偽隨機碼近炸引信激光探測技術研究

韓磊 張亞 李世中

【摘要】本文設計了一種以巡航導彈為目標，可靠作用距離大于1m的激光近炸引信，重點從探測機制的選擇、探測器的選擇、前置放大器的設計以及信號處理電路的設計研究設計了激光近炸引信的系統構成以及相應的激光近炸引信的探測裝置結構設計，確定出了相關的技術參數并設計出了相關的電路。

【關鍵詞】引信;激光近炸;探測器

引言

由于觸發引信有效地降低炮彈的威力，所以，現代戰爭中較為廣泛的使用近炸引信，它的作用是不需要接觸到目標就可以引爆戰斗部。經過近幾十年的發展，出現了許多種類的引信，近炸引信可以分為無線電近炸引信與光學近炸引信。光學近炸引信又包括紅外近炸引信與激光近炸引信[1]。激光近炸引信的接收系統接收的是激光信號。激光近炸引信是利用激光具有單色性和方向性較好的特點，可以將激光光束和探測場設計的很窄。它在指定距離內可以檢測目標，當導彈處在最佳爆炸點的位置時啟爆戰斗部。激光近炸引信探測脈沖窄、調制方便、抗干擾能力強、能精確探測目標距離和位置，具有引戰配合效率高和抗光電干擾能力突出等優點，特別適合現代戰爭中的精確打擊和電子對抗的特點[2]。

1.偽隨機碼激光引信系統組成

偽隨機碼激光引信系統是由偽隨機碼發生器、激光發射電路、激光接收電路、信號處理電路、發射和接收光學系統構成。偽隨機碼發生器用于產生所需要的偽碼信號，其經調制后獲得滿足激光器脈沖寬度要求的偽碼脈沖信號，經激勵電路激勵后驅動激光器發射編碼的激光脈沖，最后經發射光學系統對激光束進行準直或擴展后照射到目標。從目標反射的光學能量發射給目標光學系統，同時使濾光器的濾光和光束完成聚焦，激光接收器對光電轉換和信號進行預處理后，分別送入CPLD和FPGA芯片中。在CPLD中，通過對回波信號與本地碼信號的離散相關性判斷，并輸出相關度值傳送給FPGA信號處理系統，以此數據為依據在FPGA中判斷FPGA所做的相關性定距運算的有效性，從而實現引信抗干擾的功能。AD采集回波信號通過FPGA進行處理，完成相關性定距運算，在依據目標信號識別準則的前提下完成對目標的識別;在依據一定的目標方位識別準則的前提下完成對目標方位的判別。最終根據彈目交會角、交會速度等信息及引戰配合的要求，給出起爆指令[3]，如圖1所示：

圖1 偽隨機碼體制激光引信系統原理

2.發射系統

激光引信發射系統的目標是形成激光。發射系統由偽隨機碼產生電路、激勵電路和發射光學系統構成，偽隨機碼產生電路產生所要求的頻率和脈寬的偽碼信號;激勵電路將偽隨機碼產生電路輸出的信號進行激勵，使激光器發出所需要的頻率和能量的激光;激光器發出的激光經發射光學系統的準直或擴散，轉變為所需形式的光束向空間輻射，在空間形成所需要的探測物理場。為了提高激光引信的工作性能，激光器一定要有足夠的功率。由于激光器發射功率與發射激光脈沖寬度成反比，因此偽隨機碼序列需首先進行脈沖寬度調制，經激勵電路激勵后，再經激光器進行發射。調制頻率的大小應根據系統性能指標確定，以保證獲得系統所需的發射功率。按照系統的特性要求及激光器的選擇原則，可選用目前國內半導體激光器的主流器件——砷化鎵（GaAs）半導體激光器，它的額定輸出功率為數十瓦左右，脈沖占空比為千分之一，滿足系統高峰值功率和高脈沖占空比的要求[4]。為了使激光引信能探測較遠的目標，可選用摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）固體激光器，其屬于四能級系統，脈沖重復頻率大于1kHz，峰值功率大于。驅動激光器工作的激勵技術和提供激光器工作的直流電源技術是保證系統特性的另外兩個關鍵技術。一方面，因為所采用激光器的閾值電流一般為幾安培，工作電流為幾十安培，最大可達幾百安培，而調制后的信號一般在mA級，所以必須對調制后的信號加以激勵。同時，為了使工作點處于激光器輸出特性曲線的線性部分，使輸出的激光信號不失真，一般在加調制信號的同時加一適當的偏置電。最后，直流電源本身都存在內阻，直接流過數十安培的工作電流會使直流電源發熱很快燒毀。同時為保證激光器工作狀態正常，直流電源需要有很高的穩定度和很低的噪聲與紋波，所以也必須采取相關技術加以解決[5]。

3.接收系統

激光引信接收電路的作用是將接收的激光信號轉變為電信號，再經過后繼信號預處理電路將微弱的電信號變為后面FPGA等信號處理電路要求的具有一定幅值和信噪比的信號。其原理是光電探測器接收經接收光學系統的光學變換，并經通帶干涉濾光器濾波的目標反射的激光信號，將其轉換為電號。獲得的電信號經放大電路放大并與設定的雙閾值電路進行比較，只有介于閾值門內的信號才能通過，高于或低于閾值門的信號將被去除。對于偽隨機碼探測系統來說，對光電探測器的要求主要有高靈敏度、低噪聲、快速響應和光譜特性好幾點。靈敏度越高，意味著接收微弱信號的能力越強，從而作用距離越遠，而靈敏度正是以其所能接受的最小功率來衡量的。光電轉換器件是光探測器的核心。光電轉換器件可選用硅PIN型光電二極管，它是光伏效應的典型代表，它體積小、響應速度快、靈敏度高、噪聲小及線性工作范圍大，并且還可以直接暴露在陽光下而不受損。

4.光學系統

光學系統是激光引信的重要組成部分，分為發射光學系統和接收光學系統。綜合考慮技術實現的復雜性、綜合戰術技術性能、單機成本，本設計采用“激光平行光路小視場探測”模式。收發視場的光軸是平行的，且形成接收視場包容發射視場的狀態。發射視場和接收視場窗口用隔板隔開，防止發射光束直接進入接收系統。若目標出現在盲區，從目標反射回的回波信號將無法進入接收視場;當目標出現在模糊區時，目標有可能同時進入發射視場和接收視場，此時引信將探測到目標;當目標出現在啟動區時，由發射光學系統發射的激光束經目標反射后將進入接收視場，激光引信將探測到目標，在作用距離內，產生起爆信號。在光學系統中加入透鏡系統，使其與激光器及相應的固定支架一起構成獨立的激光發射裝置。其可以根據引信攻擊的目標及與目標接近姿態的不同，改變發射光束的發散角、波束寬度和截面積，而發射總功率基本保持不變，從而達到增加光輻射密度的目的。光源發散角越小，接收系統接收到的光功率越大，所以激光發射端可采用會聚透鏡來準直光束，一般發射視場角不大于2?。激光引信作用距離與光學接收器的有效通光直徑有關，加大通光孔徑會加大探測距離，但同時干擾信號也會增加，所以應根據探測靈敏度等要求綜合考慮光學接收器的有效通光直徑D，其大小一般與接收光學準直系統等效焦距相當。探測視場角大小的要求因激光引信戰技指標和攻擊對象的不同而有所不同。

5.信號處理電路

在探測系統獲取目標信號后，信號處理系統擔負著準確識別目標和抗干擾，對目標定距和方位判別等任務。信號處理電路主要任務是完成本地碼和回波信號的相關判別與計算，獲得引信與目標或背景的距離信息，同時依據目標和背景的特性實現目標的識別和方位的判斷。激光引信中，由于彈目以高速交會，則對引信信號處理系統的實時性要求很高，采用傳統的微分、積分等電路構成的模擬方式的信號處理方法難以完成復雜彈目交會條件下的目標識別及精確定距和抗干擾任務。

FPGA信號處理系統，必須經過預處理，以滿足FPGA芯片對輸入信號的要求。因此，首先需要對探測器輸出的信號經過放大器放大，以獲得所需頻率和幅值的信號，之后經比較器轉換成相應的電平信號。本設計中，相關性判斷部分在CPLD中完成，CPLD將輸出的相關度值直接送FPGA器件。同時利用A/D對回波信號進行采集，并將A/D轉換輸出信號加到FPGA的數據口， FPGA根據各路的回波幅值信息、回碼與本地碼的相關性信息及依據目標信號識別準則和方位識別準則，完成對目標的識別、距離的計算和方位的判斷，并依據引戰配合的要求輸出起爆信號。

6.結論

本論文選擇了基于偽隨機碼的激光探測體制并對其系統構成及工作原理作了詳細的闡述，偽隨機碼激光引信利用自身的自相關性來完成測距和抗干擾的性能，其尖銳的自相關性可有效去除作用距離以外和作用距離內的干擾信號，大大提高激光引信的抗干擾能力。

參考文獻

[1]安曉紅，顧強.引信設計與應用[M].北京：國防工業出版社，2006-6-1：3.

[2]李玉清.近20年來國外導彈音信技術研究與發展概況[J].指導與引信，2002，23（3）：1-8.

[3]孔有發.國外激光引信的現狀及其發展趨勢[J].現代引信，1992，4：41-46.

[4]閆曉鵬，栗蘋，陳慧敏，賈瑞麗.偽隨機碼激光引信探測系統設計[J].光學技術，2008（34）增刊：292-296.