激光敵我識(shí)別系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]激光敵我識(shí)別就是利用激光通信系統(tǒng)作為密碼收發(fā)器的敵我識(shí)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(shí)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(zhǎng)期以來，敵我識(shí)別尚是一項(xiàng)空白。為
激光敵我識(shí)別就是利用激光通信系統(tǒng)作為密碼收發(fā)器的敵我識(shí)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(shí)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(zhǎng)期以來，敵我識(shí)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(zhēng)的發(fā)展和需要，研制有效的敵我識(shí)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(duì)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(shí)別和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)敵我識(shí)別這一方案。
總體結(jié)構(gòu)
激光目標(biāo)識(shí)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(dòng)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(shí)別與通信系統(tǒng)的載波信號(hào)。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(hào)，經(jīng)放大及信號(hào)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(shí)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(shí)別方首先以數(shù)字通信方式向被識(shí)別方發(fā)射密碼，當(dāng)對(duì)方的全方位PIN光電接收機(jī)接收到啟動(dòng)轉(zhuǎn)鏡的密碼后，由主單片機(jī)控制角反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行光波調(diào)制，然后發(fā)射載波回波信號(hào)。最后由主機(jī)進(jìn)行回波信號(hào)特征識(shí)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(cè)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(shí)別、數(shù)字通信和語音通信三種工作狀態(tài)。在目標(biāo)識(shí)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(dòng)，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(hào)或數(shù)字信號(hào)疊加在激光器發(fā)射的光源上，信號(hào)光脈沖經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦、準(zhǔn)直之后作為詢問信號(hào)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(hào)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(hào)被2分頻，分別作為兩路激光器窄脈沖形成電路的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)；在數(shù)字通信狀態(tài)，編碼的數(shù)字脈沖信號(hào)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(hào)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(dòng)電路的輸入，由驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行信號(hào)功率放大，以便滿足驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)IRF450的要求；在目標(biāo)識(shí)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(hào)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(chǎng)效應(yīng)晶體管驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。它是專門為需要用TTL電平驅(qū)動(dòng)具有高轉(zhuǎn)換速率、大容性負(fù)載的場(chǎng)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(dòng)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(chǎng)效應(yīng)管IRF450作為功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路相比，具有體積小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(hào)探測(cè)系統(tǒng)[!--empirenews.page--]
APD回波信號(hào)探測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于激光測(cè)距、激光通信、激光雷達(dá)、激光敵我識(shí)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(hào)，由視頻放大電路放大后，作為門限鑒別和噪聲檢測(cè)電路的輸入信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)探測(cè)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(hào)處理電路將回波信號(hào)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(hào)特征識(shí)別；由多門限噪聲檢測(cè)電路檢測(cè)判決點(diǎn)處的噪聲，并將檢測(cè)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(hào)處理電路，在系統(tǒng)控制信號(hào)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(hào)，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(shí)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(hào)探測(cè)系統(tǒng)中，廣角PIN光電接收機(jī)除接收到激光信號(hào)外，還將接收到探測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)應(yīng)于星體、月亮和太陽等等。背景輻射成為空間光電探測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源。
系統(tǒng)精度分析
激光敵我識(shí)別系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)為0.904μm，6個(gè)PIN探測(cè)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(duì)地大于3km，地對(duì)空大于6km。
識(shí)別準(zhǔn)確度
系統(tǒng)軟件容錯(cuò)能力主要與采用的識(shí)別碼有關(guān)，本系統(tǒng)采用的識(shí)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(duì)方能識(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)別時(shí)間
識(shí)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(zhǎng)為200bit，則總長(zhǎng)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(shí)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(shí)別時(shí)間大約為900ms，滿足戰(zhàn)場(chǎng)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(shí)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(duì)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(hào)探測(cè)系統(tǒng)和全方位PIN激光接收系統(tǒng)，為敵我識(shí)別技術(shù)的發(fā)展提供了一些參考。
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