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(dǎo)是激光制導(dǎo)最常用的制導(dǎo)技術(shù)。它的原理是激光制導(dǎo)儀向目標發(fā)射激光信息場以控制導(dǎo)彈在激光光束中的飛行軌跡，實時調(diào)整導(dǎo)彈在激光信息場的位置，當導(dǎo)彈偏離激光信息場中心時，彈尾接收機實時檢測導(dǎo)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(diào)整舵機位置，達到控制導(dǎo)彈飛行的目的。激光駕束制導(dǎo)的應(yīng)用大大提升了導(dǎo)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(dǎo)彈命中的關(guān)鍵因素，因此對激光信息場的檢測至關(guān)重要。

目前，激光信息場檢測設(shè)備存在電路設(shè)計復(fù)雜、攜行不方便、檢測精度不高等缺點。本設(shè)計針對上述缺點，設(shè)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(shè)計的原理及組成

1.1 指令值檢測設(shè)計原理

激光信息場是由激光經(jīng)過調(diào)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(jīng)過調(diào)制形成的不同頻率激光信號以及該信號在一個周期內(nèi)持續(xù)的時間長短，就可以判斷導(dǎo)彈偏離信息場的中心位置[3]。

調(diào)制盤以轉(zhuǎn)速50 r/s的頻率旋轉(zhuǎn)時，調(diào)制盤的信息圖案的黑白光柵首先上下切割激光束，經(jīng)過10 ms后，從右向左切割激光束，因此，上半周期的10 ms內(nèi)包含f1、f2、f5這3種頻率，下半周期內(nèi)包含f3、f4、f5這3種頻率。導(dǎo)彈在信息場中偏離的失調(diào)量的計算式為[4]：

(1)

(2)

式中，T1、T2、T3、T4、T5分別表示經(jīng)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(shè)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(yīng)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(gòu)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(zhuǎn)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(diào)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(wù)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(shè)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(nèi)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(shè)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(jīng)過激光接收模塊轉(zhuǎn)換后，從背景光和激光調(diào)制而成的混合信號解析出有用的調(diào)制信號，信號經(jīng)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(yīng)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(dǎo)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(zhuǎn)換器(ADC)，采用2.7～5.5 V單電源供電。該器件內(nèi)置1個2 μs逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)束時對CONVST(轉(zhuǎn)換開始)信號狀態(tài)進行采樣的技術(shù)，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(zhuǎn)換結(jié)束時自動關(guān)斷，并在新轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換之間不關(guān)斷。在這種高速模式下工作時，AD3810的轉(zhuǎn)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(jīng)過信號放大后，轉(zhuǎn)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(yīng)頻率的時間T1、T2、T3、T4、T5。而本設(shè)計的信號脈寬識別是由FPGA內(nèi)部實現(xiàn)，不需要外部電路設(shè)計，只需要含有5種頻率的調(diào)制信號送入FPGA的IO管腳就可以完成此功能，簡化了電路設(shè)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(shè)計

3.1 FPGA程序

FPGA程序主要實現(xiàn)：1)從含有5種頻率的調(diào)制信號中解析出來失調(diào)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(shè)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(dǎo)區(qū)。操作步驟：點擊“開始”按鈕，軟件進入實時測試模式，能夠?qū)崟r地顯示Z軸失調(diào)量、Y軸失調(diào)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(jié)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(dǎo)儀距離：500 m。

4.1 試驗結(jié)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(jīng)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(chǎn)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(jié)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(chǎn)生較大的誤差。

5 結(jié)語

本新型激光信息場檢測系統(tǒng)具有電路設(shè)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(shè)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(wǎng)線上傳至遠端服務(wù)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(dǎo)武器的研制成本，縮短研制周期，同時可以方便檢測和調(diào)整駕束制導(dǎo)的參數(shù)分布，從而開發(fā)更高效率的類似制導(dǎo)武器[11]。