脉冲激光引信信号处理技术研究

第25卷　第3期2005年3月北京理工大学学报T ran sacti on s of Beijing In stitu te of T echno logyV o l .25　N o.3M ar .2005 文章编号:100120645(2005)0320248204脉冲激光引信信号处理技术研究魏素娟,　邓甲昊,　姚秀娟(北京理工大学机电工程学院,北京　100081)摘　要:分析了六象限脉冲激光引信的工作原理,以直升机为目标,建立了识别直升机旋翼和机身目标信号的识别准则Ζ分析了对信号进行预处理的必要性及信号预处理电路的功能,用D SP 硬件和软件实现了在复杂环境下判断有无目标以及当有目标时判断目标的距离与方位,给出了相应信号处理的软件流程Ζ实验结果表明,用D SP 技术实现脉冲激光引信信号处理是可行的Ζ关键词:激光引信;信号处理;反直升机激光引信;D SP 应用中图分类号:TJ 43912 文献标识码:AStudy on the Signal Processi ng Techn ique of Laser FuzesW E I Su 2juan ,　D EN G J ia 2hao ,　YAO X iu 2juan(Schoo l of M echatron ics Engineering ,Beijing In stitu te of T echno logy ,Beijing 100081,Ch ina )Abstract :T he op erati on p rinci p le of laser fuzes w ith six 2quadran t detecto r is analyzed .T ak ing a helicop ter as the target ,the ro to r 2iden tificati on criteria of ro to rcrafts are set up .Signal p re 2p rocessing and the functi on of the related circu it are analyzed .U nder the com p licatedcircum stance ,target iden tificati on and target distance and azi m u th esti m ati on are realized w ith the help of a D SP .T he flow chart of the signal p rocessing p rogram is given .T he feasib ility of the m ethod is p roved by exp eri m en tal test resu lts .Key words :laser fuzes ;signal p rocessing ;an ti 2helicop ter laser fuze ;D SP收稿日期:20040512作者简介:魏素娟(1962-),女,博士生,E 2m ail :w eisujuan @bit .edu .cn ;邓甲昊(1958-),男,教授,博士生导师Ζ 与无线电体制、红外体制的引信相比,激光引信具有定距精度高、抗电磁干扰能力强等优点,因而在国内外得到广泛研究和应用Ζ针对不同的目标特性,引信需要不同的信号处理方法,对于脉冲激光引信,一般采用分析目标反射激光脉冲的个数和幅值来判定目标的类型和距离,当判断出是特定目标,并在一定的距离范围之内时,产生起爆信号[1,2]Ζ因为直升机外型复杂、反射激光信号的部位多,增加了目标信号识别和处理的难度,为此作者研究了目标为直升机时,脉冲激光引信对目标信号的识别、目标信号的提取和对信号进行处理的方法,并用D SP 芯片和相应软件程序实现了对目标信号的处理Ζ1　系统构成与工作原理激光引信系统结构如图1所示Ζ系统主要由六路激光发射、六路激光接收和D SP 信号处理三部分组成,其基本工作原理是:基准信号发生器产生周期为640n s 、脉宽为80n s 的基准电脉冲信号,发射电路和发射光学系统将此电脉冲信号变为激光脉冲信号,并将其轮流发送到位于图1　激光引信系统结构图F ig .1　Structure fram e of laser fuze system弹体上六个不同方位(象限)的激光探头Ζ基准信号及六探头对应的六个支路中脉冲信号波形如图2所示Ζ图2　脉冲信号时序F ig .2　T i m e sequence of laser pulse激光探头发出的激光脉冲信号遇到不同的目标时,接收激光探头将收到目标反射的不同幅度、不同个数的激光脉冲,接收光学系统和接收电路将激光脉冲变为对应大小和宽度的电脉冲信号,D SP 根据这些脉冲信号的特点判断是否为目标并得到目标的距离、方位信息,然后将信号处理结果送给执行级以引爆战斗部Ζ作者主要研究激光引信系统中的D SP 信号处理部分Ζ2　信号处理信号处理部分包括对目标信号特征分析、信号的预处理、对直升机目标机身机翼信号的判别及信号处理的软硬件实现Ζ211　目标信号特征分析不同工作体制的引信利用目标不同的特性,脉冲激光引信利用目标外部形状对激光脉冲的反射特性实现对目标的识别Ζ当目标是直升机时,直升机可反射激光的主要部分有机身(含机尾)和机翼,对于桨叶旋转直径为10m 左右的典型直升机[3,4],在弹目交会过程中,六路激光束(每相邻两束间夹角为60°)中只能有相邻两束(至多三束)能扫到机身或旋翼Ζ通过对各种弹目交会位置进行分析,得到直升机目标信号识别准则如表1所示Ζ表1　直升机目标识别准则Tab.1　Rule of d isti nguish i ng helicopter 信号路数第一支路特点U 1第二支路特点U 2第三支路特点U 3目标方位区域Y 1&Y 2Y 1&Y 2N one D 1D 22Y 1&Y 2‖Y 3Y 1&S 2N one D 5S 1N one D 1Y 1&S 2‖Y 3Y 1&S 2‖Y 3N oneD 1D 2Y 1&Y 2S 1Y 1&Y 2D 1D 23Y 1&Y 2‖Y 3S 1Y 1‖Y 2‖Y 3D 6Y 1&S 2‖Y 3S 1Y 1&S 2‖Y 3D 1D 2Y 1&S 2‖Y 3S 1D 11表中:Y n ,S n (n =1,2,3)分别是激光束扫到旋翼和机身后的反射信号;U n 表示第n 个探测支路;D n 表示目标方位区域,D n 与U n 的位置关系如图3所示ΖD 1D 2表示目标位于D 1D 2的中心;符号“&”和“‖”分别表示前后两信号是“与”或“或”的关系;N one 表示无目标反射信号Ζ例如:U 1∶Y 1&S 2‖Y 3表示第一个接收到目标信号的支路先探测到一个机翼信号,然后探测到一个机身信号,之后可能探测到另一个机翼信号,也可能探测不到任何信号Ζ当接收电路收到的反射激光脉冲信号属于准则中某一类时,说明激光引信探测到一个直升飞机目标Ζ图3　目标方位区域划分图F ig .3　R egi ons of the target azi m uth212　信号的预处理当有目标时,激光接收探头收到目标反射的激光脉冲信号,此信号经接收电路放大后电压高低不一,高电压远远超过D SP 芯片要求范围,所以必须进行信号预处理[5]Ζ预处理具有距离选通、电压限幅、抗背景干扰的功能,实现这些功能的信号预处理原理电路图如图4所示,此电路具有如下功能Ζ①抗自然环境干扰　其基本原理为:V 2为门限电平,V i 为接收到的目标反射波对应的电压信号,当V i ≥V 2时,V 0为高电平,否则,V 0为低电平Ζ所以当背景干扰信号电压小于V 2时,比较器无输出,电942　第3期魏素娟等:脉冲激光引信信号处理技术研究图4　信号预处理原理电路F ig .4　P rinci p le circuit of signal p re _p rocessing图5　目标信号识别程序流程图F ig .5　F low chart of the p rogram about distinguish ing the target路起到去噪声抗干扰的目的Ζ②距离选通　若引信的最大作用距离为d m ,设距离引信为d m 的物体反射的信号在预处理电路输入端产生的电压V i =V s ,那么若将门限电平V 2设定为V s ,当目标与引信之间距离小于d m 时,目标反射信号对应电压将大于V s =V 2,这使得预处理电路输出恒为高电平而达到距离选通的目的Ζ③限制输入电压　预处理电路所用芯片的电源电压为V cc ,当输入电压超过V cc 时,二极管D 1导通形成泄放电路,以起到限制输入电压、保护芯片的作用Ζ213　机身、机翼信号判别基准信号发生器和信号发射系统使每个激光探头发出周期为3184Λs 、脉宽为80n s 的激光脉冲(如图2所示),此激光信号若入射到机身或机翼,在相应的激光接收回路将产生同样周期和宽度的反射脉冲信号Ζ对于典型直升机,当激光信号入射到机翼时,对应于接收电路接收到200～310个反射脉冲信号;当激光信号入射到机身时,对应于接收电路接收到约2100个反射脉冲信号Ζ但考虑到激光脉冲遇到飞机时,可能会丢失一些目标反射信号,因此假设允许连续丢掉和总共丢掉的反射脉冲个数分别为3和10,即接收电路收到的不连续的脉冲个数总和为190～300,且每次不连续点丢掉的脉冲个数不超过3时,就认为是飞机机翼,用同样的方法可以判断机身信号;而且根据表1所示的目标识别准则,当六个激光探头中的相邻两个或三个同时接收到机身或机翼信号时才能确定为真正目标,然后再根据收到信号的激光探头所在象限,判断目标的方位Ζ总之,根据收到脉冲个数判断有无目标;根据第几象限探头收到信号判断目标方位Ζ214　软件实现根据目标信号识别准则,以及对机身、机翼信号判别过程,可以编制引信的信号处理软件Ζ21411　软件流程本软件以发射电路的基准信号作为TM S 320C 6201D SP 芯片[6,7]I N T 4端的中断申请信号Ζ给引信电路通电、复位后,主程序进入循环等待状态,只要发射电路发出一个激光脉冲,此脉冲就通过I N T 4产生一个中断,主程序检测到I N T 4中断申请后转入中断程序,在中断程序中实现对六路输入端的采样,并对采样信号进行处理以判断是否为目标和目标的方位,其采样和判断过程对应的中断服务程序流程如图5所示Ζ052北京理工大学学报第25卷　21412　软件说明当D SP芯片的I N T4端有输入信号时,主程序由循环等待状态转入执行中断服务子程序,子程序具有对目标信号的采集和识别功能Ζ在子程序中,每支路分别对应一个coun t i计数器、一个c i计数器、一个B i计数器,其中coun t i计数器用于记录本路采到高电平的个数,个数在190～300则认为采到机翼信号,个数在2100左右则认为采到机身信号Ζc i计数器记录本路开始接收目标信号后漏掉的脉冲个数ΖB i计数器记录本支路是否采到机身或机翼信号Ζ有一个S寄存器和一个Y寄存器,S和Y的六个码位分别对应六个支路,某支路有机身信号时,S寄存器的相应码位置为1,某支路有机翼信号时,Y寄存器的相应码位置为1Ζ当有两个以上支路收到机翼或机身信号,并且收到信号的支路是相邻支路时,则认为目标是直升机,并根据S和Y中第几位是1,判断目标位置Ζ3　结束语针对六象限脉冲激光引信工作原理和直升机外形特点,作者分析了应用于脉冲激光引信的直升机目标信号识别准则,用TM S320C6201D SP芯片及相应的软件程序实现了对信号的采样、对采样信号的分析、判断有无目标和有目标时判断目标方位,用六路发光二极管代表目标信号所对应的支路数,显示D SP信号处理结果Ζ实验结果表明了目标信号分析及对机身机翼信号判别方法的正确性,以及用D SP芯片实现六象限脉冲激光引信信号处理的可行性Ζ参考文献:[1]　马宝华.战争、技术与引信[Z].中国宇航学会特种装备委员会第十次学术交流会,北京,2001.M a Baohua.W ar,techno logy and fuze[Z].T heT en th A cadem ia In tercomm un i on M eeting of Special Equ i pm en t Comm ittee of Ch inese Space N avigati onA cadem y,Beijing,2001.(in Ch inese)[2]　崔占忠.近炸引信原理[M].北京:北京理工大学出版社,1998.Cu i Zhanzhong.P rox i m ity fuze theo ry[M].Beijing:Beijing In stitu te of T echno logy P ress,1998.(in Ch inese)[3]　张　彤,邓甲昊.用D SP技术识别直升机旋翼信号的研究[Z].第十界宇航年会,北京,1999.Zhang Tong,D eng J iahao.Study on the ro to r_recogn izing of the helicop ter by u sing D SP[Z].T heT en th Space N avigati on A nnual M eeting,Beijing,1999.(in Ch 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