伪随机码近炸引信激光探测技术研究
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【摘要】本文设计了一种以巡航导弹为目标，可靠作用距离大于1m的激光近炸引信，重点从探测机制的选择、探测器的选择、前置放大器的设计以及信号处理电路的设计研究设计了激光近炸引信的系统构成以及相应的激光近炸引信的探测装置结构设计，确定出了相关的技术参数并设计出了相关的电路。
【关键词】引信;激光近炸;探测器
引言
由于触发引信有效地降低炮弹的威力，所以，现代战争中较为广泛的使用近炸引信，它的作用是不需要接触到目标就可以引爆战斗部。经过近几十年的发展，出现了许多种类的引信，近炸引信可以分为无线电近炸引信与光学近炸引信。光学近炸引信又包括红外近炸引信与激光近炸引信[1]。激光近炸引信的接收系统接收的是激光信号。激光近炸引信是利用激光具有单色性和方向性较好的特点，可以将激光光束和探测场设计的很窄。它在指定距离内可以检测目标，当导弹处在最佳爆炸点的位置时启爆战斗部。激光近炸引信探测脉冲窄、调制方便、抗干扰能力强、能精确探测目标距离和位置，具有引战配合效率高和抗光电干扰能力突出等优点，特别适合现代战争中的精确打击和电子对抗的特点[2]。
伪随机码激光引信系统是由伪随机码发生器、激光发射电路、激光接收电路、信号处理电路、发射和接收光学系统构成。伪随机码发生器用于产生所需要的伪码信号，其经调制后获得满足激光器脉冲宽度要求的伪码脉冲信号，经激励电路激励后驱动激光器发射编码的激光脉冲，最后经发射光学系统对激光束进行准直或扩展后照射到目标。从目标反射的光学能量发射给目标光学系统，同时使滤光器的滤光和光束完成聚焦，激光接收器对光电转换和信号进行预处理后，分别送入CPLD和FPGA芯片中。在CPLD中，通过对回波信号与本地码信号的离散相关性判断，并输出相关度值传送给FPGA信号处理系统，以此数据为依据在FPGA中判断FPGA所做的相关性定距运算的有效性，从而实现引信抗干扰的功能。AD采集回波信号通过FPGA进行处理，完成相关性定距运算，在依据目标信号识别准则的前提下完成对目标的识别;在依据一定的目标方位识别准则的前提下完成对目标方位的判别。最终根据弹目交会角、交会速度等信息及引战配合的要求，给出起爆指令[3]，如图1所示：
图1 伪随机码体制激光引信系统原理
2.发射系统
激光引信发射系统的目标是形成激光。发射系统由伪随机码产生电路、激励电路和发射光学系统构成，伪随机码产生电路产生所要求的频率和脉宽的伪码信号;激励电路将伪随机码产生电路输出的信号进行激励，使激光器发出所需要的频率和能量的激光;激光器发出的激光经发射光学系统的准直或扩散，转变为所需形式的光束向空间辐射，在空间形成所需要的探测物理场。为了提高激光引信的工作性能，激光器一定要有足够的功率。由于激光器发射功率与发射激光脉冲宽度成反比，因此伪随机码序列需首先进行脉冲宽度调制，经激励电路激励后，再经激光器进行发射。调制频率的大小应根据系统性能指标确定，以保证获得系统所需的发射功率。按照系统的特性要求及激光器的选择原则，可选用目前国内半导体激光器的主流器件――砷化镓（GaAs）半导体激光器，它的额定输出功率为数十瓦左右，脉冲占空比为千分之一，满足系统高峰值功率和高脉冲占空比的要求[4]。为了使激光引信能探测较远的目标，可选用掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）固体激光器，其属于四能级系统，脉冲重复频率大于1kHz，峰值功率大于。驱动激光器工作的激励技术和提供激光器工作的直流电源技术是保证系统特性的另外两个关键技术。一方面，因为所采用激光器的阈值电流一般为几安培，工作电流为几十安培，最大可达几百安培，而调制后的信号一般在mA级，所以必须对调制后的信号加以激励。同时，为了使工作点处于激光器输出特性曲线的线性部分，使输出的激光信号不失真，一般在加调制信号的同时加一适当的偏置电。最后，直流电源本身都存在内阻，直接流过数十安培的工作电流会使直流电源发热很快烧毁。同时为保证激光器工作状态正常，直流电源需要有很高的稳定度和很低的噪声与纹波，所以也必须采取相关技术加以解决[5]。
3.接收系统
激光引信接收电路的作用是将接收的激光信号转变为电信号，再经过后继信号预处理电路将微弱的电信号变为后面FPGA等信号处理电路要求的具有一定幅值和信噪比的信号。其原理是光电探测器接收经接收光学系统的光学变换，并经通带干涉滤光器滤波的目标反射的激光信号，将其转换为电号。获得的电信号经放大电路放大并与设定的双阈值电路进行比较，只有介于阈值门内的信号才能通过，高于或低于阈值门的信号将被去除。对于伪随机码探测系统来说，对光电探测器的要求主要有高灵敏度、低噪声、快速响应和光谱特性好几点。灵敏度越高，意味着接收微弱信号的能力越强，从而作用距离越远，而灵敏度正是以其所能接受的最小功率来衡量的。光电转换器件是光探测器的核心。光电转换器件可选用硅PIN型光电二极管，它是光伏效应的典型代表，它体积小、响应速度快、灵敏度高、噪声小及线性工作范围大，并且还可以直接暴露在阳光下而不受损。
4.光学系统
光学系统是激光引信的重要组成部分，分为发射光学系统和接收光学系统。综合考虑技术实现的复杂性、综合战术技术性能、单机成本，本设计采用“激光平行光路小视场探测”模式。收发视场的光轴是平行的，且形成接收视场包容发射视场的状态。发射视场和接收视场窗口用隔板隔开，防止发射光束直接进入接收系统。若目标出现在盲区，从目标反射回的回波信号将无法进入接收视场;当目标出现在模糊区时，目标有可能同时进入发射视场和接收视场，此时引信将探测到目标;当目标出现在启动区时，由发射光学系统发射的激光束经目标反射后将进入接收视场，激光引信将探测到目标，在作用距离内，产生起爆信号。在光学系统中加入透镜系统，使其与激光器及相应的固定支架一起构成独立的激光发射装置。其可以根据引信攻击的目标及与目标接近姿态的不同，改变发射光束的发散角、波束宽度和截面积，而发射总功率基本保持不变，从而达到增加光辐射密度的目的。光源发散角越小，接收系统接收到的光功率越大，所以激光发射端可采用会聚透镜来准直光束，一般发射视场角不大于2?。激光引信作用距离与光学接收器的有效通光直径有关，加大通光孔径会加大探测距离，但同时干扰信号也会增加，所以应根据探测灵敏度等要求综合考虑光学接收器的有效通光直径D，其大小一般与接收光学准直系统等效焦距相当。探测视场角大小的要求因激光引信战技指标和攻击对象的不同而有所不同。
5.信号处理电路
在探测系统获取目标信号后，信号处理系统担负着准确识别目标和抗干扰，对目标定距和方位判别等任务。信号处理电路主要任务是完成本地码和回波信号的相关判别与计算，获得引信与目标或背景的距离信息，同时依据目标和背景的特性实现目标的识别和方位的判断。激光引信中，由于弹目以高速交会，则对引信信号处理系统的实时性要求很高，采用传统的微分、积分等电路构成的模拟方式的信号处理方法难以完成复杂弹目交会条件下的目标识别及精确定距和抗干扰任务。
FPGA信号处理系统，必须经过预处理，以满足FPGA芯片对输入信号的要求。因此，首先需要对探测器输出的信号经过放大器放大，以获得所需频率和幅值的信号，之后经比较器转换成相应的电平信号。本设计中，相关性判断部分在CPLD中完成，CPLD将输出的相关度值直接送FPGA器件。同时利用A/D对回波信号进行采集，并将A/D转换输出信号加到FPGA的数据口， FPGA根据各路的回波幅值信息、回码与本地码的相关性信息及依据目标信号识别准则和方位识别准则，完成对目标的识别、距离的计算和方位的判断，并依据引战配合的要求输出起爆信号。
6.结论
本论文选择了基于伪随机码的激光探测体制并对其系统构成及工作原理作了详细的阐述，伪随机码激光引信利用自身的自相关性来完成测距和抗干扰的性能，其尖锐的自相关性可有效去除作用距离以外和作用距离内的干扰信号，大大提高激光引信的抗干扰能力。
参考文献
[1]安晓红，顾强.引信设计与应用[M].北京：国防工业出版社，2006-6-1：3.
[2]李玉清.近20年来国外导弹音信技术研究与发展概况[J].指导与引信，2002，23（3）：1-8.
[3]孔有发.国外激光引信的现状及其发展趋势[J].现代引信，1992，4：41-46.
[4]闫晓鹏，栗苹，陈慧敏，贾瑞丽.伪随机码激光引信探测系统设计[J].光学技术，2008（34）增刊：292-296.