基于無線激光通信的引信外彈道裝定方法

劉鵬飛，王敬斌，周曉東，王金柱

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003；2.西北工業(yè)集團，陜西 西安 710065)

0 引言

引信作為武器系統(tǒng)的實施終端毀傷的控制核心，要綜合利用武器平臺的目標信息、環(huán)境信息，選擇最佳的攻擊點、起爆時機、起爆方式。引信裝定就是在彈丸發(fā)射前或飛行過程中，將所需的信息和參數(shù)由裝定器通過有線或無線傳輸?shù)姆绞絺鬏斀o引信[1]。引信裝定分為接觸式和非接觸式，由于非接觸式裝定能夠減少反應(yīng)時間、提高武器系統(tǒng)的射速，從而使武器系統(tǒng)更靈活、生存能力更強，因此正確可靠大容量數(shù)據(jù)的非接觸式裝定成為各國研究的熱點。

現(xiàn)代引信非接觸裝定研究主要集中在電磁感應(yīng)裝定和射頻裝定兩種方法。20世紀70年代，電磁感應(yīng)裝定首先由美國海軍為控制半主動制導(dǎo)炮彈的延遲時間時第一次使用，之后國內(nèi)外對電磁感應(yīng)裝定進行了大量研究。文獻[2]設(shè)計了非共軸線圈形式，克服了火炮身管尺寸的限制。文獻[3]提出了一種適用于小口徑武器平臺的平板型感應(yīng)耦合裝定結(jié)構(gòu)。電磁感應(yīng)裝定主要有共軸“L”形式、非共軸形式和平板型結(jié)構(gòu)等。電磁感應(yīng)裝定在武器平臺上也得到了實際應(yīng)用，如美國的艾連特公司研制的便攜式感應(yīng)裝定器(PIAFS)、瑞士的AHEAD引信實時感應(yīng)裝定系統(tǒng)等[4-5]。但是由于信息傳輸速率和感應(yīng)距離的相互制約關(guān)系，使得電磁感應(yīng)裝定難以實現(xiàn)高速率、遠距離的引信裝定。射頻裝定系統(tǒng)較電磁感應(yīng)裝定系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離裝定。文獻[6]設(shè)計了射頻裝定系統(tǒng)并在實驗室條件下完成了試驗，能夠?qū)崿F(xiàn)百米的裝定距離。文獻[7]提出了在安裝孔內(nèi)圈增加鐵氧體襯板的方式降低安裝鋼板對電磁場產(chǎn)生的渦流損耗。但是從目前的研究成果來看，射頻裝定還難以滿足抗金屬屏蔽和渦流影響實現(xiàn)戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾下可靠裝定的需求。針對上述問題，本文提出了基于無線激光通信的外彈道裝定方法。

1 無線激光通信原理

無線激光通信原理是利用激光在空間中的傳播實現(xiàn)信息傳輸，主要包括近地通信、星際通信和水下通信等。無線激光通信系統(tǒng)主要包括光學(xué)天線、激光收發(fā)器、信號處理單元和自動跟瞄系統(tǒng)等組成[8-9]，其示意圖如圖1所示。

圖1 無線激光通信示意圖Fig.1 Schematic diagram of OWC

信息經(jīng)過編碼和調(diào)制將其按編碼特征改變激光信號的某些特征值(如振幅、頻率、相位等)，使激光信號攜帶信源信息的相關(guān)信息。激光器驅(qū)動電路為激光器提供穩(wěn)定的電流，確保其正常工作。激光信號經(jīng)過光學(xué)天線和大氣信道到達接收端。接收端接收到的激光信號由光電探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)過解調(diào)和解碼恢復(fù)為原信號。自動跟瞄系統(tǒng)保證收發(fā)兩端天線對準。

2 基于無線激光通信的引信裝定方法

2.1 系統(tǒng)原理及組成

引信裝定在彈丸發(fā)射后的外彈道進行，其本質(zhì)就是由裝定器到引信的單向無線激光通信過程，如圖2所示。引信激光裝定系統(tǒng)由裝定器和接收器兩部分組成，其組成如圖3所示。

圖2 引信外彈道激光裝定示意圖Fig.2 Schematic diagram of fuze exterior ballistic setting

圖3 引信激光裝定系統(tǒng)組成圖Fig.3 System of fuze laser setting

裝定信息通過裝定器鍵盤輸入或武器系統(tǒng)上的火控系統(tǒng)對目標和彈丸的運動參數(shù)進行跟蹤探測解算獲得，將引信裝定所需的裝定參數(shù)送至激光裝定器的微處理器進行編碼。信源編碼采用二進制NRZ編碼。編碼后的信號送入調(diào)制器進行調(diào)制，調(diào)制方式采用OOK調(diào)制。激光束經(jīng)發(fā)射窗口在外彈道形成一定區(qū)域的激光信息場。發(fā)射窗口采用透射式光學(xué)窗口，起到壓縮發(fā)散角和擴束的作用。

接收器安裝在彈丸上，彈丸飛經(jīng)激光信息場時，接收窗口接收激光脈沖信號并由光電探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。彈體上設(shè)置多個接收窗口，使高旋彈丸經(jīng)過激光束區(qū)域的過程中始終能接收到激光脈沖信號，保證信息接收的完整性。信號處理電路對所有光電探測器發(fā)送的電脈沖信號進行重組，得到完整的信號，再由裝定解調(diào)器解調(diào)和信息處理單元解碼譯碼后，還原裝定信息。引信裝定采用多次重復(fù)裝定比較方式，引信裝定完成后閉鎖接收電路，防止彈道干擾。

2.2 快速裝定

彈丸在激光信息場內(nèi)運動時間很短，此時的彈丸運動簡化為直線運動，如圖4所示。激光器的發(fā)散角為2θ，激光與速度方向夾角為α，彈丸距炮口距離S處裝定，彈丸在激光束內(nèi)的運動距離為S′，則彈丸經(jīng)過光場的時間t為：

(2)

(3)

(4)

當激光發(fā)散角為10 mrad，激光與彈丸飛行夾角為35 mrad，彈丸飛行速度為245 m/s，在50 m處開始裝定，由上式知彈丸經(jīng)過光場的時間t為58.5 ms。

圖4 彈丸與激光信息場交會幾何圖Fig.4 The geometric figure of ammunition and laser beam

裝定時間為10 s，裝定精度1 ms，所需裝定時間數(shù)據(jù)位14位；起爆方式數(shù)據(jù)位2位；校驗方式采用奇偶校驗，校驗位1位；同步位1位；采用差錯重收方式，裝定3次，裝定時間Tset大小應(yīng)滿足：

(5)

式(5)中，R為傳信率。得到傳信率最小為0.923 Kb/s。

在一個二進制數(shù)的OOK幀周期中，包含5個光脈沖周期，每個光脈沖周期τ=1/f，一幀中包含5個光脈沖時表示二進制1，無光脈沖時表示二進制0。則系統(tǒng)的幀周期為：

TOOK=5τ

(6)

系統(tǒng)的傳信率[8]為：

(7)

系統(tǒng)激光重復(fù)頻率為20 kHz時，此時通信速率R為4 Kb/s，滿足激光裝定的傳信率要求，彈丸飛經(jīng)光束區(qū)域時能夠完成裝定，裝定所需時間為13.5 ms。

2.3 裝定信息多窗口復(fù)合接收

準確完整地接收激光脈沖信號是引信可靠裝定的關(guān)鍵。引信接收窗口采用多窗口復(fù)合接收方法，在彈體四周對稱設(shè)置4個光學(xué)接收窗口，天線分布如圖5所示。

圖5 光學(xué)天線設(shè)置剖面示意圖Fig.5 Schematic diagram of optical antenna

對于小口徑榴彈，轉(zhuǎn)速約為1 200 r/s，彈丸轉(zhuǎn)動四分之一圈用時0.207 5 ms，當傳信率大于260 Kb/s時，引信裝定時間小于彈丸的旋轉(zhuǎn)四分之一所用時間。此時，彈丸旋轉(zhuǎn)一周，每個接收窗口都能接收到一個完整的裝定信號，可以通過對四個裝定信號進行對比或者復(fù)合，從而減小誤差，提高裝定精度。當傳信率小于260 Kb/s時，裝定時間大于彈丸旋轉(zhuǎn)四分之一圈所用時間，每個光學(xué)窗口都不能接收到完整的裝定信息。此時，可以通過四個光學(xué)接收窗口依次不間斷的接收激光脈沖信號，由內(nèi)部電路實現(xiàn)對四個光學(xué)窗口所接收信號的整合，從而接收到完整的激光裝定信號。

采用低頻率傳輸裝定信息時，由于彈丸轉(zhuǎn)動，接收天線發(fā)生變化，為保證信息接收的連續(xù)性，必須保證在接收天線轉(zhuǎn)換時有兩個接收天線同時接收到激光信號，即正在接收激光信號的天線和將接收激光信號的天線同時接收到激光信號。此時光斑直徑Df最小為：

Df=S′sin(α-θ)

(8)

當裝定時間為13.5 ms時，Df約為11.6 cm。激光束發(fā)散角為10 mrad時，50 m處的光斑大小為50 cm，滿足光斑大小要求，同時能夠減小彈道擾動對裝定的影響，保證信息可靠傳輸。

2.4 裝定信息處理

如前文所述，激光重復(fù)頻率較低時，每個接收窗口接收一個裝定信息片段，需要后續(xù)的電路對所有信息片段整合，得到完整的裝定信息。

信號處理電路對所有光學(xué)接收窗口接收到的脈沖信號進行合成，即只要有一路有脈沖信號則輸出該脈沖信號，若全部沒有電脈沖信號則不輸出電脈沖信號，實現(xiàn)對對所有脈沖信號片段的整合得到完整的裝定信息。信號處理原理如圖6所示。

圖6 信號處理原理圖Fig.6 Schematic diagram of signal processing

3 裝定系統(tǒng)通信性能仿真

使用Optisysem軟件進行對裝定系統(tǒng)的通信性能進行仿真，發(fā)射端采用一個連續(xù)激光器作為光源，偽隨機碼發(fā)生器和非歸零脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生偽隨機的NRZ數(shù)字信號，幅度調(diào)制器用于對激光信號進行調(diào)制。調(diào)制后的信號經(jīng)過大氣信道到達接收端，

通過PIN探測器和TIA放大器實現(xiàn)信號的接收，并用誤碼測試儀來測試其誤碼性能。

系統(tǒng)器件和大氣信道參數(shù)設(shè)置如表1所示。

在表1參數(shù)設(shè)置下，發(fā)射信號如圖7所示，在50 m、70 m、90 m和100 m處系統(tǒng)接收到的信號波形如圖8所示。

圖7 發(fā)射信號波形Fig.7 Launched signal waveforms

器件參數(shù)設(shè)置值器件參數(shù)設(shè)置值激光器波長/nm910功率/mW100偽隨機信號發(fā)生器比特率/(Kb/s)4占空比0.5大氣信道距離/m50～80衰減/(dB/km)25光束發(fā)散角/mrad10發(fā)射孔徑/cm5接收孔徑/mm4光電探測器低通濾波器響應(yīng)率/(A/W)0.7暗電流/nA10熱噪聲/(W/Hz)1×10-223 dB帶寬/kHz3濾波階數(shù)5

從圖中可以看出，距離越近，接收信號質(zhì)量越好，在波形上越接近發(fā)射信號，但是也會受到噪聲的影響；距離越遠，接收信號幅值越小。為了更好地分辨系統(tǒng)的性能，圖9給出了不同距離系統(tǒng)接收眼圖，從眼圖中“眼睛”的張開度的大小可以清楚地分辨出不同距離對接收系統(tǒng)性能的影響。從圖9可以看出距離越遠，“眼睛”的張開度越小，眼圖的線跡越亂，表明系統(tǒng)的通信性能隨通信距離的增加而降低。表2給出了系統(tǒng)的主要性能參數(shù)，可以看出系統(tǒng)的誤碼率隨著通信距離的增加急劇上升。這主要是因為激光束的發(fā)散角大，隨距離的增加，激光面呈指數(shù)增加，使探測器可接收的光功率減少，可以看到在距離為100 m時，誤碼率已經(jīng)達到10-8數(shù)量級，已經(jīng)不能滿足通信性能要求。圖10給出了誤碼率隨距離變化曲線。從圖中可以看出，隨距離的增加，系統(tǒng)誤碼率增加。在發(fā)射功率為100 mW、大氣衰減為25 dB/km和發(fā)散角為10 mrad條件下，以誤碼率小于10-9作為衡量標準，其裝定的有效距離可以達到94 m。

表2 系統(tǒng)性能參數(shù)

圖8 接受信號波形Fig.8 Received signal waveforms

圖9 仿真系統(tǒng)眼圖Fig.9 Eye diagrams of simulation system

圖10 距離與誤碼率的關(guān)系曲線Fig.10 Min.log of BER vs.range

4 結(jié)論

本文提出了基于無線激光通信的引信外彈道裝定方法。該方法利用無線激光的近地通信在外彈道形成激光信息場，彈丸飛經(jīng)激光信息場時通過復(fù)合接收方式實現(xiàn)引信信息裝定。通過Optisystem對激光裝定的通信性能進行仿真，結(jié)果表明在發(fā)射功率為100 mW、大氣衰減為25 dB/km和發(fā)散角為10 mrad條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)94 m內(nèi)的引信裝定。由于本文旨在驗證無線激光裝定系統(tǒng)的有效性，各器件的參數(shù)還可以進一步優(yōu)化以提升系統(tǒng)性能。通過提高發(fā)射功率、減少光強損耗、提高探測靈敏度等方法提高系統(tǒng)性能。通過該方法實現(xiàn)發(fā)射后引信裝定，對提高彈藥作戰(zhàn)效能具有重要的應(yīng)用價值。