火控系统高精度激光测距回波模拟器

杨成禹，完文韬

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

火控系统高精度激光测距回波模拟器

杨成禹，完文韬

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

为了给武器火控系统的脉冲激光测距设备提供高精度和稳定的光激励信号，以便完成实验室条件下的距离性能测试实验，采用ARM9+FPGA嵌入式系统作为控制平台。控制平台的粗定时和精定时两个模块串行工作，精定时模块使用距离门控电路对粗定时的最后一个周期运用游标原理进行细分，实现了武器火控系统高精度的脉冲激光飞行模拟。激光回波模拟器接收到火控系统的触发信号后，能够在规定的时间内返回24.6km距离内的激光回波模拟信号，系统精度可达0.25m。

激光测距；火控系统；激光回波模拟；距离门控电路；飞行时间

激光测距技术作为现代军事侦察和距离测量的重要技术之一，对陆地武器的精确打击、提高中近程攻击的命中精度、海上作战和防空等方面有着关键作用［1］。武器火控系统激光测距使用真实地面物体作为测距目标，接收从目标反射的激光回波进行性能测试。这需要在武器火控系统激光测距设备有效测程内提供可任意变化的且可精确标定的距离作为测距目标，实现起来非常困难［2，3］。

脉冲测距根据发射一个脉冲到接收该脉冲的时间来计算距离，主要用于远距离测量，如天体、靶场试验、大地测量等，精度可达到1m［4］。脉冲计数法是高分辨测时最简单、有效的方法，这种方法具有测量范围大、线性好的优点，但是测时分辨率较低。模拟内插法如时间转化法［5］和双扩展内插法［6］可以实现高分辨率，但测量过程耗时较长，且易受系统噪声影响［7］。

激光回波模拟器接收激光测距仪发射的激光，经过电控系统设定的延时后，产生一定强度和脉宽的激光脉冲，输入到激光测距仪［8］。激光回波模拟器能覆盖激光测距仪的全部测程，提高测试的易操作性和精确性，同时减小目标及环境条件对测试的影响。可在室内给激光测距仪提供可调的光信号激励，对测距仪的灵敏度、距离分辨率以及测距精度等性能参数进行测试，实现了对激光测距仪非接触、无损伤的性能测试［9］。

1 武器火控系统激光测距原理

从一个固定的位置向目标发射一个激光脉冲，激光脉冲会经目标反射，一小部分会回到脉冲的发出点。称激光发射点为测距点，把这一小部分返回到测距点的激光脉冲称为激光回波，激光回波会被安装在测距点的光电探测器接收。设测距点到目标的距离为L，激光脉冲往返于测距点和目标的时间为T，能得到如下公式：

式中，C为光速，C=3×108m/s。所以，模拟距离和激光飞行时间成正比关系。

激光脉冲模拟精度ΔL可以表示为：

式中，ΔT为时间间隔测量模块的测时精度，它直接决定了脉冲激光测距系统的测距精度ΔL。

2 激光回波模拟器的功能与组成

火控系统高精度激光回波模拟器的结构如图1所示，激光回波模拟器由光学系统和电控系统两部分组成。光学系统由激光发射光学组件和激光接收光学组件构成。光学组件包括透镜组和衰减片，完成火控系统脉冲激光发射的激光到激光接收模块的光学匹配，以及激光发射模块发射的激光到火控系统的光学匹配。激光发射电路模块采用1.06μm波长的发光二极管；激光接收电路模块采用雪崩二极管探测器。电控系统包括：激光接收电路、上位机、嵌入式系统、延时控制和发射触发电路、激光发射电路。电控系统采用ARM9（S3C2440）+FPGA（XC2V40）的硬件处理平台，完成信号处理。

图1 激光回波模拟器的结构图

激光测距回波模拟器接收由被测火控系统激光器发射的一个激光脉冲。该激光脉冲经过激光模拟器的激光接收光学组件，激光接收电路模块，完成光信号到电信号的转变，并完成电信号的放大、滤波、整形等信号调理。调理后的电信号触发FPGA构成的延时控制模块工作，预先设置的延时时间一到，FPGA就产生标准脉冲使激光发射电路发出激光回波脉冲。激光回波经过激光回波模拟器的激光发射光学组件，产生激光回波脉冲返回到武器火控系统的接收端。

3 关键技术的实现

如前所述，测时精度直接影响激光回波模拟器的精度，故延时控制模块是激光回波模拟器的关键。延时控制由XC2V40实现，它包括锁相环倍频和逻辑门门级延时两部分。对锁相环倍频周期信号的计数实现高精度定时；利用逻辑门门级延时对高精度定时信号进行细分，实现更高精度定时。逻辑门门级延时对锁相环倍频周期信号的最后一个周期进行细分，得到激光回波模拟器的延时时间控制。

3.1 锁相环倍频技术

XC2V40外接50MHz的时钟晶振，内部的锁相环倍频电路经过八倍频得到400MHz的系统时钟。系统采用16位二进制计数器，对400MHz的系统时钟进行计数，一个周期计数的时间为2.5ns，最大时间测量范围为163.84μs，最大激光脉冲的模拟飞行距离是24.6km。一个周期折合到激光脉冲的飞行距离是0.375m，这个精度对于高精度的武器火控系统的检测并不能满足要求，需要采用精密定时技术，对粗定时的时间周期进行细分。

3.2 逻辑门门级延时技术

逻辑门门级延时电路是利用脉冲信号通过电路内部门电路的传播延迟来实现高精度时间间隔测量的。在电路中每个逻辑门的传输延迟时间都是相同的固定值，触发脉冲信号进入延迟系统后，沿着电路传递。当激光回波脉冲信号到来时，触发脉冲信号已经经过若干个逻辑门，通过计算触发脉冲信号在延时电路中通过的逻辑门的个数，就可以精确计算出时间间隔。

逻辑门门级延时由译码器、八个非门、八个与门、一个八输入或门和连线组成，如图2所示。输入信号由trig端经过非门、与门和八输入或门分成八路到达八输入或门输出端，构成第八级延时逻辑电路。根据激光模拟器需要模拟的距离，在译码器的输入端A、B和C输入相应的编码值0～7中的一个，则编码器的输出端D0～D7输出一个低电平和七个高电平。这八个信号分别连接到与门的输入端，高电平将与门锁定并输出低电平，只有低电平的信号将与门打开，输出取决于与门的另一个输入端。

图2 精密定时逻辑电路

粗定时最后一个周期结束时，系统在精定时的trig端产生一个上跳沿触发信号，经过逻辑非门和与门依次进入八输入或门的八个输入端。这时八个与门只有一个被选通，并在这个与门的输出端产生一个上跳信号，进入八或门的输入端，并在八或门的out输出端产生一个上跳信号，即为激光模拟器的延时信号，此信号驱动激光发射电路并输出激光回波。例如在D3_8E的输入端口A、B和C端输入011B，则D3_8E的输出端的第四个引脚上产生低电平，其余的输出端均产生高电平，所以只有第四个双输入与门保持开通状态，其余七个双输入与门保持截止状态。当trig端出现一个上跳沿触发信号时，trig信号经过四个非门和第四个双输入与门到达输出端out。其余的信号通路处于截止状态，从而实现信号走不同的通路，完成精确时间的产生。

精密定时的门级延时时间为0.347ns，线级延时时间为0.605ns，由逻辑图可以分别计算出每一个级别的延时时间。第一级逻辑电路从触发端到输出端，经过三个逻辑门两级延时，线延时时间为2.251ns；第二级逻辑电路从触发端到输出端，经过四个逻辑门三级延时，线延时时间为3.023ns。同理，可计算出3～8级的逻辑延时时间，如表1所示。

表1 精密定时延时时间

从上表可知，八级的逻辑延时时间从2.251ns单调增加到8.915ns。前面提到了计数器一个周期计数的时间为2.5ns，折合到激光脉冲的飞行距离是0.375m，但是该精度仍不能满足要求。运用游标原理进行细分，对上面得到的八个延时结果取2.5ns的余数，得到八个小于2.5ns的时间值，并从小到大排序。以0～2.5ns为一个单位，进行八级逻辑插入得到九个时间间隔，最大的时间间隔是0.356ns。

图3 游标定时原理图

火控检测系统的上位机将需要模拟的距离参数通过异步串行通讯口发送到S3C2440。S3C2440对得到的距离参数进行解算，得到粗定时的计数值和精定时的控制编码，并通过置数缓冲模块送到XC2V40，XC2V40把数据处理完成后给S3C2440反馈信号，告知S3C2440参数装定完毕。之后S3C2440通过异步串行通讯口给上位机发送反馈信息，告知火控检测系统可以进行一次测试。

4 实验结果及误差分析

4.1 实验数据测试

通过上位机的异步串行通讯口，分别对3km，5km，7km三种距离进行数据测试。激光回波模拟器装定参数完毕后，告知武器火控系统可以发送激光脉冲触发信号，激光回波模拟器检测到脉冲触发信号后立即开始工作，并在规定时间内返回激光回波，得到测试数据如表2所示。

表2 装定参数后的实测数据

从测试结果可以看出，实际测试值与装定值有偏差，这是由于系统本身的各个模块的误差综合作用的结果。

4.2 误差分析

系统时钟的石英晶体振荡器频率主要受温漂、零漂等因素的影响，最大抖动误差0.5ns。选择响应时间小的雪崩二极管探测器，其响应曲线的上升时间可以达到2ns，其波动值可以控制在0.8ns以内。应答光源的响应时间波动是影响激光回波模拟器距离模拟精度的主要因素，这主要是由发射管本身特性所决定的，光源驱动电路的固定延迟时间在30ns附近，随机波动时间误差可控制在0.8ns～1.0ns之间。光电信号在空间或线路中传播时因为各介质折射率在不同条件下会有所变化，所以光电信号的传播时间会有波动。这个传播时间也很短，其波动值可控制在0.8ns以内。系统总误差为

5 结论

激光测距回波模拟器提供给火控系统高精度的标定距离，使其在实验室条件下能够像在野外正常测距使用时一样获得精确、稳定且实时可调的目标距离。通过高精度时间间隔测量装置，对所设计的激光距离模拟源进行实验测定，证明距离模拟源提供的模拟距离值符合理论分析，其绝对误差小于0.25m。

［1］王选钢，缑宁祎，张珂殊.相位式激光测距谱分析鉴相的无偏改进［J］.光学精密工程，2012，20（4）：888-895.

［2］马跃，李松，周辉，等.系统参数对激光测高仪海洋测距和回波脉宽影响［J］.光学精密工程，2013，21（3）：813-820.

［3］林盈，侃郭颖，黄庚华，等.激光测距仪距离模拟源技术研究与精度分析［J］.红外与激光工程，2009，38（6）：1089-1093.

［4］郝建率，曹峦.激光多周期测距方法［J］.红外与激光工程，2002，31（2）：109-112.

［5］Stevens A E，Van Berg R P，Van Der Spiege.J，et a1.Time-to-voltage converter and analog memory for colliding beam detectors［J］.IEEE Journal of Solid-State Circuits，1989，24（6）：1748-1752.

［6］Hsiao M J，Huang J R，Chang T Y.A built in parametric timing measurement unit［J］.IEEE Design and Test of Computers，2004，21（4）：322-330.

［7］宋建辉，袁峰，丁振良.脉冲激光测距中高精度时间间隔的测量［J］.光学精密工程，2009，17（5）：1046-1050.

［8］Chen Zhibin，Yan Pangcheng.Computerized program controlled quasi-laser light source and its application in test of the properties of laser range finder［C］.Proceedings of SPIE，Photo nic Systems and Applications in Defense and Manufacturing，1999，38（8）：308-310.

［9］冯志辉，刘恩海.用于激光测距的高精度时间数字转换电路［J］.光学精密工程，2010，18（12）：2665-2671.

究［D］.武汉：武汉理工大学，2010.

（丄

［7］林亮，李育学，李京.柴油机曲轴速度变化的频谱分析［J］.船海工程，2008，37（1）：80-83

［8］胡金蕊.4DC柴油机曲轴轴系多体动力学仿真研究［D］.长春：吉林大学，2006.

［9］黄以兵.16V170柴油机曲轴研制与有限元分析［D］.济南：山东理工大学，2012.

［10］冯祥.柴油机曲轴疲劳强度分析［D］.镇江：江苏科技大学，2010.

［11］孔丹丹.4EC发动机曲轴轴系多体动力学仿真分析［D］.长春：吉林大学，2012.

［12］李梅.发动机曲轴系动力学分析与动态性能优化［D］.上海：上海交通大学，2009.

High Accuracy Laser Echo Simulation of Fire Control System

YANG Chengyu，WAN Wentao
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In order to provide high precision and stable optical signal for the pulsed laser ranging device of the fire control system，the test distance performance under laboratory conditions was completed.ARM9+FPGA embedded system was used as the control platform；coarse timing module and precision timing module of the FPGA were kept in serial work；the pulse laser Timeof-flight Distance of the fire control system was realized.The range-gate control circuit for coarse timing of the last cycle in precision timing module was adopted by using vernier principle，so the high precision timing can be realized.The laser echo simulator

the triggering signal of fire control system，the laser echo simulation within 24.6km distance can be returned on time，the accuracy can reach 0.25m.

laser ranging；fire control system；laser echo simulation；range-gate control circuit；time-of-flight

TN249

A

1672-9870（2017）04-0019-04

2017-05-21

杨成禹（1972-），男，博士，讲师，E-mail：125592246@qq.