基于光載波攜能的制導(dǎo)武器無(wú)線(xiàn)攜能通信研究

周明進(jìn)，侯如非，陳 釗，張 帥，孟宇麟，丁立平

（1.中國(guó)人民解放軍32381 部隊(duì)，北京 100072；2.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

0 引言

在傳統(tǒng)制導(dǎo)武器發(fā)射控制技術(shù)中，地面設(shè)備和制導(dǎo)武器通過(guò)電氣連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行接觸式連接，傳輸信號(hào)包括供電、通信、分立等，電氣連接機(jī)構(gòu)在制導(dǎo)武器分離時(shí)通過(guò)軸向剪切或徑向拔除等方式分離。隨著現(xiàn)代化作戰(zhàn)方式的不斷發(fā)展，小型化多功能彈藥和超高速制導(dǎo)炮彈的不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)接插件式連接方案越來(lái)越難以滿(mǎn)足武器裝備自動(dòng)化裝填、高密度發(fā)射、無(wú)人智能化、多彈藥一體化等需求。無(wú)線(xiàn)攜能通信技術(shù)綜合運(yùn)用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳電技術(shù)，取消了制導(dǎo)武器和發(fā)射裝置之間的電氣互聯(lián)。電氣鏈路具有耦合低、通用性強(qiáng)、高安全、高可靠、對(duì)接便捷等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛，必要性愈發(fā)凸顯。

隨著實(shí)際作戰(zhàn)電磁環(huán)境日益復(fù)雜，尤其當(dāng)電流強(qiáng)磁干擾和電磁脈沖干擾的頻譜較寬時(shí)，電磁等傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信方式將被嚴(yán)重干擾，從而對(duì)制導(dǎo)武器的無(wú)線(xiàn)發(fā)射控制產(chǎn)生不利影響。針對(duì)強(qiáng)電磁環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)發(fā)射技術(shù)，需研制新型可靠的無(wú)線(xiàn)發(fā)射數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。光通信、光傳能具有電氣隔離、對(duì)電磁干擾天然免疫的能力，是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電磁環(huán)境無(wú)線(xiàn)攜能通信的優(yōu)選技術(shù)途徑。文獻(xiàn)［10］針對(duì)機(jī)載環(huán)境設(shè)計(jì)了一種無(wú)線(xiàn)光通信設(shè)備，通過(guò)研制樣機(jī)在模擬環(huán)境下驗(yàn)證了無(wú)線(xiàn)光通信的抗電磁干擾性和通信穩(wěn)定性，但該設(shè)備需外部供電，無(wú)法滿(mǎn)足攜能通信的目的。文獻(xiàn)［11］設(shè)計(jì)了基于環(huán)境光能量收集的低功耗傳感器，通過(guò)高效的光照能量收集管理方案，可以維持該傳感器的工作而無(wú)需外部供電，但該傳感器依賴(lài)于藍(lán)牙通信，同樣存在被強(qiáng)電磁干擾的可能。如何合理地設(shè)計(jì)光路，實(shí)現(xiàn)光能傳輸和光通信的有效結(jié)合，對(duì)實(shí)現(xiàn)光攜能通信具有重要意義。此外，考慮到光攜能通信無(wú)外部供電，攜能通信部分的電路要求實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)工作，光傳能的接收部分不僅要對(duì)外輸出功率，還要維持通信鏈路的工作，受限于武器直徑空間，通信系統(tǒng)的微功耗、自驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)將成為難點(diǎn)。

本文針對(duì)強(qiáng)電磁環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)發(fā)射技術(shù)，提出了一種基于光載波攜能的無(wú)線(xiàn)發(fā)射數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。采用多波段和雙光源方案，實(shí)現(xiàn)將可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)能量傳輸和紅外通信技術(shù)的結(jié)合，且通信系統(tǒng)功耗低、可自驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射裝置對(duì)制導(dǎo)武器的可靠無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信，可有效應(yīng)用于強(qiáng)電磁環(huán)境下的武器無(wú)線(xiàn)發(fā)射場(chǎng)景。

1 無(wú)線(xiàn)發(fā)射數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)架構(gòu)

無(wú)線(xiàn)發(fā)射數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)合理光路實(shí)現(xiàn)光通信和光能傳輸?shù)慕Y(jié)合是重點(diǎn)。文獻(xiàn)［12-14］對(duì)紅外光通信技術(shù)進(jìn)行了論述和驗(yàn)證，結(jié)果表明紅外光通信具備協(xié)議簡(jiǎn)單、功耗低、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可有效應(yīng)用于光傳能場(chǎng)景；文獻(xiàn)［15-16］對(duì)光伏效應(yīng)材料的特性展開(kāi)了研究，結(jié)果表明，采用匹配光伏材料響應(yīng)譜的多波段光，有益于獲得最大能量匹配接收。為有效避免通信干擾并實(shí)現(xiàn)最大能量傳輸，無(wú)線(xiàn)發(fā)射數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用基于紅外光通信、多波段可見(jiàn)光傳能的雙光源方案，主要由發(fā)射端和接收端兩部分組成，如圖1 所示。該方案通過(guò)獨(dú)立的光通信系統(tǒng)、光源控制系統(tǒng)，將通信和傳能的光在光譜上進(jìn)行分離。與傳統(tǒng)的電學(xué)上分離不同，該方案極大簡(jiǎn)化了接收端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，釋放了受限的武器內(nèi)部空間，便于實(shí)現(xiàn)發(fā)射端和接收端之間可靠的雙向攜能通信。

圖1 通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Communication system architecture

在武器的無(wú)線(xiàn)發(fā)射過(guò)程中，該通信系統(tǒng)的工作邏輯可概括如下：1）發(fā)射端發(fā)送可見(jiàn)光束照射在接收端，接收端將其轉(zhuǎn)化為電能，提供給光通信部分電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)；2）待接收端電源穩(wěn)定后，在發(fā)射端的光源中混合1 束紅外光，通過(guò)脈沖編碼方式攜帶通信數(shù)據(jù)流，被接收端解碼后進(jìn)行存儲(chǔ)；3）待接收端解碼、校驗(yàn)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后，用剩余的電能向發(fā)射端回應(yīng)1 幀簡(jiǎn)短的紅外脈沖編碼信號(hào)，表示數(shù)據(jù)幀序號(hào)是否完整、正確；4）如果接收端正確解碼、接收數(shù)據(jù)且校驗(yàn)成功，則將其保存在存儲(chǔ)器中，之后進(jìn)入休眠狀態(tài)，在以上過(guò)程中，武器接口和副電源均處于未上電狀態(tài)；5）武器被發(fā)射飛行約3 s 后，其內(nèi)部的電池被激活，通過(guò)副電源接口給模組通電，喚醒存儲(chǔ)系統(tǒng)的處理器，讀取存儲(chǔ)器內(nèi)保存的數(shù)據(jù)，并傳回到武器的內(nèi)部設(shè)備中。

1.1 雙光路發(fā)射端

發(fā)射端采用雙譜段光源，分別實(shí)現(xiàn)光傳能和光通信，其電路方案如圖2 所示。發(fā)射端主要包括作為能量載體的可見(jiàn)光源、作為通信載體的紅外光源、復(fù)合和濾光光路。通信和傳能的光在光譜上進(jìn)行分離，可以有效地防止自然狀態(tài)下陽(yáng)光對(duì)信息傳輸?shù)母蓴_，在近距離條件下，該通信可靠性更高。此外，可采用濾光片消除環(huán)境光的工作波段，降低通信錯(cuò)誤概率。

圖2 發(fā)射端電路方案Fig.2 Transmitter circuit scheme

對(duì)于系統(tǒng)光能量傳輸，考慮到傳輸距離較近，發(fā)射端光源采用LED 陣列配合透鏡聚光。設(shè)LED發(fā)射光功率為，則有

式中：為L(zhǎng)ED 中心輻 射強(qiáng)度；為L(zhǎng)ED 光束 輻射角；()為相對(duì)輻射強(qiáng)度分布函數(shù)；為發(fā)光立體角，與最大光束半角有關(guān)，d用sindd表示。

由式（2）可得為

則有輻射強(qiáng)度()為

當(dāng)接收端有效感光面積滿(mǎn)足?時(shí)（為光束傳輸距離），可得()為

則接受端光功率為

為使光能量集中，發(fā)射端采用非郎伯型LED，不適用于郎伯輻射定律?；贚ED 光子輻射機(jī)理，其相對(duì)輻射強(qiáng)度分布函數(shù)()可使用高斯函數(shù)擬合。發(fā)射端的光傳能功率可基于式（6）針對(duì)接收端需求功率作相應(yīng)調(diào)節(jié)。

針對(duì)LED 波長(zhǎng)選擇，為提高接收端光-電轉(zhuǎn)換效率，接收端的光伏電池板采用三結(jié)砷化鎵材料，3個(gè)PN 結(jié)為串聯(lián)關(guān)系。從光譜能量匹配方面進(jìn)行分析，在接收端表面3 種波段的光強(qiáng)相同的情況下，更有利于達(dá)到最大能量匹配接收的目的。遵循最大能量匹配電池板響應(yīng)譜的原則，選擇3 種波段可見(jiàn)光進(jìn)行混合，以分別激發(fā)三結(jié)光伏電池板的3 個(gè)PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)最大能量匹配接收的目的。

對(duì)于光通信部分，系統(tǒng)采用紅外光進(jìn)行通信，一方面容易和串行數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換；另一方面通過(guò)脈沖方式集中能量，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。通信方案中，發(fā)射端和接收端均采用3/16 脈沖編碼，如圖3 所示，提供雙向通信能力，采用IrDA 推薦的基本編碼可以達(dá)到115.2 kbit/s 的速率。

圖3 光通信編碼方案Fig.3 Optical communication coding scheme

1.2 低功耗接收端

為滿(mǎn)足接收端體積小、功耗低的要求，接收端設(shè)計(jì)如圖4 所示，包含光伏電池板、紅外雙向通信部分和微處理器組合（存儲(chǔ)、接口）。

圖4 接收端電路設(shè)計(jì)方案Fig.4 Receiver circuit scheme

通信系統(tǒng)無(wú)外部供電，光傳能的接收部分不僅要對(duì)外輸出功率，還需維持通信鏈路的工作。提高接收端光電轉(zhuǎn)換效率，降低后端電路功耗尤為關(guān)鍵。接收端光伏板的工作狀態(tài)可由“五參數(shù)模型”描述：

式中：、分別為光伏板輸出電流和輸出電壓；、分別為光生電流和暗電流；∝為理想?yún)?shù)因子；和分別為并聯(lián)等效電阻和串聯(lián)等效電阻。

由于除非光強(qiáng)較大時(shí)，一般遠(yuǎn)小于輸出電壓，上式可簡(jiǎn)化為

因光生電流和光伏板接受光照強(qiáng)度有關(guān)，可以描述為

式中：為比例系數(shù)；?(，)為光伏板(，)處所能接收到的有效光子數(shù)?？紤]到發(fā)射端光源較為穩(wěn)定，接收端接受面積受限較小，光伏板上有效光子數(shù)近乎平均，式（9）可改寫(xiě)為

式中：為光伏板面積；為光照強(qiáng)度；為常數(shù)系數(shù)。由式（2）可得光伏板輸出功率為

式中：為輸出電壓。對(duì)該式求偏導(dǎo)，可求得最大功率對(duì)應(yīng)的輸出電壓。

光伏板后端的電路工作電壓可和光照強(qiáng)度進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，以獲得最大的輸出功率。

為節(jié)省功耗，接收端中的微處理器組合設(shè)計(jì)為休眠、光通信接收、光通信發(fā)射和接口通信4 種工作模式：1）休眠模式下，光源照射光伏電池板，整個(gè)電路正處于等待儲(chǔ)能環(huán)節(jié)充電狀態(tài)，所有芯片被強(qiáng)制處于休眠狀態(tài)，單片機(jī)處于低功耗狀態(tài)；2）光通信接收模式下，發(fā)射端向接收端通過(guò)光信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存器處于存儲(chǔ)訪(fǎng)問(wèn)狀態(tài)，紅外收發(fā)器處于接收狀態(tài)，單片機(jī)處于全速工作狀態(tài)，接口芯片無(wú)需啟動(dòng)，處于休眠狀態(tài)；3）光通信發(fā)射模式下，接收端向發(fā)射端回饋正確應(yīng)答信號(hào)，紅外收發(fā)器切換為發(fā)射狀態(tài)，其他元件的工作狀態(tài)和接收狀態(tài)相同，此時(shí)所需功率可能比光接收功率更大，所需能量可由儲(chǔ)能電容放電提供；4）接口通信模式中下，接收端由武器內(nèi)電池供電，紅外芯片無(wú)需啟動(dòng)，處于休眠狀態(tài)，其他模塊均需啟動(dòng)，單片機(jī)處于全速工作狀態(tài)，儲(chǔ)存器處于存儲(chǔ)讀取狀態(tài)，接口芯片處于工作狀態(tài)。

1.3 通信邏輯設(shè)計(jì)

系統(tǒng)光通信選用國(guó)際上通用的X-Modem 協(xié)議，協(xié)議規(guī)定每1 幀數(shù)據(jù)由1 字節(jié)幀頭（Start of Header，SOH）、1 字節(jié)幀序號(hào)、1 字節(jié)幀序號(hào)補(bǔ)碼、128 字節(jié)數(shù)據(jù)和2 字節(jié)循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check，CRC）校驗(yàn)值組成，協(xié)議中的校驗(yàn)重發(fā)機(jī)制可以保證通信的準(zhǔn)確率。

為進(jìn)一步防止外部干擾并降低功耗，設(shè)計(jì)基于雙向應(yīng)答和重傳機(jī)制的低功耗通信邏輯，在保證通信可靠的同時(shí)減少接收端的能量損耗。在低功耗通信邏輯下，接收端狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖5 所示。當(dāng)發(fā)射端開(kāi)始提供光能一定時(shí)間（儲(chǔ)能電容電量充滿(mǎn)時(shí)間）后，啟動(dòng)接收端系統(tǒng)，從休眠模式進(jìn)入光通信發(fā)射模式，向發(fā)射端發(fā)送通信開(kāi)啟字符以開(kāi)啟通信。發(fā)送完通信開(kāi)啟字符后，接收端進(jìn)入休眠模式，如接收端在內(nèi)未收到發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，則接收端會(huì)再次進(jìn)入光通信發(fā)射模式，發(fā)送通信開(kāi)啟字符重新開(kāi)啟通信；如接收端在內(nèi)收到了發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，則接收端會(huì)轉(zhuǎn)換至光通信接收模式。當(dāng)接收端收到1 個(gè)字節(jié)后的等待時(shí)間內(nèi)未收到新的字節(jié)，則認(rèn)為該字節(jié)為該數(shù)據(jù)幀的幀尾，此時(shí)接收端進(jìn)入到接受好的狀態(tài)，各個(gè)芯片的工作模式和接收中狀態(tài)相同，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)。校驗(yàn)結(jié)束后，接收端將變?yōu)楣馔ㄐ虐l(fā)射模式，向發(fā)射端回復(fù)確認(rèn)字符（Acknowledge Character，ACK）確認(rèn)數(shù)據(jù)正確或是回復(fù)否定應(yīng)答（Negative Acknowledgment，NAK）要求重發(fā)數(shù)據(jù)。發(fā)送之后，接收系統(tǒng)將進(jìn)入休眠模式，等待新的數(shù)據(jù)或者重發(fā)的數(shù)據(jù)。在此狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖下，接收端在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，絕大部分時(shí)間處于休眠模式，大幅減少了接收端的總體功耗。

圖5 低功耗通信狀態(tài)轉(zhuǎn)移Fig.5 Low-power communication state transition diagram

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證提出的強(qiáng)電磁環(huán)境無(wú)線(xiàn)發(fā)射數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的可靠性和有效性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)原理Fig.6 Schematic diagram of the test system

在夾具和武器模型上實(shí)現(xiàn)發(fā)射端和接收端的安裝固定，整體安裝在光學(xué)滑軌上，以便調(diào)節(jié)和測(cè)試收、發(fā)距離；用輔助電源給發(fā)射端供電，用模擬武器電池給接收端供電，計(jì)算機(jī)和發(fā)射端、接收端模塊通過(guò)RS-422 轉(zhuǎn)USB 接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的傳輸。搭建試驗(yàn)平臺(tái)如圖7 所示。

圖7 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Experiment platform

2.2 通信速率及誤碼率測(cè)試

將發(fā)射端和接收端分別通過(guò)RS-422 轉(zhuǎn)USB接口和上位機(jī)端相連，設(shè)置發(fā)射端和上位機(jī)的通信速率為115 200 bit/s，接收端和發(fā)射端的通信速率為115 200 bit/s，接收端和PC 的通信速率為614 400 bit/s。輔助電源對(duì)發(fā)射端上電28 V，通過(guò)發(fā)射端依次發(fā)送10 次4 kbit 數(shù)據(jù)給接收端（以128 字節(jié)為1 幀，共32 幀），接收端依次接收并存儲(chǔ)。對(duì)發(fā)射端進(jìn)行斷電，模擬制導(dǎo)武器系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)接收端上電5 V。通過(guò)上位機(jī)讀取并保存數(shù)據(jù)，如圖8 所示。

圖8 通信速率及誤碼率測(cè)試過(guò)程Fig.8 Test processes of communication rate and bit error rate

整個(gè)過(guò)程，通信啟動(dòng)延遲約160 ms，采用Matlab比對(duì)功能對(duì)收、發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)據(jù)誤碼率＜10，可見(jiàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)通信，如圖9所示。

圖9 誤碼率分析結(jié)果Fig.9 Results of the bit error rate analysis

2.3 接收端功耗測(cè)試

2.3.1 試驗(yàn)方法

1）測(cè)試接收端的初始狀態(tài)和接收狀態(tài)：正常啟動(dòng)接收端，將電流表接入光通信鏈路，一端接儲(chǔ)能電容，另一端接電源芯片的輸入引腳，測(cè)試接收端初始狀態(tài)和接收狀態(tài)的電流。

2）測(cè)試接收端的發(fā)射狀態(tài)：在儲(chǔ)能電容和電源芯片之間串聯(lián)1 Ω 電阻，將電阻的前后兩端分別接示波器探頭1 和2，正常啟動(dòng)接收端，測(cè)出電壓的差值，計(jì)算其電流即為接收端的發(fā)射狀態(tài)的電流。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

按上述接線(xiàn)方法分別測(cè)量并計(jì)算接收端在初始、接收和發(fā)射狀態(tài)下的電流變化，如圖10 所示。

圖10 接收端不同工作狀態(tài)下的電流變化Fig.10 Current changes of the receiver under different working conditions

各個(gè)過(guò)程的功耗計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 接收端功耗測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of the power consumption of the receiver

此時(shí)，發(fā)射端3 種型號(hào)LED 經(jīng)計(jì)算分別消耗電能約為7.08、3.60 和1.80 W，即LED 陣列總功率為12.48 W。設(shè)LED 電能轉(zhuǎn)化為光能的效率為40%，光學(xué)效率系數(shù)為80%，凸透鏡透光率為95%，則從發(fā)射端窗口出去的光能為3.80 W。按照光斑40 mm 圓孔，能夠覆蓋整個(gè)接收端，接收端表面光強(qiáng)約為0.3 W/cm，此時(shí)接收端可獲得超過(guò)100 mW的功率，滿(mǎn)足表1 中的功耗需求，證明通信系統(tǒng)功耗低、可自驅(qū)動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

為應(yīng)對(duì)愈發(fā)復(fù)雜的作戰(zhàn)電磁環(huán)境，提出了一種基于光載波攜能的無(wú)線(xiàn)發(fā)射數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其采用多波段、雙光源方案，主要包括雙光路發(fā)射端和低功耗接收端。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試表明，提出的無(wú)線(xiàn)發(fā)射數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，可有效結(jié)合可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)和紅外通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可靠的攜能通信，且通信系統(tǒng)功耗低、可自驅(qū)動(dòng)，能有效應(yīng)用于強(qiáng)電磁環(huán)境下的制導(dǎo)武器無(wú)線(xiàn)發(fā)射場(chǎng)景。