彭晶晶，劉　輝，成志鋒，黃紅云，陳蕙心

(上海無線電設備研究所，上海,200090)

0　引　言

激光制導武器具有打擊精度高、成本低、抗干擾性能好等優(yōu)點，成為空對地精確打擊的主要手段，是各國競相研制的重點技術(shù)領(lǐng)域。隨著無人機的廣泛應用，國內(nèi)的激光制導武器也發(fā)展迅速，無論是導引頭本身還是激光目標指示器，都在不斷地朝著通用化、標準化、系列化、小型化及多功能方向發(fā)展[1]，這就對激光半主動導引頭提出了更高的要求。

為了搭載小型無人機等多種平臺，以及開展多模復合導引頭技術(shù)研究，本文提出一種基于Virtex系列FPGA芯片設計的數(shù)字處理機。該處理機結(jié)合IP核(Intelligent Property Core)模塊化設計，可實現(xiàn)激光導引頭數(shù)字處理機全部功能，并集成伺服控制系統(tǒng)的控制功能，提高了激光半主動導引頭的集成度，具有很高的移植性，完成了導引頭小型化設計，可廣泛應用于其它小型或復合類型的激光半主動導引頭。

1　激光半主動導引頭數(shù)字處理機介紹

激光半主動導引頭主要包括數(shù)字處理機、光學目標探測系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、二次電源,接口關(guān)系如圖1所示。其中，光學探測系統(tǒng)完成激光目標回波信號的探測及放大，數(shù)字處理機進行目標識別判定并輸出控制信號，伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)目標跟蹤及彈體擾動隔離，二次電源實現(xiàn)導引頭各系統(tǒng)的供電功能。

圖1　激光半主動導引頭組成示意圖Fig. 1　Schematic diagram of semi-active laser seeker compositon

數(shù)字處理機是以CPU為核心、以軟件為基礎(chǔ)的實現(xiàn)多功能數(shù)字信息處理的平臺[2]，其功能涉及目標信號的高靈敏度檢測、目標信號判定、角度信號快速準確提取、目標信號穩(wěn)定跟蹤、干擾環(huán)境下的對抗、參數(shù)預裝訂、制導指令信息提取、與彈上計算機之間信息傳遞、導引頭工作時序控制以及工作邏輯管理等。

傳統(tǒng)的激光半主動導引頭各分系統(tǒng)均獨立設計，并有各自的處理電路，使得系統(tǒng)體積龐大。同時，數(shù)字處理機的硬件電路也比較復雜，一般采用FPGA結(jié)合DSP及相關(guān)外圍電路來實現(xiàn)，器件種類繁多，難以實現(xiàn)激光導引頭小型化設計。本文則提出一種以單片F(xiàn)PGA芯片為核心的嵌入式數(shù)字信號處理平臺，結(jié)合IP核設計技術(shù)，將制導信息提取、目標識別與抗干擾、伺服系統(tǒng)控制等關(guān)鍵功能實現(xiàn)，完成傳統(tǒng)數(shù)字處理機全部功能的同時集成伺服系統(tǒng)控制功能，滿足了導引頭的小型化需求，該數(shù)字處理機組成如圖2所示。

圖2　數(shù)字處理機組成框圖Fig. 2　Block diagram of digital processor composition

數(shù)字處理機通過目標采集模塊、控制電壓輸出模塊、邏輯管理模塊完成目標探測信號采集以及光學探測系統(tǒng)自適應控制；通過位置信息采集模塊提取方位信息；通過串口通訊模塊接收陀螺信息并控制信號產(chǎn)生模塊完成對伺服系統(tǒng)的控制；通過串口通訊模塊完成與彈控系統(tǒng)實時通信。所有功能由FPGA控制完成。

2　數(shù)字信息處理機主要功能模塊

2.1　制導信息提取模塊

數(shù)字處理機完成制導信息提取，形成指令信號后送到導彈控制艙，控制導彈的飛行姿態(tài)，處理過程如圖3所示。激光半主動式導引頭采用四象限(或雙四象限)光電探測器進行目標探測，并用和差比幅設計進行目標位置解算。經(jīng)目標反射的激光光斑經(jīng)導引頭光學接收系統(tǒng)在四象限光電探測器上成像，形成四象限輸出信號，經(jīng)過低噪聲放大器放大后送到數(shù)字信息處理機，進行實時采樣、目標檢測與角度誤差信號提取。

圖3　激光目標信號處理示意圖Fig. 3　Schematic diagram of target signal processing

當數(shù)字處理機接收的四路信號的和信號超出檢測門限時，對四路信號進行高速采樣，提取四象限放大信號的電壓值，經(jīng)過和差計算得出目標信號角位置(X,Y)為

(1)

(2)

式(1)、(2)中，Kx和Ky是常數(shù)因子。

數(shù)字處理機根據(jù)式(1)、(2)計算所得的目標信號位置轉(zhuǎn)化為導引頭光學天線軸線與目標視線之間的視線角速度信號，送至導彈控制艙形成制導指令，同時送給伺服控制系統(tǒng)控制光學天線穩(wěn)定指向目標。

數(shù)字處理機的制導信息提取精度對激光半主動制導武器系統(tǒng)的制導精度起著關(guān)鍵作用，因此該模塊設計時須考慮四路目標信號電壓提取的一致性，避免出現(xiàn)采樣時刻不同導致的視線角速度偏差太大，影響制導性能。

2.2　目標識別與抗干擾模塊

數(shù)字處理機的目標識別與抗干擾模塊對接收的目標信號進行分析判別，通過分析判斷是真實目標還是干擾信號并進行相應的處理，避免導彈被干擾信號干擾而跟蹤錯誤的目標。隨著激光偵察和制導技術(shù)的不斷發(fā)展，針對它的干擾技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展，包括有源干擾(欺騙式干擾、壓制式干擾)和無源干擾(消光類干擾)等[3]。因此需要對激光導引頭增加抗干擾策略，該數(shù)字處理機采用的就是激光精確編碼、波門設置組合抗干擾方式。

激光精確編碼抗干擾指激光目標指示器采用編碼方式照射目標，導引頭數(shù)字處理機預先知道指示器的碼型和周期，通過對接收目標信號分析得到接收信號的碼型和周期，從而正確識別激光目標指示器照射的目標信號，實現(xiàn)對真實目標的穩(wěn)定跟蹤。

波門設置是激光半主動導引頭采用的最為基本的脈沖時序控制措施，可分為固定式波門、實時性波門、偏置式波門等。數(shù)字處理機根據(jù)接收的彈上計算機指令預先設定激光制導信號脈沖的編碼規(guī)律，在制導脈沖到來的時刻，精確設置開啟和關(guān)閉時間波門的時間[4]，以避開干擾信號的接收時間，提高導引頭的抗干擾能力。此方法主要用于后向散射干擾以及其它激光干擾。

數(shù)字處理機的目標識別與抗干擾模塊對整個武器系統(tǒng)非常關(guān)鍵，需從接收的目標信號中正確識別出真實目標并實現(xiàn)對真實目標的抗干擾跟蹤。目前的策略可以滿足現(xiàn)狀需求，但仍需進一步開展抗干擾策略研究。

2.3　伺服控制模塊

激光半主動導引頭的伺服控制系統(tǒng)包括預定回路、穩(wěn)定回路以及跟蹤回路。預定回路完成對導引頭偏航和俯仰角度的預置，穩(wěn)定回路完成陀螺信號處理、方位環(huán)穩(wěn)定控制、俯仰環(huán)穩(wěn)定控制，跟蹤回路指穩(wěn)定回路與接收機閉合。伺服控制系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

圖4　伺服控制系統(tǒng)工作示意圖Fig. 4　Schematic diagram of servo control system working

在FPGA內(nèi)部設計嵌入式伺服控制模塊，實現(xiàn)伺服控制回路各個環(huán)節(jié)的數(shù)字化?？刂破鬏敵鯬WM信號送入功率驅(qū)動器驅(qū)動直流電機，經(jīng)減速器驅(qū)動伺服機構(gòu)轉(zhuǎn)動鏡頭，由軸角編碼器測得天線轉(zhuǎn)角位置反饋完成預定回路控制，經(jīng)陀螺測速測得平臺的角速度完成穩(wěn)定回路控制，控制器與接收機反饋信號閉環(huán)，完成目標視線角速度跟蹤回路控制。

2.4　工作時序管理模塊

激光制導導彈有多種工作模式，根據(jù)采用的激光目標指示器可分為地照模式和機照模式。地照模式時，激光目標指示器與導引頭之間無法精確實現(xiàn)同步控制；機照模式時，激光目標指示器與導引頭同時掛在飛機上，通過同步波門同時控制指示器與導引頭以解決同機照射干擾。激光制導根據(jù)截獲方式可分為發(fā)射后捕獲和發(fā)射前捕獲兩種工作模式，發(fā)射前捕獲要求導引頭的作用距離要遠一些。

數(shù)字信號處理機的工作時序管理模塊需根據(jù)激光制導導彈工作模式制定不同的處理策略，實現(xiàn)對激光導引頭的工作時序管理。按照時間順序可分為系統(tǒng)自檢階段、參數(shù)預裝階段、目標搜索階段、目標識別抗干擾階段、穩(wěn)定跟蹤階段、丟失后處理階段、目標再次截獲穩(wěn)定跟蹤階段，如圖5所示。

圖5　激光半主動導引頭工作流程示意圖Fig. 5　Work flow of semi-active laser seeker

3　數(shù)字處理機工程實現(xiàn)

3.1　硬件平臺

該數(shù)字處理機圍繞Xilinx公司Virtex系列FPGA芯片(XC5VSX50T)設計硬件系統(tǒng)，是一款面向通信領(lǐng)域的高性能嵌入式處理平臺，主頻高達550 MHz，可實現(xiàn)100 Mb/s～3.75 Gb/s高速串行通信。該FPGA芯片集成了DSP處理核、時鐘管理、RAM等常用功能模塊，使FPGA可成為系統(tǒng)級設計工具，硬件上減少了多種器件，大大提高了數(shù)字信息處理機的集成度。

數(shù)字處理機的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。以FPGA芯片為核心處理平臺，外設包括RS422串口收發(fā)器(ADM2490)、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADS8358)、D/A處理芯片(AD5360)、IO電平轉(zhuǎn)換芯片等。由系統(tǒng)提供或自行設計的IP核實現(xiàn)對外設接口的控制，只需將信號引出連接相應的轉(zhuǎn)換芯片，燒寫存放嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)的FLASH選擇XCF32PVOG48C芯片。

圖6　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 6　Configuration of hardware system

通過該電路設計，數(shù)字處理機的體積減少到之前的四分之一，伺服控制系統(tǒng)也相應減少了一塊控制電路板，并減少了數(shù)字處理機與伺服控制系統(tǒng)之間的信息傳送，提高了激光半主動導引頭硬件集成度。

3.2　軟件開發(fā)

數(shù)字處理機的軟件開發(fā)工作包括驅(qū)動軟件和頂層應用軟件，設計示意圖如圖7。驅(qū)動軟件通過IP核完成各種硬件包括處理器、定時器、中斷控制器、串口通訊等驅(qū)動程序的配置，并連接應用軟件接口。頂層應用軟件則由Xilinx公司提供的嵌入式開發(fā)工具硬件平臺開發(fā)工具(Platform Studio)實現(xiàn)，經(jīng)編譯產(chǎn)生硬件比特流文件。頂層應用軟件通過DSP處理核完成導引頭工作時序控制以及信息交互等，通過PLB(Processor Local Bus)總線標準訪問多個外設IP核。開發(fā)工具為嵌入式軟件平臺(Platform Studio SDK)，采用C語言編程。

圖7　數(shù)字處理機軟件設計示意圖Fig. 7　Schematic diagram of digital processor software design

IP核是具有知識產(chǎn)權(quán)核的集成電路芯核總稱，可直接實現(xiàn)用戶所需的所有功能，減少對外部設備編寫驅(qū)動程序的工作，主要包括軟核、固核、硬核，其中最常用的是軟核和硬核這兩類IP[5]。

驅(qū)動軟件采用了多種IP核，其中，硬核資源包括DSP處理核、CDM時鐘管理單元、BRAM模塊、中斷控制器、系統(tǒng)復位模塊、GPIO控制器等，由系統(tǒng)提供，不可修改。軟核根據(jù)選擇的器件接口協(xié)議或者激光半主動導引頭的功能要求設計，包括A/D采集模塊、D/A處理模塊、RS422串口通訊模塊、光學參數(shù)設置軟核、目標判別軟核、抗干擾控制模塊、目標信息處理模塊以及伺服控制模塊。IP軟核通過ISE Foundation軟件開發(fā)，采用VHDL或Verilog語言編程，具有很高的移植性，可靈活應用于其它激光半主動導引頭。

頂層應用軟件依據(jù)導引頭的工作流程設計，軟件流程圖如圖8所示。

圖8　數(shù)字處理機軟件設計流程圖Fig. 8　Flow diagram of digital processor software design

4　試驗情況分析

通過工程研制，將該數(shù)字處理機裝入激光半主動導引頭進行整機測試，試驗表明該數(shù)字處理機可實現(xiàn)對激光目標的檢測判別與跟蹤，同時可完成對伺服控制系統(tǒng)的控制，導引頭輸出角度精度、隔離度、跟蹤時常數(shù)等各項指標均滿足設計要求。對導引頭輸入模擬實際靶試的激光目標回波信號，對導引頭的動態(tài)跟蹤性能進行仿真驗證，仿真過程中跟蹤正常，無目標丟失，數(shù)字處理機提取的視線角速度如圖9和圖10所示。

其中，圖9為俯仰方向視線角速度示意圖，圖10為偏航方向視線角速度示意圖，橫坐標為仿真時間，縱坐標為視線角速度。仿真過程中，數(shù)字處理機提取的視線角速度隨著激光能量逐漸增強而減小，精度滿足設計要求，可用于激光半主動導引頭。

圖9　激光導引頭俯仰視線角速度Fig.9　Elevation LOS angular velocity of laser seeker

圖10　激光導引頭偏航視線角速度Fig.10　Yaw LOS angular velocity of laser seeker

5　結(jié)束語

本文闡述了激光半主動導引頭數(shù)字處理機的原理與功能，提出了一種激光半主動導引頭集成數(shù)字處理機及伺服系統(tǒng)控制功能的高集成數(shù)字處理平臺。運用軟件模塊化設計思想，采用多種IP軟核，使軟件具有良好的移植性。試驗證明，該硬件電路滿足設計要求，實現(xiàn)了激光半主動導引頭小型化的目的，性能可靠，軟件控制靈活，具有廣闊的應用前景。