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小型化激光近炸引信技术研究

归档日期:06-29       文本归类:激光近炸引信      文章编辑:爱尚语录

  第32卷第10 ACTAARMAMENTARII Vol. 32 10Oct. 2011 小型化激光近炸引信技术研究 顾国华,何伟基 (南京理工大学 近程高速目标探测技术国防重点学科实验室, 江苏 南京 210094) 摘要:小型化是激光近炸引信的关键技术和发展趋势。 从激光近炸引信的工作原理出发,分 别从引信体制选择、光电探测器选取、光学结构、电路系统4 个方面研究了小型化的设计要求并提 出了设计方案:采用距离选通与脉冲激光测距相结合的定距体制、雪崩光电二极管光电探测、接收 光学系统内嵌发射光学系统的光学结构以及基于 ARM 核微控制器和时间数字转换器的电路系 将设计方案付诸实施,静态实验测试结果表明:系统具备小尺寸、低功耗、高精度、一定抗干扰能力的特性,符合激光近炸引信的小型化设计需求。 关键词:光学; 激光近炸引信; 小型化; 雪崩光电二极管; 高精度; 抗干扰性 中图分类号:TJ439郾 文章编号:1000鄄1093(2011)10鄄1212鄄05 Research LaserProximity Fuze XU Wei, CHEN Qian, GU Guo鄄hua, HE Wei鄄ji (Ministerial Key Laboratory JGMT,Nanjing University Technology,Nanjing 210094, Jiangsu, China) Abstract: Miniaturization keytechnology developmenttrend laserproximity fuze. Based operatingprinciple laserproximity fuze, miniaturizeddesign requirements were discussed, cludingfuze system, photodetector selection, optical structure electricalsystem, designsolu鄄 tions were presented: fuze system which initiates fixeddistance based rangegating pulsedla鄄 ser rangefinding, avalanche photodiode(APD) signal detecting, optical structure transmissionoptical system receivingoptical system, circuitrybased ARMcore MCU time鄄to鄄digitalconverter(TDC). staticexperimental results show fuzesystem has small size, low power consumption, high precision anti鄄interferencecapabili鄄 ty, canmeet miniaturizeddesign requirements laserproximity fuze. Key words: optics; laser proximity fuze; miniaturization; avalanche photodiode; high precision; anti鄄in鄄 terference 收稿日期:2010 -09 -14 基金项目: 武器装备预先研究项目(4040508011) 作者简介: 徐伟(1985—), 博士研究生。E鄄mail: xw. nust@ yahoo. com. cn; 陈钱(1964—), 教授,博士研究生导师。 E鄄mail:chenq@ mail. njust. edu. cn 引言现代弹药系统中普遍使用各种近炸引信,近炸 引信能够大大提高弹药的毁伤能力。 激光近炸引信 是伴随着激光技术、激光器件的发展而出现的一种 近炸引信 随着激光近炸引信技术的成熟并在各种导弹(对空、对地、对舰导弹)的投入使用,现正 向功能简单的常规小口径弹药发展的趋势,如小口 径防空弹药、要求空炸的小口径榴弹等。 国外在激 光近炸引信的小型化技术方面已经进行了大量的研 究,并有多种型号产品投入使用,如挪威 NF2000M 和PX581 两种迫弹激光近炸引信 小型化激光近炸引信技术研究本文从激光近炸引信的工作原理出发,在引信 体制选择、光电探测器选取、光学结构和电路系统 个方面讨论了小型化设计要求并给出了设计方案,在保证引信体积和结构的情况下,实现了引信定 距精度高、具有一定抗干扰性的功能。 引信体制选择激光近炸引信按其工作原理分为主动式激光引 信和半主动式激光引信两类。 由于半主动式激光引 信需要增加设备、人员管理及导弹发射后还需要照 射目标等方面的原因,一般很少应用。 主动式激光 近炸引信主要包括几何距离截断定距体制、伪随机 编码定距体制、距离选通定距体制、脉冲鉴相定距体 制和脉冲激光测距定距体制 几何距离截断定距体制一般用于全向探测激光近炸引信,定距精度高,但定距精度受目标特性和作 用距离影响较大,作用距离近且不能现场装定。 随机编码定距体制抗干扰性强,保密性好,但系统复杂,对于体积小、距离近、实时性高的激光近炸引信 不适合采用该体制。 距离选通、脉冲鉴相定距体制 具有很好的时空滤波特性,即良好的抗干扰性和低 脉冲激光测距定距体制作用距离远且定距精度高。 激光近炸引信的小型化设计不仅要求引信体制 简单,尺寸小,而且要保证作用距离和精度。 通过比 较上述几种引信体制的优劣,采用距离选通和脉冲 激光测距相结合的定距体制。 是采用该体制的系统原理框图。 系统原理框图Fig. Principleblock diagram 脉冲调制器激励半导体激光器发射激光脉冲,经发射光学系统准直后照射到目标表面,其中一部 分反射光经接收光学系统聚焦到光电探测器转为微 弱电脉冲信号,经放大整形送入时刻鉴别器;脉冲调 制器激励半导体激光器的同时,开始脉冲经信号处 理单元内部延时控制距离选通器,只有预定距离范 围内的回波信号才能通过时刻鉴别器成为截止脉冲 到达信号单元,通过计数电路计算开始脉冲和截止 脉冲之间的脉冲数便可得到距离信息;信号处理单 元通过距离信息控制执行电路。 该体制充分利用了 距离选通定距体制抗干扰性强和脉冲激光测距定距 体制作用距离远的特性,大大降低了系统虚警率,提 高了引信作用距离。 光电探测器选取PIN 光电二极管和雪崩光电二极管(APD)是目 前在激光近炸引信系统中最通用的光电探测器。 采用距离选通和脉冲激光测距相结合的定距体制中,由于需要精确的测量激光飞行时间,所以对光电 探测器的响应时间有很高的要求。 而且,由于需要 测量较远的作用距离,所以对光电探测器的灵敏度 和信噪比有很高的要求。 APD 的特点是:体积小、 质量轻、具有内部增益、功耗低、可靠性高、抗强磁场 干扰、动态范围大、响应速度快,对于远距离定距引 信,不仅有很高的定距精度,而且扩大了定距范围, 比起PIN 探测器有更好的信噪比。 因此 APD 光近炸引信小型化设计光电探测器的最佳选择。APD 的选择需要依据激光器的波长、脉冲宽度 等参数来选择。 本文所用的半导体激光器 SPL LL90_3 波长为905 nm,脉冲宽度30 ns,故要求APD 峰值响应波长与905 nm 相近,且响应时间快。 根据 上述要求, 选用德国硅传感器公司的 AD500鄄9 TO52S1F2 型APD,如图2 所示。 其上升时间0郾 55 ns, 感光面直径500 滋m,暗电流0郾 W,且自带905nm 带通滤光片,可以 减小滤光片的体积,其金属外壳与地相连能屏蔽电 磁干扰。 AD500-9TO52S1F2 雪崩光电二极管 Fig. AD500-9TO52S1F2 avalanche photodiode 光学结构光学结构是激光近炸引信系统中非常重要的一 个环节,设计参数是否合理,直接影响探测距离和抗 干扰性等性能指标。 半导体激光器发出的激光束通 常有较大的束散角,如本文使用的SPLLL90_3 平行 结方向(慢轴方向)的发散角为15毅,垂直于 结方向(快轴方向)的发散角为30毅.因此,需要 合适的发射光学系统对激光束进行准直,使其能量 更加集中在探测方向上,以达到更远的探测距离。 光电探测器的感光面一般很小, AD500鄄9TO52S1F2 的感光面直径仅500 滋m,接收口径利用 其更大的感光面将来自目标的漫反射光会聚在感光 面上,大大提高了系统灵敏度。 光学发射和接收的视场保证并限制了引信的接 收视角,决定了引信的最大和最小作用距离,使引信 具有很高的角分辨率和定位精度,提高了引信的抗 干扰性。 传统的光学结构采用同轴前视或者交叉光 路前视光学系统,由于体积限制,接收光学系统的直 径不能做的很大,损失了很大的回波能量。 在激光 近炸引信的小型化设计中,采用了如图3 所示的光 学结构,既保证了系统有限的体积,又增加了接收光 学系统的感光面积。 尽管在接收光学系统内嵌了发 射光学系统损失了将近1 的感光面积,但是相比较于传统的光学结构设计,接收能量还是增大了 倍,提高了引信系统的灵敏度和作用距离。光学 结构直径20 mm,厚度6 mm. 光学结构Fig. Opticalstructure 电路系统激光近炸引信小型化设计要求电路系统不仅具 备体积小、功耗低的特点,而且测量精度高。 影响测 距精度的因素主要是时刻判别精度和时间测量精 时间测量精度可以通过采用最先进的时间数字转换器代替传统的可编程逻辑器件电子学倍频提高 计数频率的方法得到提高。 时刻判别方法主要分为 数字化时刻判别和模拟时刻判别。 前者通过高速模 拟数字转换(ADC)芯片和数字信号处理(DSP)芯片 将模拟信号高速采样后数字化处理,但是高速数据 采集系统电路复杂,功耗高,无法满足引信小型化的 要求 是信号处理原理框图。主控核心选用意法 Cortex鄄M3CPU STM32F101微控制器,QPFN 封装,体积小,功耗低, 接口丰富,处理速度快。 时间计量通过德国 ACAM 公司的专业时间数字转换器 TDC鄄GP2 实现,分辨率 可达50 ps,精度高,PFN32 脚封装,体积小,测量时 间可调。 TDC鄄GP2 内部的 TDC 模块在得到微控制 器发出的激光发射调制脉冲的上升沿时开始工作, 当收到时刻判别电路送来的截止脉冲上升沿时停止 工作;ALU 模块根据起始脉冲和截止脉冲之间的时 间差计算时间,计算完成后向微控制器发送中断信 微控制器得到中断信号后通过SPI 接口从 TDC鄄GP2 读取数据,并将得到的数据与程序设定的 理论数据进行比较,当数据吻合时,微控制器向执行 电路发送执行信号。 信号处理原理框图Fig. Blockdiagram signalprocessing 时刻判别电路采用一种新型峰值时刻判别的模拟时刻判别方法,工作原理如图5 所示。 该电路将 回波信号分离成两路,一路信号延迟半个脉冲宽度, 另一路信号经过反相器进行反向,两路信号相加形 成一个S 型的信号,与零值比较得到时刻判别点。 型信号的零交叉点并不是严格意义上对应原始信号的峰值,而是峰值左侧附近。 该时刻判别电路不受 脉冲的幅值变化影响,时刻判别点始终保持在脉冲 的同一位置,有效地解决了幅值游动效应,但对于脉 冲宽度敏感,不能很好地解决上升时间游动效应,这 是下一步研究工作需要的改进之处。 峰值时刻鉴别Fig. Peakvalue timing discrimination 小型化激光近炸引信技术研究44 mm,高度12 mm,尺寸不足2 倍的一元硬币直径, 器件均采用小型化贴片封装,陶瓷晶振精度高,受加 速度影响小,利用3 个安装孔定位,稳定可靠。 电路系统板Fig. Circuitryboard 精度分析要求引信在距离目标30 处能够对目标进行探测,距离目标5 时启动执行电路。由于实验条 件限制,无法在相对高速运动中进行实时数据采集, 仅在静态条件下进行了数据测量和分析。 又引信针 对的目标一般为坦克、装甲车,故使用绿色的钢板作 为探测目标进行不同角度不同距离上的距离测试。 范围内的实际测量数据,实际测量值与线郾 测量数据曲线图Fig. Measureddata curve 实际应用中,由于引信一直随弹体处在运动中,与目标之间的夹角不断发生变化,而目标的反射率 随照射角度的不同而不同,钢板对不同入射角激光 的反射率在0郾 07 12区间内。 故将钢板分别以 30毅、60毅、90毅角度放置,测量数据显示近距离不同角 度下的数据相差不大,角度影响并不明显,而远距离 下角度影响明显。 由弹目相对运动带来的定距误差可由(1) 是光速;v是弹目相对速度;d 是弹目距离。 由于弹目相对速度远远小于光速,故 只有微米级,可以忽略不计。 由激光探测频率带来的误差可以由(2 是探测频率。文中设计的激光发射频率为10 kHz,假设弹目 相对速度为900 仅为0郾009 抗干扰性测试激光近炸引信的抗干扰能力是衡量一个引信设 计成功是否的重要因素。 虽然激光束经过准直,但 实际上仍然存在一个小的束散角,当距离较远时发 射光斑变大,就会造成接收视场角内不同距离上的 目标都会给接收系统回波信号的问题,如图8 所示。 测量波形Fig. Measuredwaveform 假目标可能是地面背景或者空气中悬浮粒子的被动干扰,也可能是敌方的主动干扰。 如果不将假 目标返回的回波信号滤除,就会造成引信的误触发。 微控制器可以通过修改程序实现定距选通门,只有 在定距范围内的回波信号才能通过选通门,从而实 现时间滤波的功能,降低引信系统的虚警率。 由于战争环境恶劣和现代主动干扰技术的不断 发展,采用该方法的引信并不能完全克服所有干扰 的影响。 如何提高激光近炸引信的抗干扰性能是下 一阶段的研究重点和难点。 小型化激光近炸引信除 受体积和结构的限制外,还有光学系统、光电器件、 晶振受弹药过载的制约。 而验证抗高过载的可行性 需做10 000 以上过载的动态靶试,故下一阶段还需要进行动态试验。 结论本文从引信体制选择、光电探测器选取、光学结 构、电路系统4 个方面讨论了激光近炸引信的小型 化设计要求和设计方案。 选择距离选通与脉冲激光 测距相结合的定距体制,体制简单且具备抗干扰能 力;选取雪崩光电二极管作为光电探测元件,并设计 接收光学系统内嵌发射光学系统的光学结构,有效 保证了引信的作用距离;采用基于 ARM 核微控制 器和时间数字转换器的电路系统,电路简单且定距 精度高。 静态实验结果表明:引信系统具备小尺寸、 低功耗、高精度、一定抗干扰能力的特性,符合激光 近炸引信的小型化设计需求,达到了设计目的。 参考文献(References) 近炸引信原理[M].北京:北京理工 大学出版社,2009. 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