基于DSP的多激光威脅信號分選和碼型識別 - 全文

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　　由于激光技術(shù)和激光武器的迅速發(fā)展和大量應用，一個重要的軍事目標在戰(zhàn)場上可能同時受到來自不同方向、不同激光輻射源的照射和跟蹤。這時，激光偵察告警和干擾系統(tǒng)的信號環(huán)境將是許多由一定編碼的脈沖列隨機交迭而成的脈沖流。而現(xiàn)有的激光偵察告警和干擾系統(tǒng)基本不具備快速分選多批目標和碼型識別的能力，已不能適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭的要求。如何在現(xiàn)代日益復雜的戰(zhàn)場環(huán)境下，設計信號處理電路對多激光威脅進行快速的信號分選和碼型識別，從而迅速得到各種激光對抗措施是現(xiàn)代激光偵察告警和干擾系統(tǒng)亟待解決的問題，也是本文討論的重點。

　　1 信號分選和碼型識別的理論依據(jù)

　　將激光告警器能夠截獲的各項激光信息歸納如下：波長λ;脈沖寬度PW;信號強度I;脈沖到達方位DOA;激光脈沖到達時間TOA;激光脈沖重復頻率Fr;激光脈沖編碼code。由于現(xiàn)有的激光器波長和脈寬幾乎都是固定的，多激光威脅的信號分選參數(shù)選擇中，信號強度的分選在技術(shù)上不易實現(xiàn)，重頻與脈沖到達時間是相關(guān)參數(shù)，根據(jù)脈沖到達時間得出，而碼型只有在信號分選和譯碼之后才能獲得，所以只有靠方位和重頻信息進行分選[2]。

　　多激光威脅信號的方位分選主要由偵察告警系統(tǒng)的體制決定，通常由不同方向的光學窗口決定。它是一個輔助分選手段，具有決定意義的分選通過重頻分選完成。激光信號重頻低(1～50pps)、脈寬窄(10～30ns)，接收的信息量小，又具有一定編碼機制，使得分選更加困難。進行信號分選時必須考慮激光編碼的影響，將分選和碼型識別作為一個有機的整體。下面討論激光編碼的規(guī)律，為多激光威脅信號的分選、碼型識別的硬件電路和軟件算法的設計提供依據(jù)。

　　用于半主動制導的激光目標指示器的編碼多采用時間間隔調(diào)制(0，1)編碼。這種編碼方法首先按編碼方案設定好碼型字，然后定時單元以周期T進行循環(huán)定時，每次定時結(jié)束時，讀取當前碼位上的碼元值。若當前位碼元值為“1”，則發(fā)射激光脈沖;若當前位碼元值為“0”，則不發(fā)射激光脈沖。這樣依次讀取碼位上的碼元值，以控制是否發(fā)射激光信號。當碼型字讀取結(jié)束后立即重新讀取碼型字，不斷循環(huán)，直到制導過程結(jié)束。

　　這種編碼通過不同位數(shù)的“0”、“1”排列組合，實現(xiàn)起來非常靈活。編碼主要分為兩大類：固定重頻和位數(shù)的PRF編碼及有限位隨機周期脈沖序列PIM編碼。如果碼型字中的碼元值全是“1”，或兩個相鄰的“1”中“0”的個數(shù)相同，如“1111”或“1010”，則可以組成PRF編碼;如果碼型字中的碼元值是不同個數(shù)的“1”和“0”的任意組合，則可以組成簡單的PIM編碼。

　　實際應用中考慮制導時間短及導引頭自身解碼的方便，編碼方案不能過于復雜，主要采用3~8位碼，采用4位碼的可能性最大。4位激光編碼為了完成制導信號的計時和目標的捕獲，其首位必須是信息位“1”，其他三位有23種組合，按脈沖時間間隔可以分為六大類：1000、1010和1111碼的脈沖時間相等，即PRI1=PRI2=PRI3;1001碼的脈沖時間間隔為PRI1=PRI2=PRI3=3τ;1100碼的脈沖時間間隔PRI1=1/3PRI2=PRI3=τ;1011碼的脈沖時間間隔為PRI1=PRI2=2τ;1101碼的脈沖時間間隔為PRI1=1/2PRI2=PRI3=2τ;1110碼的脈沖時間間隔為PRI1=PRI2=1/2PRI3=τ。其中τ為目標指示器的移位時鐘周期。可以看出，不論哪種碼型，如果檢測第一個脈沖間隔為Tr，以后脈沖間隔肯定為1/3Tr、1/2Tr、2Tr或3Tr。由于各種碼型脈沖時間間隔都各具規(guī)律，所以通過測量前三個脈沖的時間間隔即能判斷出碼型。

　　2 硬件電路設計

　　多激光威脅信號分選和碼型識別硬件原理如圖1所示。不同方向到達的激光信號通過不同通路輸入，每路信號分別對輸入的脈沖進行到達時間的測量，將所有脈沖的到達時間存入數(shù)據(jù)緩存中。與此同時，對輸入的脈沖信號進行幅度和脈寬的測量，然后通過關(guān)聯(lián)比較器與存入其中的常見激光信號的幅度和脈寬范圍比較，剔除無用的干擾，減少DSP信號分選的數(shù)量。接收綜合電路對各路經(jīng)幅度和脈寬選通后的激光脈沖信號的到達時間進行編址存放，等待DSP讀取處理。DSP芯片選用TMS320C6416實現(xiàn)多激光信號的分選和碼型識別。EEPROM用于固化信號分選和碼型識別的算法。經(jīng)DSP分選和碼型識別后編批的激光脈沖參數(shù)信息存入信道分配電路中，由DSP產(chǎn)生同步脈沖信號選通輸出，用于引導有源干擾[5]。

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　　3 軟件算法設計

　　多激光威脅信號分選和碼型識別軟件算法根據(jù)時間間隔調(diào)制4位(0，1)編碼規(guī)律，采用倍數(shù)檢索法，完成同一方向先后到達的激光編碼信號分選和碼型識別功能，其算法流程如圖2所示。

　　算法說明如下：

　　(1)確定激光脈沖重頻范圍PRImin和PRImax，從而確定合理的激光信號分選的基準時鐘Tr，使PRImin≤Tr≤PRImax。對各國激光目標指示器的脈沖重復頻率統(tǒng)計表明：目前激光目標指示器重頻范圍為1～20pps，故PRImin=50ms，PRImax=1s。

　　(2)將數(shù)據(jù)緩沖器的第一個脈沖TOA1設為基準脈沖，并以它與TOA2的時間間隔△T1為假想脈沖重復周期Tr。當Tr小于PRImin時，去掉TOA2，取TOA3為TOA2，重新計算假想Tr，直到Tr≥PRImin。如果Tr≥PRImax，說明第一個脈沖為干擾脈沖，去掉TOA1，以TOA2為基準脈沖，重新開始，直到Tr滿足：PRImin≤Tr≤PRImax。

　　(3)倍數(shù)檢索法的核心是以基準Tr的倍數(shù)時間間隔向前預置窗口，檢索中選脈沖，實現(xiàn)重頻分選。然而，對于四位一組組間不空位的激光編碼脈沖出現(xiàn)，必須以1/3Tr、1/2Tr、Tr、2Tr、3Tr的脈沖間隔向前預置窗口，分選脈沖。在所設基準Tr正確的情況下，以上述脈沖間隔向前預置窗口，可分選出有意義的脈沖列。

　　(4)成功分選所需的脈沖數(shù)(除首脈沖外)必須≥4個。當檢索出一個脈沖時，將其從原脈沖列扣除，存入內(nèi)存中，進入下一輪檢索。如果檢索失敗，則說明這個假想Tr錯誤，應重新設定假想Tr，重新開始檢索。檢索剩下的脈沖放入內(nèi)存，形成一個新脈沖列。

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　　(5)對分選出來的脈沖信號連續(xù)測量4個脈沖的到達時間，得到3個時間間隔，根據(jù)前面討論的編碼規(guī)律完成碼型識別。

　　6)在實現(xiàn)正確分選時，窗口寬度的選擇非常重要。若窗口選得較窄，雖可防止錯選，但因?qū)嶋H激光編碼脈沖在探測電路噪聲和測量誤差時存在抖動，會出現(xiàn)漏失脈沖;窗口選得較寬，可減少漏失，但在脈沖信號到達比較緊密時會同時選中多個脈沖，造成錯選。所以，在滿足激光編碼脈沖列抖動的要求下，應盡可能壓縮窗口寬度，防止錯選。由誤差理論可知，當置信系數(shù)取2，即極限誤差是均方差的2倍時，置信概率為0.9545;當置信系數(shù)取3，置信概率為0.9973。實際中容易得到的誤差數(shù)據(jù)是最大誤差，所以在重頻分選程序中將容差取最大抖動的1.5倍。

　　4 仿 真

　　由于DSP具有信號處理能力強、運算速度快的特點，MATLAB具有可視化和使用方便、靈活、簡單的特點，將兩者的優(yōu)點結(jié)合用于算法仿真是當前比較高效的一種設計方法。所以采用DSP的集成開發(fā)環(huán)境CCS的模擬器simulator編寫激光信號分選和碼型識別算法，用MATLAB隨機產(chǎn)生多批次的輸入激光編碼信號，直觀顯示分選結(jié)束后的圖形化輸出結(jié)果。

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　　圖3是同一方向先后到達的三批激光編碼信號交錯在一起的圖形顯示，每批信號延遲10ms，編碼分別為1011、1001、1101。

　　經(jīng)DSP倍數(shù)檢索法運算后，MATLAB顯示分選結(jié)果如圖4所示。

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　　通過以上分析可以看出，根據(jù)激光半主動制導所采用的時間間隔調(diào)制4位(0,1)編碼的規(guī)律，用DSP芯片設計的硬件電路和編寫的倍數(shù)檢索算法，可以完成對此種制導體制的多激光威脅信號的快速分選和碼型識別。隨著制導技術(shù)的發(fā)展，可能采用更復雜的編碼形式，對于夾雜著各種復雜編碼形式的激光脈沖信號的分選和識別還有待進一步研究。