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激光敌我识别系统的分析与设计

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来源: 作者: 2018-10-28 12:05:41

激光敌我识别系统的分析与设计

导读:

激光敌我识别就是利用激光通信系统作为密码收发器的敌我识别方式。目前,世界上许多国家都在大力开发这种提高敌我识别效能的技术。在我国,由于武器装备中光电仪器研制进程较慢

激光敌我识别就是利用激光通信系统作为密码收发器的敌我识别方式。目前,世界上许多国家都在大力开发这种提高敌我识别效能的技术。在我国,由于武器装备中光电仪器研制进程较慢,长期以来,敌我识别尚是一项空白。为了提高我国的综合国力,适应现代战争的发展和需要,研制有效的敌我识别系统已经受到军方重视,并列为国家重点项目。同时,由于近几年国内的激光技术发展迅猛,相对于红外和毫米波等其它技术较为成熟,因此考虑利用激光目标识别和通信技术实现敌我识别这一方案。 总体结构   激光目标识别系统总体结构框图如图1所示。   首先,通过两个半导体激光器与控制电路驱动所产生的激光脉冲,经两个光轴互相平行的光学系统准直后,作为目标识别与通信系统的载波信号。全方位 PIN激光接收电路系统由五路相同的广角PIN激光接收机组成,它接收到的激光脉冲信号,经放大及信号处理后,送给主机控制系统。在整个过程中,系统的各项功能都在主单片机控制下完成。六路子单片机AT89C2051分别用来处理来自五路PIN激光接收和APD定向接收的数字信息,完成数字通信中的译码与纠错码功能,并实现六路子机与主单片机之间的串行通信。   在目标识别与数字通信工作状态时,两个激光器发射的是经编码的激光脉冲,以扩大光斑和提高发射激光脉冲能量。识别方首先以数字通信方式向被识别方发射密码,当对方的全方位PIN光电接收机接收到启动转镜的密码后,由主单片机控制角反射镜转动,进行光波调制,然后发射载波回波信号。最后由主机进行回波信号特征识别,以达到辨别目标的目的。   在语音通信工作状态时,两个激光器交替发射经过主机控制的PPM调制激光脉冲,以增加载波频率,此时,APD目标回波探测系统具有定向语音和数字通信功能。广角PIN激光接收电路系统完成全方位激光脉冲的接收与处理功能,其中的五路PIN接收系统构成正前、左前、右前、左后和右后五个接收方位。主机控制系统控制激光发射、选择接通话路以及键盘控制和显示等各个功能。 激光发射系统   本系统采用半导体激光器作为光源,它光束质量好、能量高度集中、峰值辐射功率高、方向性好,此外体积小,可通过电源直接迅速调制,所以用半导体激光器可以使光源部分做得很小。但是半导体激光器的重复频率较低,很难满足语音通信的要求,为此,采用两个激光器轮流发射的工作方式从而使重复频率提高一倍。   另外,在发射系统中有目标识别、数字通信和语音通信三种工作状态。在目标识别和数字通信状态时,采用脉冲编码方式,激光器同时发射重复频率为1.25kHz的激光载波;在语音通信状态时,采用频率插补的交替发射方式,发射激光载波的重复频率提高一倍,为2.5kHz。   激光发射系统由脉冲分配与控制电路,窄脉冲产生电路,功率驱动,功率开关电路以及DC/DC变换电路等组成。通过调制器把模拟信号或数字信号叠加在激光器发射的光源上,信号光脉冲经光学系统聚焦、准直之后作为询问信号发到自由空间传播,完成一个激光发射过程。如图2所示。 脉冲分配电路设计   脉冲分配电路(电路设计见图3)在控制信号作用下有两种工作状态:在语音通信状态,经光电耦合器隔离的PPM信号被2分频,分别作为两路激光器窄脉冲形成电路的驱动脉冲信号;在数字通信状态,编码的数字脉冲信号被同时分配给两路窄脉冲形成电路。窄脉冲形成电路在输入信号的下降沿作用下,产生满足激光器要求的ns的窄脉冲。该窄脉冲作为驱动电路的输入,由驱动电路进行信号功率放大,以便满足驱动功率开关管IRF450的要求;在目标识别状态,由主机控制输出编码激光脉冲。来自主机的控制信号控制激光发射电路的工作状态。 激光发射电路设计   窄脉冲形成电路(波形图见图4)由不可重复再触发单稳态触发器54LS221和门电路等组成。由MC33152P高速双场效应晶体管驱动器构成驱动电路。它是专门为需要用TTL电平驱动具有高转换速率、大容性负载的场合设计的,输入可与TTL、CMOS电平兼容,两个大电流推挽输出特别适合于驱动大功率的MOSFET。电路内部具有两个独立的1.5A推挽输出通道,当负载电容为1000pF时,输出上升和下降时间为15ns。   采用高速VMOS场效应管IRF450作为功率开关驱动半导体激光器发射激光,它与传统的高速可控硅功率驱动电路相比,具有体积小,驱动电路简单等优点。IRF450主要参数:IDmax=52A,VDS=450V,tr30ns。激光器要求驱动电压180V、工作电流40A左右。激光发射电路如图5所示。 激光电源设计方法   当两个激光器同时发射时,瞬时峰值电流达80A以上,因此,激光发射电路是整机的主要干扰源。主要以辐射和传导等形式干扰其它电子电路,特别是通过供电系统对模拟电路形成干扰。为提高抗干扰能力,激光器的供电电路采取了隔离与滤波等措施,原理框图如图6所示。   对于激光电源平均功率的估算,考虑留有一定余量,设单个激光器最高重复频率为1.25kHz,脉宽为150ns,峰值电流ID=50A。对于电源输出平均功率,考虑需留有一定余量,要求DC/DC变换器输出功率为10W。为减小尖峰脉冲干扰,DC/DC变换电路输入和输出均经电源滤波器滤波。 APD回波信号探测系统   APD回波信号探测技术广泛应用于激光测距、激光通信、激光雷达、激光敌我识别等领域。其原理框图如图7所示。经接收光学系统汇聚到 APDC30950E上的激光回波信号,由视频放大电路放大后,作为门限鉴别和噪声检测电路的输入信号。根据系统探测虚警率技术指标要求设置判决门限,由门限鉴别和信号处理电路将回波信号整形为一定宽度的方波脉冲序列,并传送给主单片机进行信号特征识别;由多门限噪声检测电路检测判决点处的噪声,并将检测结果通过接口电路传送给单片机AT89C2051,单片机AT89C2051根据判决点处的噪声状况,通过D/A电路AD7524,控制DC/DC变换电路产生APD工作偏压。时序控制和信号处理电路,在系统控制信号的作用下,产生盲区控制、抑制后向散射干扰和距离波门控制信号,以便提高系统的抗干扰能力,降低误码率。 全方位PIN激光接收系统   全方位PIN激光接收系统的任务是接收全方位的激光脉冲及其方位信息,识别钥匙密码,其工作原理见图8。   在自由空间光电信号探测系统中,广角PIN光电接收机除接收到激光信号外,还将接收到探测器空间和频率范围内较强的背景辐射,使接收信噪比降低,影响光电接收系统的性能。背景辐射光源可分为两类:   1、扩展背景,这种光源被假定为充满整个背景,因此它出现在整个接收机视场内;   2、分立光源或点光源,它们比较局域化,强度也较大,可能出现也可能不出现在接收机视场内。在空间系统中,天空是主要的扩展背景,而局域化光源对应于星体、月亮和太阳等等。背景辐射成为空间光电探测系统的主要噪声源。 系统精度分析   激光敌我识别系统的工作波长为0.904μm,6个PIN探测器和1个APD光电接收器,用以实现360°全方位激光接收,系统工作距离,地对地大于3km,地对空大于6km。 识别准确度   系统软件容错能力主要与采用的识别码有关,本系统采用的识别码由8位同步码和200位信息码组成,同步码的作用是使对方能识别信息码的首位而使其同步。发送方循环发送五次,接收方循环接收5次,5次判别同步码,3次判别信息码,判别原则是同步码符合且3次信息码中有1次以上相同,则判别为友方。其中循环发送是为了保证接收方能收到,多次判别是为了减少误码率。发生误判的可能情况:   1)把敌方识别为友方。  此种情况下,发送的同步码有8位相同,该情况发生的概率:  Pe1/28  即:Pe0.00024。   2)把友方识别为敌方。   这种错误的产生可能有两种原因,一种是不能识别同步码,如果系统5次找不到同步码将判断为敌方。另一种是信息码传输发生畸变,由于友方传送来的密码中与预定密码不相同,所以将友方识别为敌方,说明至少有9位以上的信息码在传输中发生畸变。经计算,这样的概率小于0.00013。 识别时间   识别时间有询问方发送激光束的时间、延时时间和发送接收同步过程所耗的时间构成。微机系统进行信息判别的时间可以忽略不计。   1)发送光束时间   由于发送方循环发送5组编码,每组编码长为200bit,则总长为1000bit,激光器的调制频率为10kHz,所以,单程发送时间为100ms。来回传输总时间为200ms。   2)延时时间   设计延时时间的目的是为等待战车敌我识别后打开射频发射器,它由判别时间和射频天线阵列调整方位的时间决定,经过估算略为400ms。   3)发送并接收时系统的处理时间略为300ms   综上所述,系统总的识别时间大约为900ms,满足战场作战快速反应的需求。 结语   本文参照第三代主战坦克激光敌我识别及辅助通信系统,主要从理论和实践两个方面论述该系统的设计与研制等有关技术问题。重点对电控部分进行详细的介绍,包括激光发射系统、APD回波信号探测系

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