DSP在多激光信號中的應(yīng)用

由于激光技術(shù)和激光武器的迅速發(fā)展和大量應(yīng)用，一個重要的軍事目標(biāo)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(jī)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(biāo)和碼型識別的能力，已不能適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的要求。如何在現(xiàn)代日益復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下，設(shè)計(jì)信號處理電路對多激光威脅進(jìn)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(diǎn)。

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(xiàng)激光信息歸納如下：波長λ；脈沖寬度PW；信號強(qiáng)度I；脈沖到達(dá)方位DOA；激光脈沖到達(dá)時間TOA；激光脈沖重復(fù)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(qiáng)度的分選在技術(shù)上不易實(shí)現(xiàn)，重頻與脈沖到達(dá)時間是相關(guān)參數(shù)，根據(jù)脈沖到達(dá)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(jìn)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(xué)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(jī)制，使得分選更加困難。進(jìn)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(jī)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(shè)計(jì)提供依據(jù)。

用于半主動制導(dǎo)的激光目標(biāo)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(shè)定好碼型字，然后定時單元以周期T進(jìn)行循環(huán)定時，每次定時結(jié)束時，讀取當(dāng)前碼位上的碼元值。若當(dāng)前位碼元值為“1”，則發(fā)射激光脈沖；若當(dāng)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(dāng)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(dǎo)過程結(jié)束。

這種編碼通過不同位數(shù)的“0”、“1”排列組合，實(shí)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(jī)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(shí)際應(yīng)用中考慮制導(dǎo)時間短及導(dǎo)引頭自身解碼的方便，編碼方案不能過于復(fù)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(dǎo)信號的計(jì)時和目標(biāo)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(biāo)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(shè)計(jì)

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(dá)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(jìn)行到達(dá)時間的測量，將所有脈沖的到達(dá)時間存入數(shù)據(jù)緩存中。與此同時，對輸入的脈沖信號進(jìn)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(dá)時間進(jìn)行編址存放，等待DSP讀取處理。DSP芯片選用TMS320C6416實(shí)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(dǎo)有源干擾[5]。

3 軟件算法設(shè)計(jì)

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(dá)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(zhǔn)時鐘Tr，使PRImin≤Tr≤PRImax。對各國激光目標(biāo)指示器的脈沖重復(fù)頻率統(tǒng)計(jì)表明：目前激光目標(biāo)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(shè)為基準(zhǔn)脈沖，并以它與TOA2的時間間隔△T1為假想脈沖重復(fù)周期Tr。當(dāng)Tr小于PRImin時，去掉TOA2，取TOA3為TOA2，重新計(jì)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(zhǔn)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(zhǔn)Tr的倍數(shù)時間間隔向前預(yù)置窗口，檢索中選脈沖，實(shí)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(yù)置窗口，分選脈沖。在所設(shè)基準(zhǔn)Tr正確的情況下，以上述脈沖間隔向前預(yù)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(dāng)檢索出一個脈沖時，將其從原脈沖列扣除，存入內(nèi)存中，進(jìn)入下一輪檢索。如果檢索失敗，則說明這個假想Tr錯誤，應(yīng)重新設(shè)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。

(5)對分選出來的脈沖信號連續(xù)測量4個脈沖的到達(dá)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(shí)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(dá)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(yīng)盡可能壓縮窗口寬度，防止錯選。由誤差理論可知，當(dāng)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(dāng)置信系數(shù)取3，置信概率為0.9973。實(shí)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(qiáng)、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，MATLAB具有可視化和使用方便、靈活、簡單的特點(diǎn)，將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合用于算法仿真是當(dāng)前比較高效的一種設(shè)計(jì)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(jī)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。

圖3是同一方向先后到達(dá)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(yùn)算后，MATLAB顯示分選結(jié)果如圖4所示。

通過以上分析可以看出，根據(jù)激光半主動制導(dǎo)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(shè)計(jì)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(dǎo)體制的多激光威脅信號的快速分選和碼型識別。隨著制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，可能采用更復(fù)雜的編碼形式，對于夾雜著各種復(fù)雜編碼形式的激光脈沖信號的分選和識別還有待進(jìn)一步研究。