倪春雷，馬勝利，鄒濱鍵

（1 中國(guó)人民解放軍91550 部隊(duì) 大連 116023 2 北京航天控制儀器研究所 北京 100854 3 北京計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所 北京 100854）

引 言

在武器裝備試驗(yàn)鑒定領(lǐng)域，制導(dǎo)武器的性能檢驗(yàn)集中體現(xiàn)在彈靶遭遇段。根據(jù)遭遇段彈與靶的狀態(tài)信息，可鑒定末制導(dǎo)精度、評(píng)估引戰(zhàn)配合效能和判定殺傷效果。因此，精確測(cè)量彈靶相對(duì)位置的脫靶量對(duì)武器裝備性能檢驗(yàn)起著關(guān)鍵的作用。

目前，針對(duì)不同類型目標(biāo)脫靶量測(cè)量，國(guó)內(nèi)外在光、聲、無(wú)線電和高能射線等技術(shù)領(lǐng)域均有研究應(yīng)用。光、聲學(xué)測(cè)量受自然條件影響大，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜；高能射線受放射物質(zhì)使用安全限制；無(wú)線電是脫靶量測(cè)量常用的技術(shù)手段，但易受復(fù)雜電磁環(huán)境干擾。以上方法對(duì)測(cè)量精度均存在不同程度影響。不斷提升的武器系統(tǒng)制導(dǎo)精度對(duì)測(cè)量精度的要求也越來(lái)越高，因此，在分析各種測(cè)量技術(shù)優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，研究適用于復(fù)雜電磁環(huán)境下基于光纖傳感器的脫靶量測(cè)量技術(shù)，在武器裝備試驗(yàn)鑒定中具有重要意義。

1 光纖傳感器測(cè)量技術(shù)原理

光纖傳感器是一種將被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)光信號(hào)的傳感器，具有徑細(xì)、柔韌、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。光纖既是傳感器又能充當(dāng)信號(hào)傳輸通道，且光路有可繞曲性，便于按需布設(shè)構(gòu)成監(jiān)測(cè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)程檢測(cè)，在遠(yuǎn)距離分布式光纖傳感測(cè)量中具有突出的優(yōu)勢(shì)[1-3]。

光纖傳感器網(wǎng)格測(cè)量是將傳感光纖按需設(shè)計(jì)為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，布設(shè)覆蓋于被測(cè)體部位。當(dāng)被測(cè)區(qū)域受到應(yīng)力作用，光纖中的光信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，光線傳感器實(shí)時(shí)采集信號(hào)信息可迅速分析出受到應(yīng)力的相應(yīng)位置。光纖網(wǎng)格最小單元由兩縱兩橫四路傳感光纖組成，被測(cè)體的應(yīng)變點(diǎn)產(chǎn)生在網(wǎng)格內(nèi)，由于這四路光反饋信號(hào)在光路信息采集通道上是各自獨(dú)立的，反饋的時(shí)域信號(hào)也得到充分隔離，光纖接收終端收到的信號(hào)在時(shí)間上也同樣得到隔離[4]。因此，通過(guò)對(duì)反饋信號(hào)的檢測(cè)，分析光纖傳感器網(wǎng)格和光纖反饋時(shí)域信號(hào)關(guān)系，可以準(zhǔn)確判斷測(cè)量區(qū)域應(yīng)變點(diǎn)產(chǎn)生的位置并被唯一確定。這種方法原理簡(jiǎn)單可靠，響應(yīng)速度快，有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗強(qiáng)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于靶船著靶點(diǎn)測(cè)量。

2 靶船著靶點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

靶船被擊中時(shí)，靶船著靶點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)采用光纖傳感、數(shù)據(jù)采集與處理以及遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸技術(shù)，對(duì)制導(dǎo)武器命中靶標(biāo)時(shí)的位置和時(shí)間等有效信息進(jìn)行高精度測(cè)量。系統(tǒng)由光纖傳感器網(wǎng)格、光源發(fā)射裝置、信息采集設(shè)備和數(shù)據(jù)接收處理設(shè)備等組成，如圖1 所示。光纖傳感器網(wǎng)格用于檢測(cè)著靶點(diǎn)信息；光源發(fā)射裝置為光纖傳感器網(wǎng)格提供連續(xù)穩(wěn)定的光信號(hào)；信息采集設(shè)備監(jiān)測(cè)每路傳感光纖的光信號(hào)狀態(tài)信息，并通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線通訊系統(tǒng)發(fā)至地面數(shù)據(jù)接收處理設(shè)備，解析獲得著靶點(diǎn)位置信息。

圖1 靶船著靶點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)組成Fig.1 The composition of miss-distance measurement system of target ship

當(dāng)制導(dǎo)武器擊中靶船時(shí)，撞擊接觸的光纖網(wǎng)格區(qū)域相應(yīng)位置的傳感光纖會(huì)損壞，信息采集設(shè)備及時(shí)探測(cè)光信號(hào)從有到無(wú)的狀態(tài)變化，提取并確定斷裂狀態(tài)光纖編號(hào)，將其與GPS 時(shí)間信息組建著靶信息數(shù)據(jù)幀，由遠(yuǎn)程無(wú)線通信系統(tǒng)傳送至地面或測(cè)控船上的數(shù)據(jù)接收處理設(shè)備，同時(shí)備份到數(shù)據(jù)記錄器中。數(shù)據(jù)接收處理設(shè)備對(duì)原始斷裂光纖編號(hào)信息進(jìn)行處理，解算獲取著靶點(diǎn)位置坐標(biāo)并進(jìn)行二維顯示，完成著靶點(diǎn)測(cè)量。

2.2 光纖傳感器網(wǎng)格設(shè)計(jì)

通過(guò)將多根傳感光纖按經(jīng)緯交錯(cuò)的方式布設(shè)于靶船甲板平面上，且任意兩個(gè)交錯(cuò)方向的傳感光纖只能確定唯一交點(diǎn)[5]，形成光纖傳感器網(wǎng)格。通過(guò)光源發(fā)射裝置向光纖傳感器網(wǎng)格中的所有經(jīng)緯度傳感光纖輸入光信號(hào)，并與信息采集設(shè)備連接構(gòu)成通路；當(dāng)制導(dǎo)武器落入光纖傳感器網(wǎng)格區(qū)域后，由最早撞擊接觸點(diǎn)開始擴(kuò)散形成損傷區(qū)域，位于該區(qū)域的傳感光纖網(wǎng)格會(huì)受到損壞，光源發(fā)射裝置輸出的光信號(hào)無(wú)法送到另一端的信息采集設(shè)備，對(duì)應(yīng)光路的通斷狀態(tài)被實(shí)時(shí)采集。利用交錯(cuò)光纖交點(diǎn)唯一的特性，結(jié)合光纖傳感器網(wǎng)格與目標(biāo)靶船的物理對(duì)應(yīng)關(guān)系解析獲取著靶點(diǎn)信息[5]。技術(shù)原理如2 圖所示。

制導(dǎo)武器落入光纖傳感器網(wǎng)格區(qū)域形成最早的撞擊點(diǎn)，即著靶點(diǎn)（如圖3 所示），撞擊毀壞過(guò)程將以此點(diǎn)開始擴(kuò)散。著靶點(diǎn)在傳感器網(wǎng)格中的位置可分為多種情況，若此撞擊點(diǎn)緊鄰定位點(diǎn)A，則接觸后隨即切斷傳感光纖1 和傳感光纖2，通過(guò)分析上傳數(shù)據(jù)可獲得撞擊位置坐標(biāo)為點(diǎn)A；當(dāng)撞擊點(diǎn)緊鄰B、C、D 時(shí)，情況類似，此時(shí)獲得的著靶點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)較為精確。然而，最早撞擊點(diǎn)也可能落入ABCD構(gòu)成的邊長(zhǎng)為L(zhǎng) 的正方形區(qū)域內(nèi)，從測(cè)量精度的角度分析，最惡劣的情況是正好落于正方形中心，隨著毀傷區(qū)域的擴(kuò)散，若最先斷裂的傳感光纖為光纖1、光纖2，則分析下傳數(shù)據(jù)獲得撞擊位置為A 點(diǎn)，此時(shí)將會(huì)產(chǎn)生最大的測(cè)量精度誤差，其值為；當(dāng)獲得撞擊位置為B、C、D 時(shí)，情況類似。

圖2 光纖傳感器網(wǎng)格技術(shù)原理Fig.2 Schematic diagram of fiber optic sensor grid technology

圖3 著靶點(diǎn)位示意圖Fig.3 Sketch map of miss-distance

若根據(jù)靶船著靶點(diǎn)測(cè)量精度性能指標(biāo)要求優(yōu)于d，則傳感光纖布設(shè)間距應(yīng)小于，即在經(jīng)度、緯度方向上傳感光纖圍成的四邊形區(qū)域，若小于以為邊長(zhǎng)的正方形區(qū)域即可滿足精度要求。顯然，光纖傳感器網(wǎng)格間距不僅僅決定于精度指標(biāo)要求，還需考慮到試驗(yàn)制導(dǎo)武器著靶后的毀傷區(qū)域直徑D，以避免出現(xiàn)“漏網(wǎng)”風(fēng)險(xiǎn)，因此，設(shè)計(jì)的傳感光纖間距同時(shí)還需滿足小于D的要求。

確定網(wǎng)格間距后，根據(jù)整個(gè)靶船甲板平面大小，設(shè)計(jì)采用不同路數(shù)和長(zhǎng)度的傳感光纖構(gòu)成光纖傳感器網(wǎng)格。其中，沿船體首尾方向定義為經(jīng)度布設(shè)n根光纖，寬度方向定義為緯度布設(shè)m根光纖，每經(jīng)緯方向上的兩根傳感光纖確定唯一交點(diǎn)，并對(duì)應(yīng)于再入體表面上的唯一坐標(biāo)，通過(guò)監(jiān)測(cè)撞擊發(fā)生后n根光纖和m根光纖的通斷（通為“1”，斷為“0”）來(lái)確定撞擊位置。

2.3 光源發(fā)射裝置設(shè)計(jì)

光源發(fā)射裝置由光源及其驅(qū)動(dòng)電路、光分路器和光纖連接器等組成，用于實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定的光信號(hào)，并輸入到靶船甲板平面上的光纖傳感器網(wǎng)格。光源在驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)下輸出功率穩(wěn)定的光信號(hào)，經(jīng)光分路器均分成多路光信號(hào)，再由光纖連接器輸出到布設(shè)于靶船甲板平面上的光纖傳感器網(wǎng)格，裝置設(shè)計(jì)原理如圖4 所示。

圖4 光路裝置原理Fig.4 Principle of optical path device

2.4 信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信息采集設(shè)備主要包括探測(cè)器電路、信息采集處理電路、母板和二次電源電路，如圖5 所示。信息采集設(shè)備監(jiān)測(cè)從光纖傳感器網(wǎng)格每路傳感光纖傳輸來(lái)的光信號(hào)，放大、判決并轉(zhuǎn)換成通斷狀態(tài)信息；完成光纖傳感信息的采集、編碼和封幀處理，并發(fā)送給遠(yuǎn)程無(wú)線通訊系統(tǒng)；發(fā)送的信息中包含系統(tǒng)狀態(tài)信息，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)反饋功能。

圖5 信息采集原理Fig.5 Principle of information acquisition

光信號(hào)經(jīng)光纖傳感器網(wǎng)格的傳感光纖傳輸?shù)教綔y(cè)器電路組件中，因此，根據(jù)光纖傳感器網(wǎng)格傳感光纖的數(shù)量設(shè)計(jì)探測(cè)器電路組件。傳感器采集到的信息經(jīng)母板電路匯集后傳輸?shù)叫畔⒉杉幚黼娐?，進(jìn)行信息處理和編幀后發(fā)送至遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)；板級(jí)的電壓狀態(tài)、溫度狀態(tài)等信息以及光纖傳感器網(wǎng)格的通斷狀態(tài)信息均可實(shí)時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線通訊系統(tǒng)上報(bào)，并可接收遠(yuǎn)程啟動(dòng)及時(shí)間同步信號(hào)等控制指令。

2.5 數(shù)據(jù)接收處理軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收處理軟件主要用于對(duì)光纖傳感信息的接收與解調(diào)，如圖6 所示，包括系統(tǒng)狀態(tài)信息和著靶點(diǎn)信息顯示兩個(gè)界面。遠(yuǎn)程無(wú)線通訊系統(tǒng)將信息采集設(shè)備采集到的光纖傳感網(wǎng)格通斷狀態(tài)信息以及設(shè)備狀態(tài)信息傳輸至工作站，通過(guò)數(shù)據(jù)接收處理軟件對(duì)狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)接收、解調(diào)與處理，從而識(shí)別制導(dǎo)武器著靶后光纖傳感器網(wǎng)格破壞的先后順序，解析獲得著靶點(diǎn)位置坐標(biāo)并進(jìn)行二維顯示，同時(shí)，還可以獲得靶船命中時(shí)刻信息以及毀傷過(guò)程。

圖6 數(shù)據(jù)接收處理軟件Fig.6 Data receiving and processing software

3 工程實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

3.1 光纖傳感器網(wǎng)格布設(shè)

在靶船上實(shí)現(xiàn)有效傳感區(qū)域的全監(jiān)測(cè)覆蓋是著靶點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)的難點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測(cè)，光纖的鋪設(shè)采用與靶船甲板全面附著貼合的安裝方式。根據(jù)設(shè)計(jì)的網(wǎng)格間距和靶船外形尺寸以及設(shè)備安裝位置，確定經(jīng)度和緯度傳感光纖的長(zhǎng)度和數(shù)量，傳感光纖兩端分別設(shè)置單芯光纖連接器；根據(jù)傳感光纖經(jīng)、緯向間距要求，在船舷四周設(shè)計(jì)同等間距的固定栓。布設(shè)時(shí)，取出相互對(duì)應(yīng)編號(hào)標(biāo)識(shí)的傳感光纖和固定栓，從靶船一端向另一端布設(shè)，并按一定間距采用光纜固定夾固定在甲板上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)光纖傳感器網(wǎng)格的保形，并具備抗海上風(fēng)浪的能力；傳感光纖固定形成光纖傳感器網(wǎng)格后，一端集束到多芯光纖連接器與光源發(fā)射裝置接插，另一端集束到多芯光纖連接器后與信息采集設(shè)備連接。光纖傳感器網(wǎng)格布設(shè)可以實(shí)現(xiàn)靶船甲板全覆蓋監(jiān)測(cè)，同時(shí)確保試驗(yàn)武器撞擊靶船甲板后不會(huì)“漏網(wǎng)”或拉扯光纜造成著靶點(diǎn)誤判。

針對(duì)靶船甲板上的基礎(chǔ)設(shè)施，光纖傳感器網(wǎng)格布設(shè)采取兩種措施：對(duì)可覆蓋的基礎(chǔ)設(shè)施，根據(jù)其三維模型設(shè)計(jì)特殊的傳感光纖長(zhǎng)度[6]，按照投影間距制作間距標(biāo)識(shí)，當(dāng)布設(shè)到基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)越過(guò)其上繼續(xù)前向布設(shè)，以保證測(cè)量精度；對(duì)于不可覆蓋的基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計(jì)特殊長(zhǎng)度的傳感光纖繞行布設(shè)。

3.2 系統(tǒng)的抗干擾性能設(shè)計(jì)

除選用本征抗干擾的光纖作為傳感介質(zhì)外，在光信號(hào)探測(cè)方面，采用具有高增益、高帶寬和高壓擺率的開關(guān)雙狀態(tài)光電探測(cè)器準(zhǔn)確探測(cè)光信號(hào)的有無(wú)，通過(guò)判決電路設(shè)定合理閾值，實(shí)現(xiàn)光路通斷兩種狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷，避免由于電磁干擾、光纜受壓損耗變大造成的誤判；在信息采集處理算法上，考慮到光纖遭物理?yè)p傷后的不可恢復(fù)性，采取濾波算法，僅對(duì)由通到斷并持續(xù)一定時(shí)間的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，可有效剔除高頻信號(hào)干擾產(chǎn)生的“毛刺”，進(jìn)一步確保光路通斷狀態(tài)的準(zhǔn)確識(shí)別。通過(guò)雙路光纖傳感器切斷實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖7（a）所示，01 號(hào)光纖由通到斷的響應(yīng)時(shí)間為898ns，即光路狀態(tài)由eb_aabb 變成eb_01ff，對(duì)應(yīng)光電探測(cè)器響應(yīng)如圖7（b）所示，可有效抑制噪聲和干擾，提升系統(tǒng)的抗干擾性能。

圖7 響應(yīng)時(shí)間及抗干擾驗(yàn)證Fig.7 Responding duration and anti-jamming test-and-verify

3.3 光纖傳感器網(wǎng)格故障對(duì)精度影響分析

光纖傳感網(wǎng)格著靶點(diǎn)測(cè)量為典型接觸式測(cè)量，采用強(qiáng)度適當(dāng)?shù)逆z裝傳感光纖可極大降低光纖的損壞。如前所述，忽略毀傷直徑D的影響，當(dāng)測(cè)量精度要求優(yōu)于d時(shí)，光纖傳感器網(wǎng)格邊長(zhǎng)應(yīng)優(yōu)于。但是，由于靶船加裝設(shè)備多、工作環(huán)境惡劣，傳感光纖會(huì)不可避免地發(fā)生故障，對(duì)測(cè)量精度將產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)1 根獨(dú)立經(jīng)度光纖或緯度光纖故障時(shí)，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為條件下，測(cè)量精度變?yōu)?，不滿足優(yōu)于d的精度要求。因此，為了使不連續(xù)的經(jīng)度光纖或緯度光纖故障不影響測(cè)量精度d，需對(duì)光纖傳感器網(wǎng)格增加密度，縮小網(wǎng)格間距，如將減小為，仍可滿足精度指標(biāo)要求。因此，在實(shí)現(xiàn)精度指標(biāo)前提下，可根據(jù)需求加減光纖傳感器網(wǎng)格密度，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)識(shí)別試驗(yàn)武器破壞光纖傳感器網(wǎng)格的有效信息，實(shí)時(shí)探測(cè)傳感光纖毀傷的狀態(tài)，可獲得撞擊靶船首點(diǎn)位置信息以及損傷過(guò)程，實(shí)現(xiàn)靶船著靶點(diǎn)的高精度實(shí)時(shí)測(cè)量。系統(tǒng)解決了光纖傳感信息高速采集與傳輸、抗干擾性能設(shè)計(jì)以及光纖傳感器網(wǎng)格布設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)和工程實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供可靠的借鑒。