趙忠偉, 張玉鈞, 周 權(quán), 沈 超, 倪家正
(脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(電子工程學(xué)院),合肥 230037)
提高炸點(diǎn)控制精度是引信特別是近炸引信發(fā)展的一個(gè)永恒主題,而提高炸點(diǎn)控制精度關(guān)鍵在于對(duì)目標(biāo)的精確定距和起爆點(diǎn)位置的精確控制,激光引信能精確控制起爆點(diǎn)的位置[1-2],所以對(duì)激光引信實(shí)現(xiàn)較高的距離判別精度有著重要意義。
目前,由于激光引信對(duì)體積、重量和功耗有著苛刻的要求,所以激光引信主要采用脈沖測(cè)距的方法進(jìn)行距離判別[3-4]。根據(jù)脈沖激光測(cè)距的原理可知,影響測(cè)距的因素主要有起止脈沖信號(hào)時(shí)刻的判別和時(shí)間間隔的測(cè)量。國(guó)內(nèi)外目前在脈沖激光引信中,主要采用縮短發(fā)射激光的脈沖寬度來提高引信的測(cè)距精度[5-6],雖然這種方案能提高引信測(cè)距精度,但對(duì)于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的帶寬卻提出了更高的要求,引信功耗也隨之加大,因此,本文設(shè)計(jì)了可在原有發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的條件下提高脈沖激光引信測(cè)距精度的時(shí)刻判別和時(shí)間間隔測(cè)量電路。
時(shí)刻鑒別單元的主要作用是對(duì)放大電路的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為系統(tǒng)產(chǎn)生起始信號(hào)和結(jié)束信號(hào),其性能直接影響著測(cè)時(shí)精度和系統(tǒng)的距離分辨率。目前常用的方法有前沿時(shí)刻鑒別、恒定比值時(shí)刻鑒別法和高通容阻法[7]。前沿時(shí)刻鑒別容易實(shí)現(xiàn),但是漂移誤差較大,無(wú)法滿足高精度測(cè)量的應(yīng)用;恒定比值時(shí)刻鑒別能夠克服前沿時(shí)刻鑒別的缺點(diǎn),減小漂移誤差,提高測(cè)量精度,但是其需要得到一個(gè)精確到納秒量級(jí)的延遲,這是很難實(shí)現(xiàn)的,系統(tǒng)的復(fù)雜度也會(huì)增加:所以本文在高通容阻的原理上設(shè)計(jì)了有源CR雙閾過零時(shí)刻判別電路。其原理如圖1所示。
圖1 有源CR雙閾過零時(shí)刻判別原理圖Fig.1 The active CR double threshold zero-crossing timing discriminating circuit
由圖1可知,放大后的信號(hào)分為兩路,一路經(jīng)過C1、R1和放大器U1構(gòu)成的有源CR微分電路,由單極性脈沖信號(hào)變?yōu)殡p極性信號(hào),輸出到過零比較器U3;另一路輸入到閾值比較器U2進(jìn)行閾值比較,只有當(dāng)信號(hào)大于閾值時(shí),才確定信號(hào)有效,輸出高電平到U3的使能端口LE,使U3處于比較狀態(tài),避免了因噪聲和干擾信號(hào)引起過零比較器的誤觸發(fā)。當(dāng)U3處于比較狀態(tài)時(shí),雙極性信號(hào)經(jīng)過U3,與零閾值進(jìn)行比較,輸出所需的脈沖信號(hào)。整個(gè)電路的時(shí)序如圖2所示。
圖2 時(shí)刻判別電路時(shí)序圖Fig.2 The time sequence of discriminating circuit
為了減小誤差,避免電源電壓波動(dòng)或者噪聲等造成的比較器閾值電平飄移,在比較器U2中采用穩(wěn)壓管穩(wěn)定閾值th1,電位器R4用來調(diào)整閾值大小;在U3中采用兩只二極管串聯(lián)來穩(wěn)定零電平,并且為了得到穩(wěn)定的閾電壓,對(duì)電位器R9輸出的電壓進(jìn)行了衰減和濾波,減少了噪聲和外部干擾的影響。
脈沖激光引信測(cè)距的工作原理是通過測(cè)定脈沖光波在測(cè)線上往返所經(jīng)歷的時(shí)間,按照式(1)求出距離值,即脈沖飛行時(shí)間法[8]。
式中:D為被測(cè)距離;c為光速;t為脈沖光波在測(cè)線上往返經(jīng)歷的時(shí)間間隔,即飛行時(shí)間。在激光引信中,測(cè)距的時(shí)序如圖3所示。
圖3 脈沖激光引信測(cè)距的時(shí)序圖Fig.3 Time sequence diagram of pulse laser fuze ranging
從圖3中可以看出,由開始信號(hào)到結(jié)束信號(hào)的真實(shí)時(shí)間間隔為Td,而若采用簡(jiǎn)單的直接計(jì)數(shù)法得到的測(cè)量結(jié)果為Tc,存在極大的誤差。目前,脈沖測(cè)距時(shí)間測(cè)量方法有模擬法[9]、數(shù)字法和數(shù)字插入法。數(shù)字插入法是在數(shù)字法的基礎(chǔ)上,通過插入法提高測(cè)量精度,包括延遲線插入法、時(shí)幅轉(zhuǎn)換插入法和時(shí)間放大插入法。數(shù)字插入法繼承了數(shù)字法測(cè)量范圍大和線性好的優(yōu)點(diǎn),又實(shí)現(xiàn)了高精度的時(shí)間測(cè)量,因此,為了精確測(cè)量開始信號(hào)和回波信號(hào)的時(shí)間間隔,本文選擇具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量重復(fù)頻率高、易于單片集成和精度高等優(yōu)點(diǎn)的FPGA延遲線插入法進(jìn)行高精度時(shí)間間隔的測(cè)量。
在本設(shè)計(jì)中,時(shí)間間隔的測(cè)量包括“粗”時(shí)間測(cè)量和“細(xì)”時(shí)間測(cè)量?jī)刹糠?,其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 時(shí)間間隔測(cè)量的主要結(jié)構(gòu)Fig.4 Main architecture of time-interval measurement
“粗”時(shí)間測(cè)量,就是直接計(jì)數(shù)法,通過一個(gè)高速計(jì)數(shù)器和兩個(gè)鎖存器來實(shí)現(xiàn),以時(shí)鐘周期為基準(zhǔn),開始信號(hào)和回波信號(hào)為計(jì)數(shù)開門和關(guān)門的鎖存信號(hào),鎖存住激光開始信號(hào)start和回波信號(hào)stop到達(dá)時(shí)的計(jì)數(shù)值,根據(jù)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘周期T0算出“粗”時(shí)間Tc;兩路延遲線構(gòu)成“細(xì)”時(shí)間測(cè)量電路,用來測(cè)量開始或回波信號(hào)與時(shí)鐘上升沿之間的時(shí)間間隔Ta和Tb,最后得到開始和回波信號(hào)之間的時(shí)間間隔Td。
假設(shè)計(jì)數(shù)器和兩個(gè)鎖存器位寬為N,開始信號(hào)的鎖存器Qa鎖存的計(jì)數(shù)值為Qa1,回波信號(hào)的鎖存器Qb鎖存的計(jì)數(shù)值為Qb1,則開始信號(hào)和回波信號(hào)之間的計(jì)數(shù)間隔Q△可表示為
假設(shè)延遲線每個(gè)單元的延時(shí)時(shí)間為Tr,主波信號(hào)延遲線和回波信號(hào)延遲線編碼器的輸出分別為Na、Nb,計(jì)算可得Ta和Tb。
由式(2)~式(4)可得Td為
由以上分析可知,在計(jì)數(shù)時(shí)鐘穩(wěn)定的條件下,F(xiàn)PGA延遲線插入法測(cè)量時(shí)間間隔的精度取決于延遲單元的精度Tr。
在FPGA中實(shí)現(xiàn)延遲線插入法有很多種,本文利用FPGA內(nèi)部專用進(jìn)位鏈來實(shí)現(xiàn)時(shí)間內(nèi)插,以便得到較高的測(cè)時(shí)分辨率[10-11]。使用加法器將進(jìn)位單元級(jí)聯(lián)起來形成一條對(duì)輸入信號(hào)的時(shí)間內(nèi)插延遲線,實(shí)現(xiàn)時(shí)間內(nèi)插電路,進(jìn)位鏈構(gòu)成延遲線的示意如圖5所示,其中,A為被加數(shù)、B為加數(shù),Sum為和,C為進(jìn)位數(shù),S為回波信號(hào)。
圖5 進(jìn)位鏈構(gòu)成延遲線示意圖Fig.5 Schematic diagram of delay-line formed by carry-in chain
設(shè)置所有的A為1,B除最低位外都為0,加數(shù)的最低位作為開始或回波信號(hào)S的輸入。這樣,當(dāng)外部沒有輸入信號(hào)時(shí),S為0,所有輸出Sum都為1,進(jìn)位鏈上沒有信號(hào)傳播;當(dāng)外部有輸入信號(hào)時(shí),S為1,加法器的最低位加法公式就是A+S+C=1+1+0,和數(shù)Sum[0]為0,進(jìn)位信號(hào)為1。這樣,輸入信號(hào)沿著進(jìn)位鏈的每級(jí)專用進(jìn)位連線一級(jí)級(jí)地傳輸,輸入信號(hào)被延遲線延遲的信息可以通過加法器的輸出信號(hào)顯示出來。
通過對(duì)大量FPGA芯片性能的研究,本文選用Xilinx公司的XC2V250-6CS144I器件來實(shí)現(xiàn) Td的精確測(cè)量。該器件內(nèi)部最高時(shí)鐘可達(dá)420 MHz,延遲進(jìn)位鏈延時(shí)單元延時(shí)時(shí)間為82 ps,可以實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)、高時(shí)間分辨率、響應(yīng)速度快的TDC電路,其電路功能框圖如圖6所示。
圖6 FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔測(cè)量電路功能框圖Fig.6 Graph of time-interval measurement circuit in FPGA
由圖6可知,時(shí)間間隔測(cè)量電路主要包括高速計(jì)數(shù)器、延遲進(jìn)位鏈、鎖存器、D觸發(fā)器和編碼器。其中:高速計(jì)數(shù)器采用400 MHz的時(shí)鐘計(jì)數(shù)進(jìn)行“粗”測(cè)量,測(cè)得Tc;延遲進(jìn)位鏈包括開始信號(hào)start和回波信號(hào)stop兩路延遲線路,而且要求每一路延遲線路總的延遲時(shí)間大于高速計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘周期2.5 ns,所以每一路延遲線路的延遲單元不少于31個(gè),為了確保延遲電路的有效性,每一路延遲線路的延遲單元設(shè)為48個(gè);鎖存器采用400 MHz時(shí)鐘同步的開始信號(hào)和回波信號(hào)進(jìn)行鎖存;D觸發(fā)器,用來完全一致地鎖存輸入信號(hào)沿進(jìn)位鏈傳輸?shù)臅r(shí)間延遲信息;編碼器是將延遲進(jìn)位鏈的48位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制碼。最后,各路信息匯總到信號(hào)處理單元,計(jì)算出測(cè)量的距離,再輸出到顯示器進(jìn)行顯示。
根據(jù)以上提高測(cè)距精度的方法,設(shè)計(jì)了一套脈沖激光引信系統(tǒng),如圖7所示,包括發(fā)射系統(tǒng)(半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路,半導(dǎo)體激光器和發(fā)射透鏡),接收系統(tǒng)(接收透鏡,探測(cè)器,前放電路,主放電路和時(shí)刻鑒別電路),時(shí)間測(cè)量電路和數(shù)據(jù)處理4個(gè)部分。
圖7 脈沖激光引信系統(tǒng)框圖Fig.7 Graph of pulse laser fuze structure
系統(tǒng)中半導(dǎo)體激光器選用PGAS1S12,采用溫度補(bǔ)償激光二極管控制器X9530構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路,接收電路中選用三極管BFR92構(gòu)成雙極晶體管型的跨阻式前置放大電路,主放大器AD8047構(gòu)成增益控制電路,時(shí)刻判別電路中選用運(yùn)放AD8047組成有源CR電路,高速比較器AD96687用來雙閾比較和時(shí)刻判定,F(xiàn)PGA進(jìn)行時(shí)間間隔測(cè)量和最后的信號(hào)處理。
完成以上系統(tǒng)后,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,由于信號(hào)經(jīng)過接收系統(tǒng)各器件會(huì)產(chǎn)生延遲,所以需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正,校正后進(jìn)行實(shí)驗(yàn),目標(biāo)放于距離系統(tǒng)的3~10 m之間,每個(gè)位置測(cè)量5次,得到數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 近距離測(cè)量結(jié)果Table 1 Measure results in small range
從表1可以看出,單次測(cè)量最大誤差小于0.170 m,多次測(cè)量平均誤差小于0.040 m,結(jié)果表明,通過多次求平均后可以減小隨機(jī)誤差的影響。從結(jié)果中也可以看出,系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差不僅僅來自于時(shí)間間隔測(cè)量電路中延遲單元Tr,還有時(shí)鐘晶振的抖動(dòng)導(dǎo)致的“粗”計(jì)數(shù)部分出現(xiàn)的誤差,以及時(shí)刻判別電路中高速比較器存在的傳輸延時(shí)分散性誤差。因此造成單次測(cè)量結(jié)果誤差偏大,但平均誤差很小,證明了本系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)需要,所設(shè)計(jì)的時(shí)刻鑒別電路和時(shí)間間隔測(cè)量電路提高了脈沖激光引信的定距精度。
根據(jù)高通容阻的原理和脈沖激光引信的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了雙閾過零時(shí)刻判別電路和基于FPGA延遲線插入法的時(shí)間間隔測(cè)量電路,滿足了在不增加脈沖激光引信系統(tǒng)功耗、體積和重量的前提下,有效地提高了系統(tǒng)定距的精度。實(shí)踐表明,該電路應(yīng)用于脈沖激光近炸引信測(cè)距系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)0.17 m的定距精度,滿足實(shí)際需要。
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