頻率的脈寬不同，計算出相應頻率的時間T1、T2、T3、T4、T5。而本設計的信號脈寬識別是由FPGA內部實現(xiàn)，不需要外部電路設計，只需要含有5種頻率的調制信號送入FPGA的IO管腳就可以完成此功能，簡化了電路設計。FPGA外部采用20 MHz晶振，倍頻到500 MHz，能大大提高計數(shù)精度，從而更精確地選頻，提高檢測精度。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 FPGA程序

FPGA程序主要實現(xiàn)：1)從含有5種頻率的調制信號中解析出來失調量值；2)從AD采集電壓值，標定出激光的能量值[6]。

FPGA的功能模塊分為選頻模塊、計時模塊、AD采集模塊、串口輸出模塊和倍頻模塊。功能模塊組成如圖8所示。

圖8 FPGA功能框圖

3.2 顯示界面設計

主界面(見圖9)包括測試曲線顯示區(qū)、功能按鈕、功能測試區(qū)、狀態(tài)指示區(qū)以及操作引導區(qū)。操作步驟：點擊“開始”按鈕，軟件進入實時測試模式，能夠實時地顯示Z軸失調量、Y軸失調量以及能量曲線，測試曲線實時顯示在曲線顯示區(qū)。點擊“錄制”按鈕，軟件進入錄制測試模式，待測試結束后，點擊“查詢”按鈕，進入查詢界面，查詢界面顯示測量數(shù)據(jù)的序號、數(shù)據(jù)名稱、測試時間、數(shù)據(jù)保存路徑、測試者以及測試文件的大小。點擊需要回放數(shù)據(jù)所在行，藍色高亮顯示選中，若點擊右下文件夾圖標，回放此次測試數(shù)據(jù)。

圖9 檢測系統(tǒng)顯示界面

4 試驗與分析

本試驗在外場環(huán)境下進行，試驗環(huán)境如下。

1)試驗時間：2021年10月20日。

2)試驗地點：包頭試驗場。

3)天氣狀態(tài)：晴朗，能見度10 km。

4)檢測系統(tǒng)與制導儀距離：500 m。

4.1 試驗結果

在試驗中，將檢測系統(tǒng)激光探頭放在Z軸2 m、Y軸-2 m的位置上，經測量得到系統(tǒng)誤差值不超過5%，測量曲線如圖10所示。

圖10 測試曲線

4.2 誤差分析

造成誤差的原因如下：1)光電二極管自身存在暗電流、噪聲，在外場環(huán)境下，受溫度影響比較明顯[7]；2)信息場檢測單元中，電路本身產生的噪聲會引起數(shù)據(jù)誤差[8]；3)窄帶濾光片雖能濾除大部分雜光，但還有與激光波長相近且光強較強的背景光無法濾除，影響測量的最終結果[9]。

另外，Z軸誤差明顯小于Y軸，因此決定Z軸精度的激光頻率每次都是先到達，能夠接收到完整的激光脈沖，決定Y軸精度的激光頻率可能接收到不完整的激光脈沖，因此會產生較大的誤差。

5 結語

本新型激光信息場檢測系統(tǒng)具有電路設計簡單、攜行方便、檢測精度高等特點，能夠滿足武器裝備向輕量化、智能化方向發(fā)展的需求[10]。該系統(tǒng)符合測試設備模塊化、通用化、智能化和標準化的發(fā)展方向，將測試數(shù)據(jù)通過網線上傳至遠端服務器，便于對數(shù)據(jù)分析與管理。激光信息場檢測系統(tǒng)的研究，可以降低制導武器的研制成本，縮短研制周期，同時可以方便檢測和調整駕束制導的參數(shù)分布，從而開發(fā)更高效率的類似制導武器[11]。