激光敵我識別系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]激光敵我識別就是利用激光通信系統(tǒng)作為密碼收發(fā)器的敵我識別方式。目前，世界上許多國家都在大力開發(fā)這種提高敵我識別效能的技術(shù)。在我國，由于武器裝備中光電儀器研制進(jìn)程較慢，長期以來，敵我識別尚是一項(xiàng)空白。為
激光敵我識別就是利用激光通信系統(tǒng)作為密碼收發(fā)器的敵我識別方式。目前，世界上許多國家都在大力開發(fā)這種提高敵我識別效能的技術(shù)。在我國，由于武器裝備中光電儀器研制進(jìn)程較慢，長期以來，敵我識別尚是一項(xiàng)空白。為了提高我國的綜合國力，適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展和需要，研制有效的敵我識別系統(tǒng)已經(jīng)受到軍方重視，并列為國家重點(diǎn)項(xiàng)目。同時(shí)，由于近幾年國內(nèi)的激光技術(shù)發(fā)展迅猛，相對于紅外和毫米波等其它技術(shù)較為成熟，因此考慮利用激光目標(biāo)識別和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)敵我識別這一方案。
總體結(jié)構(gòu)
激光目標(biāo)識別系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
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首先，通過兩個(gè)半導(dǎo)體激光器與控制電路驅(qū)動所產(chǎn)生的激光脈沖，經(jīng)兩個(gè)光軸互相平行的光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，作為目標(biāo)識別與通信系統(tǒng)的載波信號。全方位PIN激光接收電路系統(tǒng)由五路相同的廣角PIN激光接收機(jī)組成，它接收到的激光脈沖信號，經(jīng)放大及信號處理后，送給主機(jī)控制系統(tǒng)。在整個(gè)過程中，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能都在主單片機(jī)控制下完成。六路子單片機(jī)AT89C2051分別用來處理來自五路PIN激光接收和APD定向接收的數(shù)字信息，完成數(shù)字通信中的譯碼與糾錯(cuò)碼功能，并實(shí)現(xiàn)六路子機(jī)與主單片機(jī)之間的串行通信。
在目標(biāo)識別與數(shù)字通信工作狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)激光器發(fā)射的是經(jīng)編碼的激光脈沖，以擴(kuò)大光斑和提高發(fā)射激光脈沖能量。識別方首先以數(shù)字通信方式向被識別方發(fā)射密碼，當(dāng)對方的全方位PIN光電接收機(jī)接收到啟動轉(zhuǎn)鏡的密碼后，由主單片機(jī)控制角反射鏡轉(zhuǎn)動，進(jìn)行光波調(diào)制，然后發(fā)射載波回波信號。最后由主機(jī)進(jìn)行回波信號特征識別，以達(dá)到辨別目標(biāo)的目的。
在語音通信工作狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)激光器交替發(fā)射經(jīng)過主機(jī)控制的PPM調(diào)制激光脈沖，以增加載波頻率，此時(shí)，APD目標(biāo)回波探測系統(tǒng)具有定向語音和數(shù)字通信功能。廣角PIN激光接收電路系統(tǒng)完成全方位激光脈沖的接收與處理功能，其中的五路PIN接收系統(tǒng)構(gòu)成正前、左前、右前、左后和右后五個(gè)接收方位。主機(jī)控制系統(tǒng)控制激光發(fā)射、選擇接通話路以及鍵盤控制和顯示等各個(gè)功能。
激光發(fā)射系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器作為光源，它光束質(zhì)量好、能量高度集中、峰值輻射功率高、方向性好，此外體積小，可通過電源直接迅速調(diào)制，所以用半導(dǎo)體激光器可以使光源部分做得很小。但是半導(dǎo)體激光器的重復(fù)頻率較低，很難滿足語音通信的要求，為此，采用兩個(gè)激光器輪流發(fā)射的工作方式從而使重復(fù)頻率提高一倍。
另外，在發(fā)射系統(tǒng)中有目標(biāo)識別、數(shù)字通信和語音通信三種工作狀態(tài)。在目標(biāo)識別和數(shù)字通信狀態(tài)時(shí)，采用脈沖編碼方式，激光器同時(shí)發(fā)射重復(fù)頻率為1.25kHz的激光載波；在語音通信狀態(tài)時(shí)，采用頻率插補(bǔ)的交替發(fā)射方式，發(fā)射激光載波的重復(fù)頻率提高一倍，為2.5kHz。
激光發(fā)射系統(tǒng)由脈沖分配與控制電路，窄脈沖產(chǎn)生電路，功率驅(qū)動，功率開關(guān)電路以及DC/DC變換電路等組成。通過調(diào)制器把模擬信號或數(shù)字信號疊加在激光器發(fā)射的光源上，信號光脈沖經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦、準(zhǔn)直之后作為詢問信號發(fā)到自由空間傳播，完成一個(gè)激光發(fā)射過程。如圖2所示。
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脈沖分配電路設(shè)計(jì)[!--empirenews.page--]
脈沖分配電路（電路設(shè)計(jì)見圖3）在控制信號作用下有兩種工作狀態(tài)：在語音通信狀態(tài)，經(jīng)光電耦合器隔離的PPM信號被2分頻，分別作為兩路激光器窄脈沖形成電路的驅(qū)動脈沖信號；在數(shù)字通信狀態(tài)，編碼的數(shù)字脈沖信號被同時(shí)分配給兩路窄脈沖形成電路。窄脈沖形成電路在輸入信號的下降沿作用下，產(chǎn)生滿足激光器要求的120-150ns的窄脈沖。該窄脈沖作為驅(qū)動電路的輸入，由驅(qū)動電路進(jìn)行信號功率放大，以便滿足驅(qū)動功率開關(guān)IRF450的要求；在目標(biāo)識別狀態(tài)，由主機(jī)控制輸出編碼激光脈沖。來自主機(jī)的控制信號控制激光發(fā)射電路的工作狀態(tài)。
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激光發(fā)射電路設(shè)計(jì)
窄脈沖形成電路（波形圖見圖4）由不可重復(fù)再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器54LS221和門電路等組成。由MC33152P高速雙場效應(yīng)晶體管驅(qū)動器構(gòu)成驅(qū)動電路。它是專門為需要用TTL電平驅(qū)動具有高轉(zhuǎn)換速率、大容性負(fù)載的場合設(shè)計(jì)的，輸入可與TTL、CMOS電平兼容，兩個(gè)大電流推挽輸出特別適合于驅(qū)動大功率的MOSFET。電路內(nèi)部具有兩個(gè)獨(dú)立的1.5A推挽輸出通道，當(dāng)負(fù)載電容為1000pF時(shí)，輸出上升和下降時(shí)間為15ns。
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采用高速VMOS場效應(yīng)管IRF450作為功率開關(guān)驅(qū)動半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光，它與傳統(tǒng)的高速可控硅功率驅(qū)動電路相比，具有體積小，驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。IRF450主要參數(shù)：IDmax=52A，VDS=450V，tr<30ns。激光器要求驅(qū)動電壓180V、工作電流40A左右。激光發(fā)射電路如圖5所示。
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激光電源設(shè)計(jì)方法
當(dāng)兩個(gè)激光器同時(shí)發(fā)射時(shí)，瞬時(shí)峰值電流達(dá)80A以上，因此，激光發(fā)射電路是整機(jī)的主要干擾源。主要以輻射和傳導(dǎo)等形式干擾其它電子電路，特別是通過供電系統(tǒng)對模擬電路形成干擾。為提高抗干擾能力，激光器的供電電路采取了隔離與濾波等措施，原理框圖如圖6所示。
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對于激光電源平均功率的估算，考慮留有一定余量，設(shè)單個(gè)激光器最高重復(fù)頻率為1.25kHz，脈寬為150ns，峰值電流ID＝50A。對于電源輸出平均功率，考慮需留有一定余量，要求DC/DC變換器輸出功率為10W。為減小尖峰脈沖干擾，DC/DC變換電路輸入和輸出均經(jīng)電源濾波器濾波。
APD回波信號探測系統(tǒng)[!--empirenews.page--]
APD回波信號探測技術(shù)廣泛應(yīng)用于激光測距、激光通信、激光雷達(dá)、激光敵我識別等領(lǐng)域。其原理框圖如圖7所示。經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)匯聚到APDC30950E上的激光回波信號，由視頻放大電路放大后，作為門限鑒別和噪聲檢測電路的輸入信號。根據(jù)系統(tǒng)探測虛警率技術(shù)指標(biāo)要求設(shè)置判決門限，由門限鑒別和信號處理電路將回波信號整形為一定寬度的方波脈沖序列，并傳送給主單片機(jī)進(jìn)行信號特征識別；由多門限噪聲檢測電路檢測判決點(diǎn)處的噪聲，并將檢測結(jié)果通過接口電路傳送給單片機(jī)AT89C2051，單片機(jī)AT89C2051根據(jù)判決點(diǎn)處的噪聲狀況，通過D/A電路AD7524，控制DC/DC變換電路產(chǎn)生APD工作偏壓。時(shí)序控制和信號處理電路，在系統(tǒng)控制信號的作用下，產(chǎn)生盲區(qū)控制、抑制后向散射干擾和距離波門控制信號，以便提高系統(tǒng)的抗干擾能力,降低誤碼率。
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全方位PIN激光接收系統(tǒng)
全方位PIN激光接收系統(tǒng)的任務(wù)是接收全方位的激光脈沖及其方位信息，識別鑰匙密碼，其工作原理見圖8。
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在自由空間光電信號探測系統(tǒng)中，廣角PIN光電接收機(jī)除接收到激光信號外，還將接收到探測器空間和頻率范圍內(nèi)較強(qiáng)的背景輻射，使接收信噪比降低，影響光電接收系統(tǒng)的性能。背景輻射光源可分為兩類：
1、擴(kuò)展背景，這種光源被假定為充滿整個(gè)背景，因此它出現(xiàn)在整個(gè)接收機(jī)視場內(nèi)；
2、分立光源或點(diǎn)光源，它們比較局域化，強(qiáng)度也較大，可能出現(xiàn)也可能不出現(xiàn)在接收機(jī)視場內(nèi)。在空間系統(tǒng)中，天空是主要的擴(kuò)展背景，而局域化光源對應(yīng)于星體、月亮和太陽等等。背景輻射成為空間光電探測系統(tǒng)的主要噪聲源。
系統(tǒng)精度分析
激光敵我識別系統(tǒng)的工作波長為0.904μm，6個(gè)PIN探測器和1個(gè)APD光電接收器，用以實(shí)現(xiàn)360°全方位激光接收，系統(tǒng)工作距離，地對地大于3km，地對空大于6km。
識別準(zhǔn)確度
系統(tǒng)軟件容錯(cuò)能力主要與采用的識別碼有關(guān)，本系統(tǒng)采用的識別碼由8位同步碼和200位信息碼組成，同步碼的作用是使對方能識別信息碼的首位而使其同步。發(fā)送方循環(huán)發(fā)送五次，接收方循環(huán)接收5次，5次判別同步碼，3次判別信息碼，判別原則是同步碼符合且3次信息碼中有1次以上相同，則判別為友方。其中循環(huán)發(fā)送是為了保證接收方能收到，多次判別是為了減少誤碼率。發(fā)生誤判的可能情況：
1）把敵方識別為友方。
此種情況下，發(fā)送的同步碼有8位相同，該情況發(fā)生的概率：
Pe<1/28
即：Pe<0.00024。
2）把友方識別為敵方。
這種錯(cuò)誤的產(chǎn)生可能有兩種原因，一種是不能識別同步碼，如果系統(tǒng)5次找不到同步碼將判斷為敵方。另一種是信息碼傳輸發(fā)生畸變，由于友方傳送來的密碼中與預(yù)定密碼不相同，所以將友方識別為敵方，說明至少有9位以上的信息碼在傳輸中發(fā)生畸變。經(jīng)計(jì)算，這樣的概率小于0.00013。
識別時(shí)間
識別時(shí)間有詢問方發(fā)送激光束的時(shí)間、延時(shí)時(shí)間和發(fā)送接收同步過程所耗的時(shí)間構(gòu)成。微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息判別的時(shí)間可以忽略不計(jì)。
1）發(fā)送光束時(shí)間
由于發(fā)送方循環(huán)發(fā)送5組編碼，每組編碼長為200bit，則總長為1000bit，激光器的調(diào)制頻率為10kHz，所以，單程發(fā)送時(shí)間為100ms。來回傳輸總時(shí)間為200ms。
2)延時(shí)時(shí)間
設(shè)計(jì)延時(shí)時(shí)間的目的是為等待戰(zhàn)車敵我識別后打開射頻發(fā)射器，它由判別時(shí)間和射頻天線陣列調(diào)整方位的時(shí)間決定，經(jīng)過估算略為400ms。
3)發(fā)送并接收時(shí)系統(tǒng)的處理時(shí)間略為300ms
綜上所述，系統(tǒng)總的識別時(shí)間大約為900ms，滿足戰(zhàn)場作戰(zhàn)快速反應(yīng)的需求。
結(jié)語
本文參照第三代主戰(zhàn)坦克激光敵我識別及輔助通信系統(tǒng)，主要從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面論述該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制等有關(guān)技術(shù)問題。重點(diǎn)對電控部分進(jìn)行詳細(xì)的介紹，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、APD回波信號探測系統(tǒng)和全方位PIN激光接收系統(tǒng)，為敵我識別技術(shù)的發(fā)展提供了一些參考。
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