激光半主动式比例引导装置信息处理模块设计

来源:用户上传      作者:梁哲 赵君 赵刚

　　摘   要：针对激光半主动式引导装置的抗干扰性与实时性提升需求，文章介绍了半主动式激光导引装置工作原理。通过分析，提出了一种基于ARM+FPGA的信息处理模块架构，通过提升协处理能力，提升系统实时性与复杂码型检测能力，并对其软硬件的实现方式进行了详细描述。半物理实验结果表明，系统脉冲捕获效率高，增益控制响应時间短，有效提升了激光半主动式比例导引装置的实时性与可靠性。
　　关键词：导引装置;抗干扰;信息处理
　　激光制导武器在现代战场得到了广泛使用。激光半主动比例导引装置是一种常见的核心组件，是弹箭产品核心技术之一。导引装置的功能是实现目标搜索、捕获及追踪;对相关信号进行逻辑处理与计算，并不断给出控制律所需的控制指令（信号）至飞行机构，以修订弹箭飞行轨迹。导引装置的主要技术包括：（1）探测灵敏阀设计。（2）编码/解码设计。（3）抗诱骗设计。其中，探测灵敏阀的设计主要依靠光学系统，而编码/解码设计以及抗诱骗设计，主要依靠由嵌入式计算机构成的信息处理模块实现。
　　本研究主要以导引装置信息处理模块为研究对象，依据新型导引装置技术要求，从系统架构、关键硬件与软件的角度阐述信息处理模块设计原理与关键技术。
　　1    信息处理模块工作原理与要求
　　信息处理模块作为导引装置系统中光电信号接口与信息处理的核心，其主要功能包括：（1）信号采集。（2）目标捕获。（3）自动跟踪。（4）增益控制。（5）飞行控制。（6）通信功能。激光信号的编码/解码设计是信息处理模块设计中一项关键功能。激光编码需要考虑激光发射定时、导引装置采集精度以及光信号在传输过程中可能遇到的丢失与抖动等因素。由于受到电子产品本身稳定性以及战场环境等外部因素影响，编码方案的选择需要考虑更多的安全性设计。抗诱骗能力同样是信息处理模块设计的重要指标之一。角度欺骗方式和高频干扰方式是现有武器中最常见的抗干扰手段[1]。其基本原理是：在目标附近设置告警装置，用于接收照射激光并进行解码，以确定激光照射器的方位，通过破译，生产相同特征的激光信号照射在假的目标位置，诱骗激光制导武器对假目标进行攻击，完成对重要目标的防御。
　　2    计算处理模块硬件方案
　　2.1  功能架构
　　基于功能模块化设计思想，导引装置计算处理模块被分解为5个单元：电源转换单元、信号调理单元、逻辑控制单元、计算单元以及通信单元。其架构如图1所示。导引装置计算处理模块采用高级精简指令集处理器（Advanced RISC Machines，ARM）+现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的计算架构，FPGA完成逻辑处理，ARM完成数据计算、通信以及控制。
　　在本设计中，针对导引装置所需数据计算性能评估，选择ARM 作为主处理器，具有较高的处理性能及丰富的外设资源。面向导引装置对信号处理时序及时效性要求，扩展FPGA进行信号逻辑处理与时序控制。其主要功能包括：控制模数（Analog to Digital，AD）转换器进行模拟电压采集;控制数模（Digita to Analogl，DA）转换器控制芯片实现模拟信号的输出控制;通过可变静态存储控制器（Flexible Static Memory Controller，FSMC）总线完成与主处理器ARM的数据与指令交互;实现导引装置相关信号采样保持时序以及增益输出控制时序等逻辑处理。
　　2.2  供电单元设计
　　供电单元是计算处理模块的重要单元，导引装置这种工作环境复杂的设备，对电源干扰反应非常敏感，因此，稳定的供电单元对产品的可靠性非常重要。导引装置计算处理模块采用外部±12 V供电，计算处理模块的供电单元被设计为两组供电电路：数字电路用于ARM及FPGA供电;模拟电路用于模拟器件电路器件。
　　2.3  通信单元设计
　　计算处理模块与地面设备通信通过RS422总线实现。RS422总线是一种差分串行通信总线，其设计实现比较简单，传输距离长，有较强的抗干扰能力。在本设计中，采用ARM自身通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）加上外部接口转换电路，实现了RS422串口通信;为了便于软件升级，预留了一个UART加外部接口转换的电路，实现1路RS232串口通信，提升产品的维护性。
　　2.4  信号调理单元设计
　　信号调理单元主要完成信号的滤波、放大、测量等过程。本单元根据外部信号不同类型，设计为单端-差分模拟信号采集电路、模拟量电压单端输出电路、逻辑门电路（Logic Gate Circuits，TTL）电平信号采集电路以及TTL电平输出控制电路[2]。为保证模拟信号采集效率，降低通信频率，提升信息处理单元电磁兼容（Electromagnetic Compatibilit，EMC）水平，本设计为每一路AD控制器配置了独立的串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线接口。模拟量电压输出通过数模转换器实现，主处理器向FPGA固定寄存器写入需发送的量值，由FPGA通过SPI总线控制DA芯片输出。该电路增加一级比例调节及跟随，完成输出阻抗匹配。TTL信号接口则由FPGA和总线缓冲器构成。
　　3    软件设计
　　软件部分包括ARM软件和FPGA逻辑两部分。FPGA逻辑完成信号采保时序，信号采保时序对信号实时性要求很高，它以外部光源为同步信号，各接口信号间关系紧密，存在严格的时序关系[3]。其特点是信号间逻辑关系紧密，实时性要求高。信号采保时序如图2所示。 　　ARM软件主要功能包括硬件资源初始化、数据初始化、RS422通信、目标捕获与追踪以及状态监控。导引装置实现对目标的搜索与跟踪，主要依靠加密的编码方式与解码算法，可靠性高、重复性低的编码方式能够有效提升武器的可靠性与抗干扰能力。常用的编码方式主要是等间隔码、不等间隔码以及伪随机码等，其主要特点为：
　　（1）等间隔码是最常见的编码类型，激光脉冲为固定的周期。这种编码类型简单，易识别，能够节省捕获时间，但容易被破解。
　　（2）不等间隔码是一组确定编码序列，每组编码时间间隔不等。如果不等间隔码的长度太长，会导致解码过程复杂且耗时，不利于捕获目标。在实际使用中，不等间隔码长度有限，在飞行过程中，激光照射器重复发射确定的编码序列，这种方式同样易被破解或诱骗。
　　（3）伪随机码是不等间隔码的一种升级，其码型并不是随机产生的，而是具备一定的编码规则，使用有限的几个码值，通过编码算法，生成一系列长度有限的编码组合，能满足快速识别的需要，同时，在整个导引装置飞行过程中，激光脉冲的编码不出现重复，大大降低了编码被破解的风险。
　　信息处理模块软件的核心内容主要为目标搜索与跟踪。搜索是通过对接收到的激光脉冲信号进行分析，判断是否与预置的编码算法相同，以确定正确目标。跟踪是在目标被成功捕获后，根据激光信号不断调整自身飞行状态，并有效过滤干扰信息，飞向目标的过程[4]。在跟踪过程中，存在多种因素可能导致激光信号的丢失与震荡，因此，软件需要做一些应对算法即策略，如目标丢失再捕获、调整波门开度等。
　　4    结语
　　针对新型导引工作原理与需求，提出了一种支持等间隔、不等间隔与伪随机码的导引装置信息处理模块设计方法，并在实验室环境下基于半物理仿真，完成了功能及性能指标验证。测试结果表明，该信息处理模块可靠性高，控制精度高，目标捕获准确且具有很强的抗干扰能力。
　　[参考文献]
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　　[2]李珊珊.嵌入式彈载计算机性能优化与实现[J].航空兵器，2011（2）：58-61，66.
　　[3]何衡湘.激光引导系统主要技术参数分析[J].红外与激光工程，2009（6）：57-61.
　　[4]汤永涛.现代导弹导引头发展综述[J].制导与引信，2014（3）：12-17.
　　Design of information processing module of laser semi-active proportional guiding device
　　Liang Zhe， Zhao Jun， Zhao Gang
　　（Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC，Xi’an 710065， China）
　　Abstract：For semi active laser guided device’s anti-interference and real-time requirements， this paper introduces the working principle of the semi active laser guided device. Through the analysis， put forward a kind of information processing module based on ARM + FPGA architecture， promote system real-time and complex type detection ability by increasing the co-processor ability， and the way of the realization of the software and hardware were described in detail. The results of semi-physical experiments show that the system has high pulse acquisition efficiency and short response time of gain control， which effectively improves the real-time and reliability of laser semi-active proportional guidance device.
　　Key words：guidance device; anti-interference; information processing
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