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伪随机编码通常采用线性反馈移位寄存器(linear feedback shift register, LFSR)生成,一种是根据线性反馈移位寄存器输出值(0或1)确定是否发射激光,称为LFSR调制码;一种根据线性移位寄存器当前状态值(0-1序列)确定脉冲间隔进行编码,称为LFSR状态码[11]。LFSR调制码存在最小脉冲间隔ΔTmin,用以ΔTmin为周期的干扰脉冲即可对其产生有效干扰。LFSR状态码不存在最小脉冲间隔,抗干扰能力更强[12],其编码方式为:
$ \left\{\begin{array}{l} \Delta T_i=\Delta T_0+k_i \times \Delta T_{\mathrm{d}}+T_{\mathrm{r}} \\ k_i=\left[\begin{array}{lll} a_1 & \cdots & a_s \end{array}\right]_{2 \rightarrow 10} \end{array}\right. $
(1) 式中, ΔTi为第i(1≤i≤M-1)和i+1个脉冲之间的时间间隔;ΔT0为基准时间间隔;ΔTd为脉冲间隔增量;Tr为随机扰码;ki为脉冲间隔跳变数,由二进制序列[a1 … as]的十进制值确定,序列由s级LFSR产生。
按照(1)式所述编码方式,在MATLAB软件中仿真生成LFSR状态码,设定线性反馈移位寄存器级数s=8,初始种子为[a1 … a8]=01001001,反馈系数为[c1 … c8]=11111110,ΔT0=50ms,ΔTd=0.1ms,结果如图 1所示。以单次制导过程时间为10s,激光目标指示器发射指示激光频率为20Hz计算,共需200个激光脉冲用于导引头制导,LFSR状态码可满足制导过程中脉冲时间间隔不重复的需求。
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在制导过程中,四象限探测器接收目标反射的激光回波,经放大电路、模数转换为方波脉冲序列送至信息处理单元;搜索识别阶段,解码器接收到综合控制器发送的码型参量后,采用基于数字匹配滤波器的识别方法,根据预设编码码字设置抽样窗口,对预设编码抽样序列和实时信号抽样序列计算互相关函数,计算结果为1,则匹配识别成功;捕获到导引信号后,进入锁定跟踪阶段,采用自适应扩展实时波门技术,根据导引信号匹配时刻及解析得到的编码参量设置时间波门,利用波门内截获的信号对目标进行持续跟踪[13]。
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数字匹配滤波器(digital matched filter, DMF)多用于扩频通信中对高速伪随机码的快速捕获,以实现信道同步[14-15]。基于数字匹配滤波器的编码识别方法具有搜索速度快、受干扰脉冲影响小的特点,在一个编码周期即可完成搜索。借鉴其解码原理,将其应用于激光制导LFSR状态码脉冲序列的解码识别过程中。
数字匹配滤波器主要由移位寄存器、与门组、多输入加法器和除法器组成,其基本结构如图 2所示[14]。其中移位寄存器(shift register)A用于存储实时接收到的激光脉冲信号序列,移位寄存器B用于存储预设激光伪随机编码序列;与门组用于求取实时信号序列和预设编码序列的互相关性;然后将各与门的结果输入加法器及除法器中得到最终的互相关函数值rxy,计算公式如下:
$ r_{x y}=\frac{1}{M} \sum\limits_{n=0}^{N-1} x(n) \cdot y(n) $
(2) 式中,x(n)为预设伪随机编码序列;y(n)为导引头接收到的实时脉冲信号序列;n为脉冲序列中离散化信号的编号;N为序列长度,即移位寄存器的长度;M为序列中存在的编码信号个数。若上式计算结果为rxy=1时,则表明匹配成功,捕获到导引信号。
为减小运算复杂度,对实时信号序列和预设编码序列进行抽样,考虑大气传输、编码晶体振荡器频率稳定度等因素,抽样窗口设定为脉冲时间间隔ΔTi±iδ的范围,对抽样序列计算互相关函数值如下:
$ \begin{aligned} r_{x y}{ }^{\prime} & =\frac{1}{M} \sum\limits_{n=0}^{N-1} x_R(n) \cdot y_R(n), \\ \left(R_i\right. & \left.\in\left[\Delta T_i-i \delta, \Delta T_i+i \delta\right]\right) \end{aligned} $
(3) 式中,xR(n)为预设编码的抽样序列;yR(n)为实时信号的抽样序列;Ri为第i个抽样窗口范围;ΔTi为预设编码序列第i(i=1,2,…, M-1)个脉冲时间间隔;δ为脉冲到达时间不确定度。
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时间波门技术是激光解码锁定跟踪阶段常用的抗干扰手段,对特定频率的干扰脉冲,在保证制导信号进入波门的概率最大化前提下,波门宽度越窄,干扰脉冲进入波门的几率越小,则激光制导抗干扰能力越强。时间波门技术的原理为:根据预设编码序列和搜索识别阶段中导引信号匹配成功时刻,预测下一制导信号脉冲到达时刻,以该时刻为波门中心位置,以脉冲到达时间不确定度为最小波门半径设置波门,解码器只对波门内截获的信号进行处理[16]。时间波门技术主要分为固定波门和实时波门两类。
固定波门是均以导引信号匹配成功时刻为时间同步点,根据编码参量设置时间波门,波门宽度通常为30μs~80μs[17]。具体方法为:在匹配成功时刻tm后的第1个预设脉冲时间间隔ΔTi+1设置宽度为2δ的波门Tg, 1,在其后第2个预设脉冲时间间隔ΔTi+1+ΔTi+2处设置宽度为4δ的波门Tg, 2,以此类推,在其后第k个预设脉冲时间间隔$\sum\limits_{j=1}^k \Delta T_{i+j}$处设置宽度为2k· δ的波门Tg, k,即:
$ \left\{\begin{array}{l} T_{\mathrm{g}, 1}= {\left[t_m+\Delta T_{i+1}-\delta, t_m+\Delta T_{i+1}+\delta\right] } \\ T_{\mathrm{g}, 2}= {\left[t_m+\Delta T_{i+1}+\Delta T_{i+2}-2 \delta, t_m+\right.} \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \left.\Delta T_{i+1}+\Delta T_{i+2}+2 \delta\right] \\ \vdots \\ T_{\mathrm{g}, k}= {\left[t_m+\sum\limits_{j=1}^k \Delta T_{i+j}-k \delta, t_m+\right.} \\\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \left.\sum\limits_{j=1}^k \Delta T_{i+j}+k \delta\right] \end{array}\right. $
(4) 实时波门是以前一波门内检测到的制导脉冲时刻为时间同步点设置下一波门,波门宽度选取范围通常为5μs~20μs。以导引信号匹配成功时刻tm为第1个波门的时间同步点设置宽度为2δ的波门Tg, 1′,然后以第1个波门内检测到的脉冲信号时刻tm+1为第2个波门的时间同步点设置宽度为2δ的波门Tg, 2′,以此类推,以第k-1个波门内检测到的脉冲信号时刻tm+k-1为第k个波门的时间同步点设置宽度为2δ的波门Tg, k′,即:
$ \left\{\begin{array}{c} T_{\mathrm{g}, 1}{ }^{\prime}=\left[t_m+\Delta T_{i+1}-\delta, t_m+\Delta T_{i+1}+\delta\right] \\ T_{\mathrm{g}, 2}{ }^{\prime}=\left[t_{m+1}+\Delta T_{i+2}-\delta, t_{m+1}+\Delta T_{i+2}+\delta\right] \\ \vdots \\ T_{\mathrm{g}, k}{ }^{\prime}=\left[t_{m+k-1}+\Delta T_{i+k}-\delta, t_{m+k-1}+\Delta T_{i+k}+\delta\right] \end{array}\right. $
(5) 固定波门采用一个时间同步点,具有累计误差,且波门宽度随时间成等差数列增长,导致随时间推移抗干扰性能下降,因此激光制导解码通常采用实时波门方案。在实时波门技术中,若采用首脉冲认定准则,当干扰脉冲P2′先于制导脉冲P2进入波门Tg, 2,以干扰脉冲为时间同步点设置下一波门Tg, 3,可能会导致下一制导脉冲P3落在实时波门之外,如图 3所示。因此需对实时波门进行修正[18]。
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针对实时波门受干扰脉冲影响出现漏检制导脉冲的情况,采用自适应扩展时间波门的方法避免存在干扰时导引头无法锁定跟踪目标。自适应扩展实时波门的基本原理如图 4所示。常规波门宽度为2δ,不同情况下波门的设置准则为:(1)前一波门中只检测到一个脉冲信号Pk-1,则认定其为制导信号,以该脉冲时刻tm+k-1为同步点,在下一个编码脉冲时间间隔ΔTi+k处设置宽度为2δ的时间波门;(2)前一波门中检测到多个脉冲Pk, 1, Pk, 2, …Pk, l时,则分别以波门内的首脉冲时刻tm+k, 1和末脉冲时刻tm+k, l为同步点,在下一个编码脉冲时间间隔ΔTi+k+1处设置两个宽度为2δ的时间波门,最终形成的波门宽度为2δ+ε,ε为前一波门中首末脉冲的时间差;(3)前一波门中未检测到脉冲信号时,则以最近一次检测到的脉冲时刻tm+k+1为同步点,在累计两个编码脉冲时间间隔ΔTi+k+2+ΔTi+k+3处设置宽度为4δ的时间波门。若连续两次在波门内未检测到脉冲信号,则回到搜索识别阶段重新进行匹配识别。
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激光导引头信息处理单元多采用数字信号处理器(digital signal processor,DSP)结合FPGA及相关外设电路的架构,难以实现小型化设计,其中FPGA主要用于对接口电路和时序的控制,信号处理算法则在DSP中实现[19]。随着大规模集成电路设计和工艺水平的提高,FPGA的内部资源日益丰富,信号处理功能更强大,并且具有并行计算实时性好、便于二次开发灵活性好等特点,基于单片FPGA芯片即可完成整个信息处理单元的功能设计。
基于FPGA的解码器总体框架如图 5所示。由复位模块(reset)、时钟分频模块(phase locked loop, PLL)、串口通信模块(universal asynchronous receiver/transmitter, UART)、数据缓存模块(shift register)、编码识别模块(code matching)及波门跟踪模块(time-gate tracking)组成。系统主芯片选用Altera公司的Cyclone Ⅲ系列EP3C120F484I7型FPGA,采用Verilog HDL语言进行开发设计。外设电路包括EPCS64 FLASH存储器、60MHz晶振、RS232串口收发器、模数(analog-to-digital,A/D)转换器等。
复位模块根据系统运行时间标志位“time_flag”、输入信号无效标志位“data_invalid”及编码码字更新标志位“T_change”,对系统进行复位及初始化。时钟分频模块调用锁相环IP核“ALTPLL”,将晶振时钟分频得到1MHz的系统主时钟、串口通信时钟等,在1MHz主时钟下对输入的导引信号和随机干扰脉冲进行采样,即脉冲宽度为1μs。串口通信模块负责与综合控制器的通信,接收码型参量,并将其转换为脉冲时间间隔。数据缓存模块调用双口RAM IP核实现超长移位寄存器,满足基于数字匹配滤波器的识别算法的数据存储量需求。编码识别模块和波门跟踪模块首先根据码型参量和识别算法完成码型匹配,判断是否接收到导引信号,匹配成功后进入开波门流程。
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数据缓存模块的设计有两个关键点:超大数据存储量和可变长度。
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在1MHz主时钟下,以导引信号采用4位编码、基准时间间隔为50ms计算,至少需要缓存150000个数据。自行编写的超长移位寄存器可能出现时序紊乱的问题,故调用双口RAM IP核“RAM: 2-PORT”,读写操作均在主时钟上升沿进行。
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按照LFSR状态码编码方式,级数s=8时导引信号的脉冲时间间隔变化范围为±(0.1ms~12.7ms),串口通信模块接收到LFSR状态码编码码字参量后,解析出子序列脉冲间隔跳变数提供给数据缓存模块。设ki为8位脉冲间隔跳变数,其最高位为符号位,其余7位为跳变的绝对值;基准时间间隔ΔT0=50000,则子序列脉冲时间间隔为:
$ \left\{\begin{array}{l} \Delta T_i=\Delta T_0+k_i[0: 6] \times 100, k_i[7]=0 \\ \Delta T_i=\Delta T_0-k_i[0: 6] \times 100, k_i[7]=1 \end{array}\right. $
(6) 然后由ΔTi来控制相应随机存取存储器(random access memory, RAM)的读写地址范围,每个clk上升沿读写地址+1,当读写地址等于ΔTi时,将读写地址清零。
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采用“数据链”的方式实现移位寄存器中的数据传输,整个移位寄存器由随机存取存储器(random access memory, RAM)和window拼接而成,数据链中数据的传输方式如图 6所示。将window 0~window 3中数据输出,即完成(3)式中对脉冲信号序列的抽样。
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编码识别及波门跟踪模块使用状态机来实现,状态机分为5个状态:(1)初始状态(s0);(2)编码识别状态(s1);(3)正常波门状态(s2);(4)扩展波门状态(s3);(5)两倍波门状态(s4)。状态机转换具体流程如图 7所示。
初始状态(s0):等待移位寄存器中数据存满,则进入编码识别状态。
编码识别状态(s1):检测抽样窗口window 0~window 3中是否同时有脉冲,即对每个窗口中的数据按位求“或”运算,再将“或”运算的结果求“与”,最终结果为1则表示检测到导引信号,将解码标志位flag_decode置高,并用计数器timer 0记录匹配成功时刻,进入正常波门状态,否则继续编码识别状态。
正常波门状态(s2):以导引信号匹配成功时刻timer 0为同步点,在其后[ΔTi+k-δ, ΔTi+k+δ]时刻处将波门信号gate置高,波门宽度为5μs;首先判断波门内是否检测到脉冲信号,若未检测到脉冲,则进入两倍波门状态(s4);若检测到脉冲,则将脉冲标志位flag_pulse置高,进一步判断脉冲个数:若检测到脉冲个数为1,则用计数器timer 1记录脉冲时刻,作为下一波门同步点,继续正常波门状态;若检测到脉冲个数大于1,则分别用timer 1和timer 2记录首、末脉冲时刻,转至扩宽波门状态(s3)。
扩宽波门状态(s3):以上一波门内记录的首脉冲时刻timer 1为同步点,在其后[ΔTi+k+1-δ, ΔTi+k+1+δ+ε]时刻处将波门信号gate置高,波门宽度为(5+ε)μs。
两倍波门状态(s4):以最近一次记录的脉冲时刻timer 1为同步点,在其后[ΔTi+k+ΔTi+k+1-2δ, ΔTi+k+ ΔTi+k+1+2δ]时刻处将波门信号gate置高,波门宽度为9μs;若在波门内检测到目标信号脉冲,则将flag_pulse置高并记录脉冲时刻,返回正常波门状态;否则返回编码识别状态(s1),对编码重新识别。
激光制导伪随机编码信号解码技术
Decoding technique of laser-guided pseudo-random coded signals
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摘要: 为了减小漏脉冲和干扰脉冲对激光解码的影响、提高导引头解码器的实时性和准确性,在分析伪随机编码原理和制导信号解码过程的基础上,采用基于数字匹配滤波器的识别方法对制导信号进行搜索识别,提出了一种自适应扩展实时波门技术实现对目标的锁定跟踪。解码器系统的硬件采用现场可编程门阵列来设计和实现,并进行了仿真测试及系统实测验证。结果表明,在接收到一组编码信号的当前周期内即可完成码型识别,解码实时性好;在正常波门宽度为5μs的自适应扩展实时波门下,100kHz高重频干扰信号的干扰成功概率降低至50%,有效提高了制导的抗干扰性。此研究有利于提高半主动激光制导武器的命中精度和可靠性。Abstract: To improve the real-time performance and accuracy of the seeker decoder andreduce the effects of missing pulses and interference pulses on laser decoding, an identification method based on the digital matched filter and an adaptive extended real-time gate technique was proposed to search and track the target. The decoder system was designed and implemented based on a field-programmable gate array (FPGA) chip. The simulation and experimental results show that the code pattern identification can be completed within the current period of a set of encoded signals, and the real-time of the decoder system is good. For the 100kHz high pulse repetition frequency interference, the proposed real-time gate technique with a normal gate width of 5μs reduces its interference probability to 50% and effectively improves the anti-jamming performance of the guidance. This study is conducive to improving the accuracy and reliability of semi-active laser-guided weapons.
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Key words:
- laser technique /
- laser decoding /
- digital matched filter /
- real-time gate
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[1] WANG K B. Latest development and trends of semi-active laser guidance technology[J]. Infrared and Laser Engineering, 2008, 37(s1): 275-279(in Chinese). [2] ZHOU Zh L, HE Y Q, ZHOU B, et al. Study on identification technique of guiding laser code information[J]. Laser & Infrared, 2011, 41(6): 660-663(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2011.06.014 [3] WEI W J, QIN Sh Q, ZHAN D J, et al. Research on laser encoding in laser semi-active homing guidance[J]. Laser & Infrared, 2008, 38(12): 1199-1203(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2008.12.005 [4] ZHAO R J, XIONG P, CHEN Y H. The fast searching technique of pulse sequence and analysis of fiducial[J]. Signal Processing, 1996, 12(2): 140-146(in Chinese). [5] LI J B, YANG T. A method to decode laser-pulse series based on autocorrelation[J]. Optics & Optoelectronic Tecgnology, 2004, 2(4): 34-35(in Chinese). [6] SHAO X D, YAO L H, ZHANG Sh K, et al. Research of laser guided signal sorting and code recognition technique[J]. Laser Technology, 2011, 35(5): 648-651(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.05.020 [7] CHENG Y B, NIE J S. Method to solving laser-coded period by autocorrelation[J]. Infrared and Laser Engineering, 2008, 37(s1): 214-217(in Chinese). [8] SHEN T, SONG J Sh. Identification technique of laser guided signal code information[J]. Infrared and Laser Engineering, 2009, 38(5): 854-858(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2009.05.021 [9] YANG J H, ZHANG X. Analysis and design of laser pulse signal decoding algorithm based on autocorrelation sequence[J]. Technology Innovation and Application, 2017(35): 115-116(in Chinese). [10] ZHAO Q, LIU Zh G, WANG Sh Ch, et al. Effect of high repetition frequency on laser decoding recognition process[J]. Laser Technology, 2014, 38(4): 565-568(in Chinese). [11] QIU X, LIU Zh G, WANG Sh Ch. Pseudo-random coding of semi-active laser-guided weapon[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(8): 0801008 (in Chinese). doi: 10.3788/CJL201946.0801008 [12] ZHANG Y F, ZHANG Ch X, WANG P, et al. Research on anti-active-jamming effect of laser pulse coding[J]. Laser & Infrared, 2019, 49(1): 99-104(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2019.01.017 [13] ZHAO Q, LIU Zh G, WANG Sh Ch, et al. Jamming effect of high repetition laser on laser guidance's decoding[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(5): 1438-1443(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2015.05.008 [14] ZHANG Ch. Research on acquisition in DSSS system and its implementation based on FPGA[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2016: 18-20(in Chinese). [15] XIANG J W, WEI Zh M, XIONG X J. A pseudo-code acquisition method based on digital matched filter[J]. Radio Engineering, 2011, 41(11): 28-30(in Chinese). [16] DING Sh. Research on the setting method of time-gate width for laser seeker[D]. Wuhan: Huazhong University of Science & Technology, 2019: 11-15(in Chinese). [17] XING H, LEI P, MA N. Experiment and analysis on time sequence anti-jamming technology of semi-active laser seeker[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(2): 461-465(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2012.02.035 [18] WEI W J. Key techniques and system study on HWIL simulation for laser guidance and electro-optical countermeasures[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2010: 69-71(in Chin-ese). [19] PENG J J, LIU H, CHENG Zh F, et al. Realization of a high integrated signal processor for the semi-active laser seeker[J]. Air & Space Defense, 2018, 1(3): 20-25(in Chinese).