光电工程  2019, Vol. 46 Issue (9): 180475      DOI: 10.12086/oee.2019.180475     
伪随机序列激光制导信号产生与分析
都元松1,2 , 罗威1 , 董睿杰1 , 董文锋1     
1. 空军预警学院,湖北 武汉 430019;
2. 中国人民解放军93107部队,辽宁 沈阳 110000
摘要:针对现有激光主动制导武器导引头易受欺骗式干扰的技术现状,提出了采用伪随机序列编码提高其抗干扰性能的新构想。利用伪随机序列抗干扰性能较好的特点,可以使激光主动探测目标系统既能实现远距离主动探测目标,又能有效防止外界干扰,提高系统性能的可靠性。本文结合Arduino IDE、Arduino UNO R3单片机、示波器与YAG激光器等实验仪器,设计并实现了一种抗干扰性能良好的伪随机序列激光制导信号产生系统。该系统可以用于新型目标指示器的研究。
关键词激光制导    抗干扰    伪随机序列    目标指示    
Generation and analysis of pseudo-random sequence laser guidance signal
Du Yuansong1,2, Luo Wei1, Dong Ruijie1, Dong Wenfeng1     
1. Air Force Early Warming Academy, Wuhan, Hubei 430019, China;
2. Unit 93107 of PLA, Shenyang, Liaoning 110000, China
Abstract: In view of the current state of the technology of the laser-guided weapon system that is vulnerable to fraudulent interference, a new idea using random sequence coding is proposed to improve its anti-jamming performance. By using the characteristics of better anti-interference performance of pseudo-random sequence, the laser active detection target system can not only achieve long-distance active target detection, but also effectively prevent external interference and improve the reliability of the system. The signal generation system is designed and implemented by combining Arduino IDE, Arduino UNO R3 microcontrollers, with oscilloscopes and YAG lasers, with good anti-interference performance. The system can be used for the study of new laser target indicators.
Keywords: laser guidance    anti-jamming    pseudo-random sequence    target indication    

1 引言

激光制导武器是对机场、导弹基地等重点目标实施精确打击的重要手段,具有作用距离远、命中精度高、杀伤威力大、效费比高等优点[1-3]。激光目标指示器是制导炸弹上的重要组成部件,用于产生激光制导信号。简单规律性激光制导信号可以被截获识别,因而容易受到欺骗性干扰而导致不能命中。

美国为了对抗激光应答式干扰和激光转发式干扰,Martin Marietta公司提出了一种新的编码技术,即为脉冲间隔调制编码[4-5]。Lockheed Martin公司提出了一项关于多波长多脉冲激光器技术,设计了一种单个光泵浦脉冲产生双波长双脉冲的固体激光器,可将其用于激光目标指示器,通过调制双激光脉冲的间隔实现激光编码[6-7]。方艳艳等[8]提出一种用于激光半主动制导炮弹的“队列法”脉冲间隔编码的方法,该方法兼有脉冲间隔编码和有限位随机周期脉冲序列的优点,并采用了波门技术,但该编码形式过于简单,敌方一旦了解波门设置,便极易破解。柴金华等[9]提出激光末端制导三波长激光编码方案,通过改变末端制导武器系统三波长激光编码方案,提高激光末端制导抗干扰能力。程玉宝等[10]提出一种基于Walsh矩阵的激光编码方案,该方法通过建立Walsh矩阵,来增强自身抗干扰效果,但此方法结构复杂,运算量大。

为解决上述问题,需要设计结构既简单且运算量小,又能实现抗干扰能力强、破解难度相对较大的激光目标指示器。因m序列码具有强抗干扰、难破解且易于实现的特性,被广泛应用于保密通信领域,本文将伪随机序列抗干扰的特性应用于激光制导武器中,由于真正的伪随机序列变化速度太快,且识别难度大、时间长,考虑到导引头的解码问题,为此本文设计出了一套类似于伪随机序列的激光制导信号产生系统,类伪随机序列相比于真正的伪随机序列降低了变化速度与解码难度,但保留了伪随机序列编码特性与复杂度,可有效提高抗干扰能力,实现精准打击。

2 控制信号产生与分析 2.1 实验平台设计

实验平台由Matlab计算软件、Arduino IDE单片机开发软件、模拟示波器和Arduino UNO R3单片机、固纬GDS-2000数字示波器等组成产生激光控制信号的模拟实验平台,图 1(a)为激光控制信号产生设计流程图。图 1(b)为激光控制信号模拟仿真实验平台,由Arduino IDE单片机开发软件、Arduino UNO R3单片机以及模拟示波器组成,控制信号经编译送至Arduino UNO R3单片机,再经模拟示波器送至计算机,显示与设计相匹配的控制信号波形。图 1(c)为将模拟示波器更换为固纬GDS-2000数字示波器,验证控制信号的准确性。

图 1 激光控制信号产生仿真设备连接实物图。 Fig. 1 Laser control signal generation simulation equipment connection. (a)激光控制信号产生流程图;(b)模拟实验连接图;(c)示波器显示实验连接图 (a) Laser control signal generation flow chart; (b) Simulate the experimental connection diagram; (c) Oscilloscope display experiment connection
2.2 控制信号设计产生

1) 模拟仿真分析

利用上述仪器实验设备,搭建的模拟实验平台如图 1(b)所示。将脉冲间隔固定设置为80 ms,脉宽设置为2 ms~8 ms中任意随机整数,以此来模拟伪随机序列的随机性。仿真结果如图 2所示。可以看出,得到的脉宽为2 ms~8 ms中任意随机数,脉间间隔为80 ms固定值。

图 2 伪随机序列模拟仿真实验脉冲 Fig. 2 Random sequence simulation experiment pulse

2) 示波器显示分析

更换模拟示波器为数字示波器,如图 1(c)所示,由Arduino IDE编程产生的控制信号经Arduino UNO R3单片机,送至示波器产生相应的伪随机序列激光控制信号,通过调节示波器改变波形的水平刻度以及通道的垂直刻度,获得对应的波形图,所截取的部分波形图像,如图 3所示。

图 3 伪随机序列控制信号示波器波形 Fig. 3 Random sequence control signal oscilloscope waveform

伪随机周期编码激光控制信号中,伪随机序列脉冲的稳定性、准确性是影响激光制导武器作战效果的主要因素。

为设计新型目标指示器,使得产生的制导信号具备抗干扰能力,实际实验过程中,设计出三种不同样式的抗干扰信号。

1) 固定脉冲间隔,改变脉冲宽度的伪随机序列;

2) 固定脉冲宽度,改变脉冲间隔的伪随机序列;

3) 同时改变脉冲间隔与脉冲宽度的伪随机序列。

2.3 控制信号分析

第一类信号:

设置波形参数,固定脉冲间隔,改变脉冲宽度的伪随机序列,脉冲间隔80 ms,脉冲宽度变化范围2 ms~8 ms之间,得到的一组伪随机序列激光控制信号整体效果图,如图 4所示。对伪随机周期编码与脉宽编码的测量结果进行分析。

图 4 控制信号整体效果图 Fig. 4 Control the overall effect of the signal

图 5为激光控制信号产生图像,对控制信号脉冲间隔进行分析,由图像清晰地看出,示波器屏幕显示的水平刻度为50 ms,测量激光器控制信号相邻脉冲的脉冲间隔约为80 ms,即t1=80 ms,符合设计标准。

图 5 示波器屏幕显示 Fig. 5 Oscilloscope screen display

第二类信号:

固定脉冲宽度,改变脉冲间隔的伪随机序列,设置脉冲宽度为5 ms,脉冲间隔变化范围50 ms~100 ms之间,得到一组完整的伪随机序列如图 6所示。

图 6 控制信号整体效果图 Fig. 6 Control the overall effect of the signal

图 7为激光控制信号产生图像,对控制信号脉冲宽度进行分析,图 7示波器显示其水平刻度为1 ms,经读取数据可知,得到的控制信号脉冲宽度为5 ms,即t2=5 ms,符合设计标准。

图 7 示波器屏幕显示 Fig. 7 Oscilloscope screen display

图 8(a)图 8(b)可以看出,其水平刻度分别为20 ms、50 ms,通过读取示波器显示数据可知,其脉冲间隔均在50 ms~100 ms之间,符合最初设计标准。

图 8 控制信号部分效果图。 Fig. 8 Control signal part effect diagram. (a)水平刻度20 ms;(b)水平刻度50 ms (a) Horizontal scale 20 ms; (b) Horizontal scale 50 ms

第三类信号:

同时改变脉冲间隔与脉冲宽度的伪随机序列,设置脉冲间隔变化范围50 ms~100 ms之间,脉冲宽度变化范围2 ms~8 ms之间,得到一组伪随机序列如图 9所示。

图 9 示波器屏幕显示。 Fig. 9 Oscilloscope screen display. (a)整体效果图;(b)脉冲宽度2 ms;(c)脉冲宽度3 ms (a) Overall rendering; (b) Pulse width 2 ms; (c) Pulse width 3 ms

图 9(a)整体效果图可以清晰地看出,产生的伪随机序列其脉冲宽度与脉冲间隔均非定值; 读取脉冲间隔数据均处于50 ms~100 ms之间,符合设计标准。

图 9(b)9(c)读取数据可知,其示波器显示水平刻度均为1 ms,脉冲宽度分别为2 ms、3 ms,即t3=2 ms、t4=3 ms,符合设计标准。

由上述实验可以得出结论,采用Matlab、Arduino IDE编程软件结合硬件设施Arduino UNO R3单片机,能够产生稳定的伪随机序列码,可以用于激光制导武器控制信号的产生。

3 激光制导信号产生与分析 3.1 实验平台设计

为将控制信号转变为激光制导信号,本文采用Matlab仿真软件、Arduino编程软件、Arduino UNO R3单片机、示波器、FIRDP-1064型YAG激光器及WKWR-1型波形探测器,在实验室现有条件下,得到一种可用于激光制导武器的激光制导信号,具体实验流程图如图 10(a)所示。为检验理论模型的正确性,利用图 10(b)装置对理论模型进行实验验证。由于FIRDP-1064型YAG激光器产生的制导信号对于灵敏度较高的WKWR-1型波形探测器功率较大,将激光器的出光口与WKWR-1型波形探测器均对准漫反射目标相同位置(墙壁),使得WKWR-1型波形探测器能接收到激光器漫反射光。此过程也可视作模拟激光经远距离传输并返回的过程。

图 10 实验装置图。 Fig. 10 Experimental setup diagram. (a)激光制导信号产生实验流程图;(b)激光制导信号产生实验实物连接图 (a) Laser-guided signal generation flow chart; (b) Laser guidance signal to produce experimental physical connection diagram
3.2 激光制导信号分析

第一类制导信号:

根据实验平台设计方案,调节WKWR-1型波形探测器探测角度,通过探测激光制导信号经墙壁反射的漫反射光,来类比远距离传输激光回波信号。根据实验设计方案,产生一组激光制导信号,如图 11所示。

图 11 制导信号整体效果图 Fig. 11 Overall renderings of the guidance signal

根据2.3节第一类信号实验设计,通过调节示波器改变波形的水平刻度以及通道的垂直刻度,截取所需要的波形图像,分别得到一组激光制导信号整体效果图、单个脉冲信号波形图,如图 12所示。由示波器水平刻度显示可知,图 12示波器屏幕显示的水平刻度为50 ms,通过读取数据,可知得到的激光制导信号脉冲间隔为t5=80 ms,且t5=t1,可知与图 5生成的控制信号完全吻合。满足第一类信号设计方案。

图 12 单个脉冲信号波形 Fig. 12 Single pulse signal waveform

第二类制导信号:

根据第二类信号设计思路,其目的是产生固定脉冲宽度,改变脉冲间隔的伪随机序列制导信号。通过改变示波器水平刻度,得到与图 6图 7相对应的制导信号,如图 13图 14所示。通过数据读取可知,示波器显示水平刻度为1 ms,读取数据t6=5 ms,且t6=t2,可知与2.3节图 7设计的控制信号完全吻合。

图 13 制导信号整体效果图 Fig. 13 Overall renderings of the guidance signal

图 14 示波器屏幕显示 Fig. 14 Oscilloscope screen display

图 15(a)15(b)水平刻度分别为20 ms、50 ms下的数字示波器显示图,与图 8相对应。通过读取示波器显示数据,其脉冲间隔均在50 ms~100 ms之间,与2.3节第二类信号设计基本吻合,符合设计要求。

图 15 制导信号部分效果图。 Fig. 15 Part renderings of the guidance signal. (a)水平刻度20 ms;(b)水平刻度50 ms (a) Horizontal scale 20 ms; (b) Horizontal scale 50 ms

第三类制导信号:

根据第三类信号设置要求,设计产生同时改变脉冲间隔与脉冲宽度的伪随机序列激光制导信号,设置脉冲间隔变化范围50 ms~100 ms之间,脉冲宽度变化范围2 ms~8 ms之间,应用3.1节实验平台得到的制导信号如图 16所示。

图 16 示波器屏幕显示。 Fig. 16 Oscilloscope screen display. (a)整体效果图;(b)脉冲宽度2 ms;(c)脉冲宽度4 ms (a) Overall rendering; (b) Pulse width 2 ms; (c) Pulse width 4 ms

图 16(a)制导信号对应图 9(a)产生的控制信号,由图 16(a)可以看出产生的伪随机序列其脉冲宽度与脉冲间隔均非定值; 读取脉冲间隔数据均处于50 ms~100 ms之间。

图 16(b)制导信号对应图 9(b)产生的控制信号,其示波器显示水平刻度为1 ms,生成的脉冲宽度为2 ms,即t7=t3

图 16(c)示波器显示水平刻度为2 ms,生成的制导信号脉冲宽度为t8=4 ms,符合脉冲宽度变化范围2 ms~8 ms之间的设计标准。

以上分析可知,制导信号脉冲间隔、脉冲宽度与控制信号基本吻合,符合设计标准,达到了设计要求。

4 总结

本文设计并构建了一套基于类伪随机序列的激光制导信号产生系统,该系统能够快速产生伪随机序列激光制导信号。搭建了一套能够实现伪随机序列激光制导信号编码、产生的激光制导信号产生系统,并使FIRDP-1064型YAG激光器受控产生伪随机序列激光制导信号。使用WKWR-1型波形探测器对伪随机序列激光制导信号的脉冲波形进行了测量与分析。结果显示,利用伪随机序列激光制导信号生成系统,能够产生稳定的控制信号及激光制导信号,并且各项参数均达到设计要求。为激光制导研究领域提供了一种具有一定价值的设计方案,为激光制导武器抗干扰方式方法提出了一种新构想,同时也为新型目标指示器的研究提供了理论参考和依据。

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