一種基于回波形心位置的激光引信定距方法

李京+楊小良+梁謙+楊若愚

摘 要：在激光引信脈沖寬度較寬時，激光測距容易因起始脈沖間的時間間隔無法判別而產(chǎn) 生誤差。本文提出一種新的激光引信距離測量方法，即通過實(shí)時檢測回波形心位置來完成對發(fā)射 脈沖和返回脈沖信號延遲時間的測量，進(jìn)而求得目標(biāo)距離。在激光引信系統(tǒng)中應(yīng)用此方法進(jìn)行測 距試驗(yàn)，結(jié)果表明該方法實(shí)現(xiàn)了0.5m的定距精度，有效地提高了激光引信系統(tǒng)定距的精度，滿 足實(shí)際需要。

關(guān)鍵詞：激光引信；激光測距；回波波形

中圖分類號：TJ43+9.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）03-0016-04

ARangeFinderMethodforPulseLaserFuzeBasedon theCenterofEchoWaveform

LIJing1，YANGXiaoliang2，LIANGQian1，YANGRuoyu1

（1.ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China；2.PLAsMilitaryRepresentativeOfficein ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Duringthelaserranging，theerrorcausedbytimeintervalmeasurementerrorcanproduce whenthepulsewidthoflaserfuzeistoowide.Soanewrangefindermethodforpulselaserfuzeispro posed.Themethodisfirstmeasuringthedelaytimeoftransmittedpulsesignalandreturnpulsesignal throughrealtimedetectingthecenterofechowaveform，andthencalculatingthetargetrangewithit.Ap plingthismethodaseriesofrangeexperimentsareproceeded，theexperimentaldataaregivenandtheer rorisanalyzedintheory.Theresultsshowthattheprecisionof0.5mlevelisachievedandtheranging precisionofthelaserfuzeisimproved，whichmeetsthepracticalneeds.

Keywords：laserfuze；laserrangefinder；echowaveform

0 引 言

激光引信具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、體積小和啟 動精度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在各種型號的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武 器系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但目前的激光引信均無 法實(shí)現(xiàn)精確的距離截止，限制了激光引信在低空 和超低空作戰(zhàn)中的應(yīng)用。根據(jù)脈沖激光測距的原 理可知，影響測距的因素主要有起止脈沖信號時刻的判別和時間間隔的測量。由于目前激光引信 所使用的脈沖寬度約為100ns，脈沖寬度較寬，所 以無法準(zhǔn)確判別起始脈沖間的時間間隔，造成測 距誤差較大。本文設(shè)計(jì)了一種基于回波形心位置 的激光引信測距方法，利用整個波形的包絡(luò)作為 定距的基準(zhǔn)，降低測量產(chǎn)生的誤差，可在不增加引 信系統(tǒng)體積和系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下有效提高脈沖 激光引信測距精度。

1 激光引信定距算法總體設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)激光引信精確定距的關(guān)鍵是要精確測量收發(fā)脈沖間的時間間隔。由于目標(biāo)的表面材料和 幾何形狀不同，會對激光脈沖產(chǎn)生不同的吸收和 散射，使得回波功率降低，并且給回波波形帶來不 同程度的展寬和畸變，對于那些依靠回波脈沖中 的某一基準(zhǔn)點(diǎn)來確定回波時刻的算法來說，將很 大程度影響激光引信的定距精度。因此選擇合適 的收發(fā)脈沖時間間隔測量方法是激光引信能否實(shí) 現(xiàn)精確定距的一個關(guān)鍵。常見的時間間隔測量方 法有前沿判別法、恒比定值鑒定法等。前沿判別法 在電路實(shí)現(xiàn)上比較簡單，但是其定距精度非常低， 測量誤差較大。恒比定值法是前沿判別法的改進(jìn)， 該方法需要精確的測量峰值才能測出起止時刻， 不能滿足引信實(shí)時性的要求。

本文提出一種基于波形形心提取技術(shù)的波形 形心算法，其原理如圖1所示。

2 接收系統(tǒng)及形心位置判別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 高速無失真接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了抑制接收系統(tǒng)對回波脈沖波形的展寬效 應(yīng)，需要設(shè)計(jì)高速限幅放大電路對回波脈沖進(jìn)行 無失真的放大。常用的高速限幅放大電路有穩(wěn)壓 管限幅電路、二極管限幅電路以及由穩(wěn)壓管和二極 管組成的橋式限幅電路等。通過仿真分析，以上 電路均能有效限幅，但是對回波波形均有不同程 度的展寬，不能滿足高精度測距的需要。

針對系統(tǒng)對高速限幅放大電路的具體需求， 選用一種箝位放大器AD8036完成高速限幅放大 電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對回波信號的無失真放大。

AD8036型運(yùn)放是AD公司生產(chǎn)的一種電壓反 饋式運(yùn)放，可以實(shí)現(xiàn)快速、低失真的精確箝位放大， 小信號帶寬為240MHz，壓擺率為1500V/μs，滿足 高速窄脈沖信號限幅放大的要求。AD8036箝位放 大器在工作時受電壓控制，其特點(diǎn)在于在非箝位 工作范圍內(nèi)輸出是線性的（低失真），而在箝位工 作范圍內(nèi)輸出是平坦的，箝位電壓設(shè)置精確，轉(zhuǎn)換 明顯。在動態(tài)過程中，當(dāng)幅度較大的回波脈沖將 放大器迅速驅(qū)動至箝位區(qū)時，器件有低的超調(diào)，但 恢復(fù)迅速。其箝位電壓范圍±3.9V，箝位精度在 ±3mV以內(nèi)，拐點(diǎn)區(qū)間為100mV，對一個二倍過 驅(qū)動脈沖信號的響應(yīng)，最大超調(diào)為最大值的5%， 恢復(fù)時間在1.5ns之內(nèi)，是一種性能非常優(yōu)良的 箝位放大器，可以有效對高速窄脈沖信號進(jìn)行放 大。AD8036限幅放大電路如圖2所示。endprint

在Saber仿真環(huán)境中對此電路進(jìn)行仿真，輸入 一組脈沖寬度100ns、幅值500mV脈沖的矩形脈 沖序列，放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置為10倍，進(jìn)行 限幅放大仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3仿真結(jié)果可以看出，箝位放大器限幅電 路可以有效地將脈沖信號進(jìn)行限幅放大，對于100 ns中寬的回波脈沖，經(jīng)過放大電路后回波信號中 寬為100.02ns，無展寬現(xiàn)象。

通過以上仿真可知，使用箝位放大器組成高 速限幅放大電路，可有效對高速、窄脈沖信號進(jìn)行 限幅放大，放大后的信號失真較小，無明顯展寬， 表明使用該放大器組成的限幅放大電路滿足激光 引信的帶寬使用要求。

2.2 形心位置判別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確判定回波形心位置，需要對回波信 號進(jìn)行高速二值采集，本文利用Virtex-4FPGA芯 片設(shè)計(jì)一種基于ISERDES的高速二值采集系統(tǒng)。

ISERDES（InputSerialtoParallelLogicRe

sources，輸入串并轉(zhuǎn)換邏輯單元）是Virtex-4芯片 提供的一種高級SelectIO邏輯資源，一般用于實(shí)現(xiàn) 高速串并轉(zhuǎn)換功能。對脈沖激光回波進(jìn)行高速二 值采集本質(zhì)上是對其進(jìn)行高速串并轉(zhuǎn)換，因此可 以用ISERDES來實(shí)現(xiàn)，其原理如圖5所示。

首先回波信號和同步信號分別從FPGA的I/O 口輸入一個ISERDES中，ISERDES以500MHz的 速率對兩個信號進(jìn)行采樣，每采6個數(shù)據(jù)就并行輸 出一次。系統(tǒng)一旦檢測到同步信號ISERDES的輸 出不為0，就開始存儲數(shù)據(jù)。由于參考信號和回波 信號之間的延遲很小，為了不丟失數(shù)據(jù)，回波信號 的并行采樣數(shù)據(jù)要暫存在回波數(shù)據(jù)緩存中，然后 在下個周期存入回波數(shù)據(jù)存儲器中。參考信號采 樣的用途只是確定回波時間，只需采到其前沿，即 將它的前6位并行采樣數(shù)據(jù)存入?yún)⒖紨?shù)據(jù)存儲器，無需整個波形。采樣過程結(jié)束后，根據(jù)存儲的參 考信號采樣數(shù)據(jù)，對回波數(shù)據(jù)位進(jìn)行調(diào)整，將其采 樣起始位與參考信號前沿對齊，就得到最終的二 值采樣數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6中，第一行是參考信號，第二行是回波信 號。從以上仿真結(jié)果可以看出，高速采集后的波 形與回波信號波形一致，可以準(zhǔn)確判別出回波形 心位置，采集系統(tǒng)滿足使用要求。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)加工了相應(yīng)的硬件電路，搭建 了一套激光引信試驗(yàn)樣件，包括發(fā)射系統(tǒng)（半導(dǎo)體 激光器驅(qū)動電路、半導(dǎo)體激光器和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)）、 接收系統(tǒng)（接收光學(xué)系統(tǒng)、探測器、前置放大器和高 速限幅放大電路）和信號處理系統(tǒng)（時鐘產(chǎn)生模塊、 高速二值采集模塊和時間測量模塊）3個部分，其 組成結(jié)構(gòu)如圖7所示。

從實(shí)測結(jié)果可以看出，單次測量最大誤差小 于0.5m，多次測量平均誤差約為0.3m。

5 結(jié) 論

根據(jù)脈沖激光引信的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種基于回波 形心位置的定距算法，針對算法的實(shí)際需要設(shè)計(jì)了 高速限幅放大電路和高速二值采集系統(tǒng)。搭建試驗(yàn) 樣件進(jìn)行了測距能力試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)和測量誤 差進(jìn)行了分析。結(jié)果表明該方法實(shí)（下轉(zhuǎn)第47頁）

參考文獻(xiàn)：

[1]KruapechS，WidjajaJ.LaserRangeFinderUsingGaussi anBeamRangeEquation[J].Optics&LaserTechnology， 2010，42（5）：749-754.

[2]AmannMC，BoschT，MyllylaR，etal.LaserRanging： ACriticalReviewofUsualTechniquesforDistanceMeas urement[J].OpticalEngineering，2001，40（1）：10- 19.

[3]王秀芳.脈沖半導(dǎo)體激光測距的研究[D].成都：四川大 學(xué)，2006.

[4]周睿，孔東.一種高精度相位激光測距方法的實(shí)現(xiàn)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（21）：6337-6342，6347.

[5]XuWei，ChenQian，GuGuohua.ResearchonLaser RangingSystemBasedonTimeDelayEstimation[C]// PhotonicsandOptoelectronics（SOPO），2011Symposium on.IEEE，2011：1-3.

[6]邢剛，許冬生，夏云.基于CPLD的多目標(biāo)脈沖激光測距 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].激光與紅外，2010，40（2）：152 -154.

[7]岳云.用輸入箝位放大器來替代輸出箝位運(yùn)算放大器 [J].世界電子元器件，2001（11）.endprint

在Saber仿真環(huán)境中對此電路進(jìn)行仿真，輸入 一組脈沖寬度100ns、幅值500mV脈沖的矩形脈 沖序列，放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置為10倍，進(jìn)行 限幅放大仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3仿真結(jié)果可以看出，箝位放大器限幅電 路可以有效地將脈沖信號進(jìn)行限幅放大，對于100 ns中寬的回波脈沖，經(jīng)過放大電路后回波信號中 寬為100.02ns，無展寬現(xiàn)象。

通過以上仿真可知，使用箝位放大器組成高 速限幅放大電路，可有效對高速、窄脈沖信號進(jìn)行 限幅放大，放大后的信號失真較小，無明顯展寬， 表明使用該放大器組成的限幅放大電路滿足激光 引信的帶寬使用要求。

2.2 形心位置判別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確判定回波形心位置，需要對回波信 號進(jìn)行高速二值采集，本文利用Virtex-4FPGA芯 片設(shè)計(jì)一種基于ISERDES的高速二值采集系統(tǒng)。

ISERDES（InputSerialtoParallelLogicRe

sources，輸入串并轉(zhuǎn)換邏輯單元）是Virtex-4芯片 提供的一種高級SelectIO邏輯資源，一般用于實(shí)現(xiàn) 高速串并轉(zhuǎn)換功能。對脈沖激光回波進(jìn)行高速二 值采集本質(zhì)上是對其進(jìn)行高速串并轉(zhuǎn)換，因此可 以用ISERDES來實(shí)現(xiàn)，其原理如圖5所示。

首先回波信號和同步信號分別從FPGA的I/O 口輸入一個ISERDES中，ISERDES以500MHz的 速率對兩個信號進(jìn)行采樣，每采6個數(shù)據(jù)就并行輸 出一次。系統(tǒng)一旦檢測到同步信號ISERDES的輸 出不為0，就開始存儲數(shù)據(jù)。由于參考信號和回波 信號之間的延遲很小，為了不丟失數(shù)據(jù)，回波信號 的并行采樣數(shù)據(jù)要暫存在回波數(shù)據(jù)緩存中，然后 在下個周期存入回波數(shù)據(jù)存儲器中。參考信號采 樣的用途只是確定回波時間，只需采到其前沿，即 將它的前6位并行采樣數(shù)據(jù)存入?yún)⒖紨?shù)據(jù)存儲器，無需整個波形。采樣過程結(jié)束后，根據(jù)存儲的參 考信號采樣數(shù)據(jù)，對回波數(shù)據(jù)位進(jìn)行調(diào)整，將其采 樣起始位與參考信號前沿對齊，就得到最終的二 值采樣數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6中，第一行是參考信號，第二行是回波信 號。從以上仿真結(jié)果可以看出，高速采集后的波 形與回波信號波形一致，可以準(zhǔn)確判別出回波形 心位置，采集系統(tǒng)滿足使用要求。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)加工了相應(yīng)的硬件電路，搭建 了一套激光引信試驗(yàn)樣件，包括發(fā)射系統(tǒng)（半導(dǎo)體 激光器驅(qū)動電路、半導(dǎo)體激光器和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)）、 接收系統(tǒng)（接收光學(xué)系統(tǒng)、探測器、前置放大器和高 速限幅放大電路）和信號處理系統(tǒng)（時鐘產(chǎn)生模塊、 高速二值采集模塊和時間測量模塊）3個部分，其 組成結(jié)構(gòu)如圖7所示。

從實(shí)測結(jié)果可以看出，單次測量最大誤差小 于0.5m，多次測量平均誤差約為0.3m。

5 結(jié) 論

根據(jù)脈沖激光引信的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種基于回波 形心位置的定距算法，針對算法的實(shí)際需要設(shè)計(jì)了 高速限幅放大電路和高速二值采集系統(tǒng)。搭建試驗(yàn) 樣件進(jìn)行了測距能力試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)和測量誤 差進(jìn)行了分析。結(jié)果表明該方法實(shí)（下轉(zhuǎn)第47頁）

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[6]邢剛，許冬生，夏云.基于CPLD的多目標(biāo)脈沖激光測距 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].激光與紅外，2010，40（2）：152 -154.

[7]岳云.用輸入箝位放大器來替代輸出箝位運(yùn)算放大器 [J].世界電子元器件，2001（11）.endprint

在Saber仿真環(huán)境中對此電路進(jìn)行仿真，輸入 一組脈沖寬度100ns、幅值500mV脈沖的矩形脈 沖序列，放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置為10倍，進(jìn)行 限幅放大仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3仿真結(jié)果可以看出，箝位放大器限幅電 路可以有效地將脈沖信號進(jìn)行限幅放大，對于100 ns中寬的回波脈沖，經(jīng)過放大電路后回波信號中 寬為100.02ns，無展寬現(xiàn)象。

通過以上仿真可知，使用箝位放大器組成高 速限幅放大電路，可有效對高速、窄脈沖信號進(jìn)行 限幅放大，放大后的信號失真較小，無明顯展寬， 表明使用該放大器組成的限幅放大電路滿足激光 引信的帶寬使用要求。

2.2 形心位置判別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確判定回波形心位置，需要對回波信 號進(jìn)行高速二值采集，本文利用Virtex-4FPGA芯 片設(shè)計(jì)一種基于ISERDES的高速二值采集系統(tǒng)。

ISERDES（InputSerialtoParallelLogicRe

sources，輸入串并轉(zhuǎn)換邏輯單元）是Virtex-4芯片 提供的一種高級SelectIO邏輯資源，一般用于實(shí)現(xiàn) 高速串并轉(zhuǎn)換功能。對脈沖激光回波進(jìn)行高速二 值采集本質(zhì)上是對其進(jìn)行高速串并轉(zhuǎn)換，因此可 以用ISERDES來實(shí)現(xiàn)，其原理如圖5所示。

首先回波信號和同步信號分別從FPGA的I/O 口輸入一個ISERDES中，ISERDES以500MHz的 速率對兩個信號進(jìn)行采樣，每采6個數(shù)據(jù)就并行輸 出一次。系統(tǒng)一旦檢測到同步信號ISERDES的輸 出不為0，就開始存儲數(shù)據(jù)。由于參考信號和回波 信號之間的延遲很小，為了不丟失數(shù)據(jù)，回波信號 的并行采樣數(shù)據(jù)要暫存在回波數(shù)據(jù)緩存中，然后 在下個周期存入回波數(shù)據(jù)存儲器中。參考信號采 樣的用途只是確定回波時間，只需采到其前沿，即 將它的前6位并行采樣數(shù)據(jù)存入?yún)⒖紨?shù)據(jù)存儲器，無需整個波形。采樣過程結(jié)束后，根據(jù)存儲的參 考信號采樣數(shù)據(jù)，對回波數(shù)據(jù)位進(jìn)行調(diào)整，將其采 樣起始位與參考信號前沿對齊，就得到最終的二 值采樣數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6中，第一行是參考信號，第二行是回波信 號。從以上仿真結(jié)果可以看出，高速采集后的波 形與回波信號波形一致，可以準(zhǔn)確判別出回波形 心位置，采集系統(tǒng)滿足使用要求。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)加工了相應(yīng)的硬件電路，搭建 了一套激光引信試驗(yàn)樣件，包括發(fā)射系統(tǒng)（半導(dǎo)體 激光器驅(qū)動電路、半導(dǎo)體激光器和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)）、 接收系統(tǒng)（接收光學(xué)系統(tǒng)、探測器、前置放大器和高 速限幅放大電路）和信號處理系統(tǒng)（時鐘產(chǎn)生模塊、 高速二值采集模塊和時間測量模塊）3個部分，其 組成結(jié)構(gòu)如圖7所示。

從實(shí)測結(jié)果可以看出，單次測量最大誤差小 于0.5m，多次測量平均誤差約為0.3m。

5 結(jié) 論

根據(jù)脈沖激光引信的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種基于回波 形心位置的定距算法，針對算法的實(shí)際需要設(shè)計(jì)了 高速限幅放大電路和高速二值采集系統(tǒng)。搭建試驗(yàn) 樣件進(jìn)行了測距能力試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)和測量誤 差進(jìn)行了分析。結(jié)果表明該方法實(shí)（下轉(zhuǎn)第47頁）

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[5]XuWei，ChenQian，GuGuohua.ResearchonLaser RangingSystemBasedonTimeDelayEstimation[C]// PhotonicsandOptoelectronics（SOPO），2011Symposium on.IEEE，2011：1-3.

[6]邢剛，許冬生，夏云.基于CPLD的多目標(biāo)脈沖激光測距 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].激光與紅外，2010，40（2）：152 -154.

[7]岳云.用輸入箝位放大器來替代輸出箝位運(yùn)算放大器 [J].世界電子元器件，2001（11）.endprint