火控系統(tǒng)高精度激光測距回波模擬器

楊成禹，完文韜

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

火控系統(tǒng)高精度激光測距回波模擬器

楊成禹，完文韜

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

為了給武器火控系統(tǒng)的脈沖激光測距設備提供高精度和穩(wěn)定的光激勵信號，以便完成實驗室條件下的距離性能測試實驗，采用ARM9+FPGA嵌入式系統(tǒng)作為控制平臺。控制平臺的粗定時和精定時兩個模塊串行工作，精定時模塊使用距離門控電路對粗定時的最后一個周期運用游標原理進行細分，實現了武器火控系統(tǒng)高精度的脈沖激光飛行模擬。激光回波模擬器接收到火控系統(tǒng)的觸發(fā)信號后，能夠在規(guī)定的時間內返回24.6km距離內的激光回波模擬信號，系統(tǒng)精度可達0.25m。

激光測距；火控系統(tǒng)；激光回波模擬；距離門控電路；飛行時間

激光測距技術作為現代軍事偵察和距離測量的重要技術之一，對陸地武器的精確打擊、提高中近程攻擊的命中精度、海上作戰(zhàn)和防空等方面有著關鍵作用［1］。武器火控系統(tǒng)激光測距使用真實地面物體作為測距目標，接收從目標反射的激光回波進行性能測試。這需要在武器火控系統(tǒng)激光測距設備有效測程內提供可任意變化的且可精確標定的距離作為測距目標，實現起來非常困難［2，3］。

脈沖測距根據發(fā)射一個脈沖到接收該脈沖的時間來計算距離，主要用于遠距離測量，如天體、靶場試驗、大地測量等，精度可達到1m［4］。脈沖計數法是高分辨測時最簡單、有效的方法，這種方法具有測量范圍大、線性好的優(yōu)點，但是測時分辨率較低。模擬內插法如時間轉化法［5］和雙擴展內插法［6］可以實現高分辨率，但測量過程耗時較長，且易受系統(tǒng)噪聲影響［7］。

激光回波模擬器接收激光測距儀發(fā)射的激光，經過電控系統(tǒng)設定的延時后，產生一定強度和脈寬的激光脈沖，輸入到激光測距儀［8］。激光回波模擬器能覆蓋激光測距儀的全部測程，提高測試的易操作性和精確性，同時減小目標及環(huán)境條件對測試的影響。可在室內給激光測距儀提供可調的光信號激勵，對測距儀的靈敏度、距離分辨率以及測距精度等性能參數進行測試，實現了對激光測距儀非接觸、無損傷的性能測試［9］。

1 武器火控系統(tǒng)激光測距原理

從一個固定的位置向目標發(fā)射一個激光脈沖，激光脈沖會經目標反射，一小部分會回到脈沖的發(fā)出點。稱激光發(fā)射點為測距點，把這一小部分返回到測距點的激光脈沖稱為激光回波，激光回波會被安裝在測距點的光電探測器接收。設測距點到目標的距離為L，激光脈沖往返于測距點和目標的時間為T，能得到如下公式：

式中，C為光速，C=3×108m/s。所以，模擬距離和激光飛行時間成正比關系。

激光脈沖模擬精度ΔL可以表示為：

式中，ΔT為時間間隔測量模塊的測時精度，它直接決定了脈沖激光測距系統(tǒng)的測距精度ΔL。

2 激光回波模擬器的功能與組成

火控系統(tǒng)高精度激光回波模擬器的結構如圖1所示，激光回波模擬器由光學系統(tǒng)和電控系統(tǒng)兩部分組成。光學系統(tǒng)由激光發(fā)射光學組件和激光接收光學組件構成。光學組件包括透鏡組和衰減片，完成火控系統(tǒng)脈沖激光發(fā)射的激光到激光接收模塊的光學匹配，以及激光發(fā)射模塊發(fā)射的激光到火控系統(tǒng)的光學匹配。激光發(fā)射電路模塊采用1.06μm波長的發(fā)光二極管；激光接收電路模塊采用雪崩二極管探測器。電控系統(tǒng)包括：激光接收電路、上位機、嵌入式系統(tǒng)、延時控制和發(fā)射觸發(fā)電路、激光發(fā)射電路。電控系統(tǒng)采用ARM9（S3C2440）+FPGA（XC2V40）的硬件處理平臺，完成信號處理。

圖1 激光回波模擬器的結構圖

激光測距回波模擬器接收由被測火控系統(tǒng)激光器發(fā)射的一個激光脈沖。該激光脈沖經過激光模擬器的激光接收光學組件，激光接收電路模塊，完成光信號到電信號的轉變，并完成電信號的放大、濾波、整形等信號調理。調理后的電信號觸發(fā)FPGA構成的延時控制模塊工作，預先設置的延時時間一到，FPGA就產生標準脈沖使激光發(fā)射電路發(fā)出激光回波脈沖。激光回波經過激光回波模擬器的激光發(fā)射光學組件，產生激光回波脈沖返回到武器火控系統(tǒng)的接收端。

3 關鍵技術的實現

如前所述，測時精度直接影響激光回波模擬器的精度，故延時控制模塊是激光回波模擬器的關鍵。延時控制由XC2V40實現，它包括鎖相環(huán)倍頻和邏輯門門級延時兩部分。對鎖相環(huán)倍頻周期信號的計數實現高精度定時；利用邏輯門門級延時對高精度定時信號進行細分，實現更高精度定時。邏輯門門級延時對鎖相環(huán)倍頻周期信號的最后一個周期進行細分，得到激光回波模擬器的延時時間控制。

3.1 鎖相環(huán)倍頻技術

XC2V40外接50MHz的時鐘晶振，內部的鎖相環(huán)倍頻電路經過八倍頻得到400MHz的系統(tǒng)時鐘。系統(tǒng)采用16位二進制計數器，對400MHz的系統(tǒng)時鐘進行計數，一個周期計數的時間為2.5ns，最大時間測量范圍為163.84μs，最大激光脈沖的模擬飛行距離是24.6km。一個周期折合到激光脈沖的飛行距離是0.375m，這個精度對于高精度的武器火控系統(tǒng)的檢測并不能滿足要求，需要采用精密定時技術，對粗定時的時間周期進行細分。

3.2 邏輯門門級延時技術

邏輯門門級延時電路是利用脈沖信號通過電路內部門電路的傳播延遲來實現高精度時間間隔測量的。在電路中每個邏輯門的傳輸延遲時間都是相同的固定值，觸發(fā)脈沖信號進入延遲系統(tǒng)后，沿著電路傳遞。當激光回波脈沖信號到來時，觸發(fā)脈沖信號已經經過若干個邏輯門，通過計算觸發(fā)脈沖信號在延時電路中通過的邏輯門的個數，就可以精確計算出時間間隔。

邏輯門門級延時由譯碼器、八個非門、八個與門、一個八輸入或門和連線組成，如圖2所示。輸入信號由trig端經過非門、與門和八輸入或門分成八路到達八輸入或門輸出端，構成第八級延時邏輯電路。根據激光模擬器需要模擬的距離，在譯碼器的輸入端A、B和C輸入相應的編碼值0～7中的一個，則編碼器的輸出端D0～D7輸出一個低電平和七個高電平。這八個信號分別連接到與門的輸入端，高電平將與門鎖定并輸出低電平，只有低電平的信號將與門打開，輸出取決于與門的另一個輸入端。

圖2 精密定時邏輯電路

粗定時最后一個周期結束時，系統(tǒng)在精定時的trig端產生一個上跳沿觸發(fā)信號，經過邏輯非門和與門依次進入八輸入或門的八個輸入端。這時八個與門只有一個被選通，并在這個與門的輸出端產生一個上跳信號，進入八或門的輸入端，并在八或門的out輸出端產生一個上跳信號，即為激光模擬器的延時信號，此信號驅動激光發(fā)射電路并輸出激光回波。例如在D3_8E的輸入端口A、B和C端輸入011B，則D3_8E的輸出端的第四個引腳上產生低電平，其余的輸出端均產生高電平，所以只有第四個雙輸入與門保持開通狀態(tài)，其余七個雙輸入與門保持截止狀態(tài)。當trig端出現一個上跳沿觸發(fā)信號時，trig信號經過四個非門和第四個雙輸入與門到達輸出端out。其余的信號通路處于截止狀態(tài)，從而實現信號走不同的通路，完成精確時間的產生。

精密定時的門級延時時間為0.347ns，線級延時時間為0.605ns，由邏輯圖可以分別計算出每一個級別的延時時間。第一級邏輯電路從觸發(fā)端到輸出端，經過三個邏輯門兩級延時，線延時時間為2.251ns；第二級邏輯電路從觸發(fā)端到輸出端，經過四個邏輯門三級延時，線延時時間為3.023ns。同理，可計算出3～8級的邏輯延時時間，如表1所示。

表1 精密定時延時時間

從上表可知，八級的邏輯延時時間從2.251ns單調增加到8.915ns。前面提到了計數器一個周期計數的時間為2.5ns，折合到激光脈沖的飛行距離是0.375m，但是該精度仍不能滿足要求。運用游標原理進行細分，對上面得到的八個延時結果取2.5ns的余數，得到八個小于2.5ns的時間值，并從小到大排序。以0～2.5ns為一個單位，進行八級邏輯插入得到九個時間間隔，最大的時間間隔是0.356ns。

圖3 游標定時原理圖

火控檢測系統(tǒng)的上位機將需要模擬的距離參數通過異步串行通訊口發(fā)送到S3C2440。S3C2440對得到的距離參數進行解算，得到粗定時的計數值和精定時的控制編碼，并通過置數緩沖模塊送到XC2V40，XC2V40把數據處理完成后給S3C2440反饋信號，告知S3C2440參數裝定完畢。之后S3C2440通過異步串行通訊口給上位機發(fā)送反饋信息，告知火控檢測系統(tǒng)可以進行一次測試。

4 實驗結果及誤差分析

4.1 實驗數據測試

通過上位機的異步串行通訊口，分別對3km，5km，7km三種距離進行數據測試。激光回波模擬器裝定參數完畢后，告知武器火控系統(tǒng)可以發(fā)送激光脈沖觸發(fā)信號，激光回波模擬器檢測到脈沖觸發(fā)信號后立即開始工作，并在規(guī)定時間內返回激光回波，得到測試數據如表2所示。

表2 裝定參數后的實測數據

從測試結果可以看出，實際測試值與裝定值有偏差，這是由于系統(tǒng)本身的各個模塊的誤差綜合作用的結果。

4.2 誤差分析

系統(tǒng)時鐘的石英晶體振蕩器頻率主要受溫漂、零漂等因素的影響，最大抖動誤差0.5ns。選擇響應時間小的雪崩二極管探測器，其響應曲線的上升時間可以達到2ns，其波動值可以控制在0.8ns以內。應答光源的響應時間波動是影響激光回波模擬器距離模擬精度的主要因素，這主要是由發(fā)射管本身特性所決定的，光源驅動電路的固定延遲時間在30ns附近，隨機波動時間誤差可控制在0.8ns～1.0ns之間。光電信號在空間或線路中傳播時因為各介質折射率在不同條件下會有所變化，所以光電信號的傳播時間會有波動。這個傳播時間也很短，其波動值可控制在0.8ns以內。系統(tǒng)總誤差為

5 結論

激光測距回波模擬器提供給火控系統(tǒng)高精度的標定距離，使其在實驗室條件下能夠像在野外正常測距使用時一樣獲得精確、穩(wěn)定且實時可調的目標距離。通過高精度時間間隔測量裝置，對所設計的激光距離模擬源進行實驗測定，證明距離模擬源提供的模擬距離值符合理論分析，其絕對誤差小于0.25m。

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High Accuracy Laser Echo Simulation of Fire Control System

YANG Chengyu，WAN Wentao
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In order to provide high precision and stable optical signal for the pulsed laser ranging device of the fire control system，the test distance performance under laboratory conditions was completed.ARM9+FPGA embedded system was used as the control platform；coarse timing module and precision timing module of the FPGA were kept in serial work；the pulse laser Timeof-flight Distance of the fire control system was realized.The range-gate control circuit for coarse timing of the last cycle in precision timing module was adopted by using vernier principle，so the high precision timing can be realized.The laser echo simulator

the triggering signal of fire control system，the laser echo simulation within 24.6km distance can be returned on time，the accuracy can reach 0.25m.

laser ranging；fire control system；laser echo simulation；range-gate control circuit；time-of-flight

TN249

A

1672-9870（2017）04-0019-04

2017-05-21

楊成禹（1972-），男，博士，講師，E-mail：125592246@qq.