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标题: DSP在多激光信号中的应用 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-10 08:28
标题: DSP在多激光信号中的应用
由于激光技术和激光武器的迅速发展和大量应用，一个重要的军事目标在战场上可能同时受到来自不同方向、不同激光辐射源的照射和跟踪。这时，激光侦察告警和干扰系统的信号环境将是许多由一定编码的脉冲列随机交迭而成的脉冲流。而现有的激光侦察告警和干扰系统基本不具备快速分选多批目标和码型识别的能力，已不能适应现代战争的要求。如何在现代日益复杂的战场环境下，设计信号处理电路对多激光威胁进行快速的信号分选和码型识别，从而迅速得到各种激光对抗措施是现代激光侦察告警和干扰系统亟待解决的问题，也是本文讨论的重点。
1 信号分选和码型识别的理论依据
将激光告警器能够截获的各项激光信息归纳如下：波长λ；脉冲宽度PW；信号强度I；脉冲到达方位DOA；激光脉冲到达时间TOA；激光脉冲重复频率Fr；激光脉冲编码code。由于现有的激光器波长和脉宽几乎都是固定的，多激光威胁的信号分选参数选择中，信号强度的分选在技术上不易实现，重频与脉冲到达时间是相关参数，根据脉冲到达时间得出，而码型只有在信号分选和译码之后才能获得，所以只有靠方位和重频信息进行分选[2]。
多激光威胁信号的方位分选主要由侦察告警系统的体制决定，通常由不同方向的光学窗口决定。它是一个辅助分选手段，具有决定意义的分选通过重频分选完成。激光信号重频低(1～50pps)、脉宽窄(10～30ns)，接收的信息量小，又具有一定编码机制，使得分选更加困难。进行信号分选时必须考虑激光编码的影响，将分选和码型识别作为一个有机的整体。下面讨论激光编码的规律，为多激光威胁信号的分选、码型识别的硬件电路和软件算法的设计提供依据。
用于半主动制导的激光目标指示器的编码多采用时间间隔调制(0，1)编码。这种编码方法首先按编码方案设定好码型字，然后定时单元以周期T进行循环定时，每次定时结束时，读取当前码位上的码元值。若当前位码元值为“1”，则发射激光脉冲；若当前位码元值为“0”，则不发射激光脉冲。这样依次读取码位上的码元值，以控制是否发射激光信号。当码型字读取结束后立即重新读取码型字，不断循环，直到制导过程结束。
这种编码通过不同位数的“0”、“1”排列组合，实现起来非常灵活。编码主要分为两大类：固定重频和位数的PRF编码及有限位随机周期脉冲序列PIM编码。如果码型字中的码元值全是“1”，或两个相邻的“1”中“0”的个数相同，如“1111”或“1010”，则可以组成PRF编码；如果码型字中的码元值是不同个数的“1”和“0”的任意组合，则可以组成简单的PIM编码。
实际应用中考虑制导时间短及导引头自身解码的方便，编码方案不能过于复杂，主要采用3~8位码，采用4位码的可能性最大。4位激光编码为了完成制导信号的计时和目标的捕获，其首位必须是信息位“1”，其他三位有23种组合，按脉冲时间间隔可以分为六大类：1000、1010和1111码的脉冲时间相等，即PRI1=PRI2=PRI3；1001码的脉冲时间间隔为PRI1=PRI2=PRI3=3τ；1100码的脉冲时间间隔PRI1=1/3PRI2=PRI3=τ；1011码的脉冲时间间隔为PRI1=PRI2=2τ；1101码的脉冲时间间隔为PRI1=1/2PRI2=PRI3=2τ；1110码的脉冲时间间隔为PRI1=PRI2=1/2PRI3=τ。其中τ为目标指示器的移位时钟周期。可以看出，不论哪种码型，如果检测第一个脉冲间隔为Tr，以后脉冲间隔肯定为1/3Tr、1/2Tr、2Tr或3Tr。由于各种码型脉冲时间间隔都各具规律，所以通过测量前三个脉冲的时间间隔即能判断出码型。
2 硬件电路设计
多激光威胁信号分选和码型识别硬件原理如图1所示。不同方向到达的激光信号通过不同通路输入，每路信号分别对输入的脉冲进行到达时间的测量，将所有脉冲的到达时间存入数据缓存中。与此同时，对输入的脉冲信号进行幅度和脉宽的测量，然后通过关联比较器与存入其中的常见激光信号的幅度和脉宽范围比较，剔除无用的干扰，减少DSP信号分选的数量。接收综合电路对各路经幅度和脉宽选通后的激光脉冲信号的到达时间进行编址存放，等待DSP读取处理。DSP芯片选用TMS320C6416实现多激光信号的分选和码型识别。EEPROM用于固化信号分选和码型识别的算法。经DSP分选和码型识别后编批的激光脉冲参数信息存入信道分配电路中，由DSP产生同步脉冲信号选通输出，用于引导有源干扰[5]。

3 软件算法设计
多激光威胁信号分选和码型识别软件算法根据时间间隔调制4位(0，1)编码规律，采用倍数检索法，完成同一方向先后到达的激光编码信号分选和码型识别功能，其算法流程如图2所示。

算法说明如下：
(1)确定激光脉冲重频范围PRImin和PRImax，从而确定合理的激光信号分选的基准时钟Tr，使PRImin≤Tr≤PRImax。对各国激光目标指示器的脉冲重复频率统计表明：目前激光目标指示器重频范围为1～20pps，故PRImin=50ms，PRImax=1s。
(2)将数据缓冲器的第一个脉冲TOA1设为基准脉冲，并以它与TOA2的时间间隔△T1为假想脉冲重复周期Tr。当Tr小于PRImin时，去掉TOA2，取TOA3为TOA2，重新计算假想Tr，直到Tr≥PRImin。如果Tr≥PRImax，说明第一个脉冲为干扰脉冲，去掉TOA1，以TOA2为基准脉冲，重新开始，直到Tr满足：PRImin≤Tr≤PRImax。
(3)倍数检索法的核心是以基准Tr的倍数时间间隔向前预置窗口，检索中选脉冲，实现重频分选。然而，对于四位一组组间不空位的激光编码脉冲出现，必须以1/3Tr、1/2Tr、Tr、2Tr、3Tr的脉冲间隔向前预置窗口，分选脉冲。在所设基准Tr正确的情况下，以上述脉冲间隔向前预置窗口，可分选出有意义的脉冲列。
(4)成功分选所需的脉冲数(除首脉冲外)必须≥4个。当检索出一个脉冲时，将其从原脉冲列扣除，存入内存中，进入下一轮检索。如果检索失败，则说明这个假想Tr错误，应重新设定假想Tr，重新开始检索。检索剩下的脉冲放入内存，形成一个新脉冲列。

(5)对分选出来的脉冲信号连续测量4个脉冲的到达时间，得到3个时间间隔，根据前面讨论的编码规律完成码型识别。
6)在实现正确分选时，窗口宽度的选择非常重要。若窗口选得较窄，虽可防止错选，但因实际激光编码脉冲在探测电路噪声和测量误差时存在抖动，会出现漏失脉冲；窗口选得较宽，可减少漏失，但在脉冲信号到达比较紧密时会同时选中多个脉冲，造成错选。所以，在满足激光编码脉冲列抖动的要求下，应尽可能压缩窗口宽度，防止错选。由误差理论可知，当置信系数取2，即极限误差是均方差的2倍时，置信概率为0.9545；当置信系数取3，置信概率为0.9973。实际中容易得到的误差数据是最大误差，所以在重频分选程序中将容差取最大抖动的1.5倍。
4 仿真
由于DSP具有信号处理能力强、运算速度快的特点，MATLAB具有可视化和使用方便、灵活、简单的特点，将两者的优点结合用于算法仿真是当前比较高效的一种设计方法。所以采用DSP的集成开发环境CCS的模拟器simulator编写激光信号分选和码型识别算法，用MATLAB随机产生多批次的输入激光编码信号，直观显示分选结束后的图形化输出结果。

图3是同一方向先后到达的三批激光编码信号交错在一起的图形显示，每批信号延迟10ms，编码分别为1011、1001、1101。
经DSP倍数检索法运算后，MATLAB显示分选结果如图4所示。

通过以上分析可以看出，根据激光半主动制导所采用的时间间隔调制4位(0,1)编码的规律，用DSP芯片设计的硬件电路和编写的倍数检索算法，可以完成对此种制导体制的多激光威胁信号的快速分选和码型识别。随着制导技术的发展，可能采用更复杂的编码形式，对于夹杂着各种复杂编码形式的激光脉冲信号的分选和识别还有待进一步研究。

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