基于无线激光通信的引信外弹道装定方法

刘鹏飞，王敬斌，周晓东，王金柱

(1.陆军工程大学石家庄校区，河北 石家庄 050003；2.西北工业集团，陕西 西安 710065)

0 引言

引信作为武器系统的实施终端毁伤的控制核心，要综合利用武器平台的目标信息、环境信息，选择最佳的攻击点、起爆时机、起爆方式。引信装定就是在弹丸发射前或飞行过程中，将所需的信息和参数由装定器通过有线或无线传输的方式传输给引信[1]。引信装定分为接触式和非接触式，由于非接触式装定能够减少反应时间、提高武器系统的射速，从而使武器系统更灵活、生存能力更强，因此正确可靠大容量数据的非接触式装定成为各国研究的热点。

现代引信非接触装定研究主要集中在电磁感应装定和射频装定两种方法。20世纪70年代，电磁感应装定首先由美国海军为控制半主动制导炮弹的延迟时间时第一次使用，之后国内外对电磁感应装定进行了大量研究。文献[2]设计了非共轴线圈形式，克服了火炮身管尺寸的限制。文献[3]提出了一种适用于小口径武器平台的平板型感应耦合装定结构。电磁感应装定主要有共轴“L”形式、非共轴形式和平板型结构等。电磁感应装定在武器平台上也得到了实际应用，如美国的艾连特公司研制的便携式感应装定器(PIAFS)、瑞士的AHEAD引信实时感应装定系统等[4-5]。但是由于信息传输速率和感应距离的相互制约关系，使得电磁感应装定难以实现高速率、远距离的引信装定。射频装定系统较电磁感应装定系统能够实现远距离装定。文献[6]设计了射频装定系统并在实验室条件下完成了试验，能够实现百米的装定距离。文献[7]提出了在安装孔内圈增加铁氧体衬板的方式降低安装钢板对电磁场产生的涡流损耗。但是从目前的研究成果来看，射频装定还难以满足抗金属屏蔽和涡流影响实现战场复杂电磁环境的干扰下可靠装定的需求。针对上述问题，本文提出了基于无线激光通信的外弹道装定方法。

1 无线激光通信原理

无线激光通信原理是利用激光在空间中的传播实现信息传输，主要包括近地通信、星际通信和水下通信等。无线激光通信系统主要包括光学天线、激光收发器、信号处理单元和自动跟瞄系统等组成[8-9]，其示意图如图1所示。

图1 无线激光通信示意图Fig.1 Schematic diagram of OWC

信息经过编码和调制将其按编码特征改变激光信号的某些特征值(如振幅、频率、相位等)，使激光信号携带信源信息的相关信息。激光器驱动电路为激光器提供稳定的电流，确保其正常工作。激光信号经过光学天线和大气信道到达接收端。接收端接收到的激光信号由光电探测器转变为电信号，再经过解调和解码恢复为原信号。自动跟瞄系统保证收发两端天线对准。

2 基于无线激光通信的引信装定方法

2.1 系统原理及组成

引信装定在弹丸发射后的外弹道进行，其本质就是由装定器到引信的单向无线激光通信过程，如图2所示。引信激光装定系统由装定器和接收器两部分组成，其组成如图3所示。

图2 引信外弹道激光装定示意图Fig.2 Schematic diagram of fuze exterior ballistic setting

图3 引信激光装定系统组成图Fig.3 System of fuze laser setting

装定信息通过装定器键盘输入或武器系统上的火控系统对目标和弹丸的运动参数进行跟踪探测解算获得，将引信装定所需的装定参数送至激光装定器的微处理器进行编码。信源编码采用二进制NRZ编码。编码后的信号送入调制器进行调制，调制方式采用OOK调制。激光束经发射窗口在外弹道形成一定区域的激光信息场。发射窗口采用透射式光学窗口，起到压缩发散角和扩束的作用。

接收器安装在弹丸上，弹丸飞经激光信息场时，接收窗口接收激光脉冲信号并由光电探测器转变为电信号。弹体上设置多个接收窗口，使高旋弹丸经过激光束区域的过程中始终能接收到激光脉冲信号，保证信息接收的完整性。信号处理电路对所有光电探测器发送的电脉冲信号进行重组，得到完整的信号，再由装定解调器解调和信息处理单元解码译码后，还原装定信息。引信装定采用多次重复装定比较方式，引信装定完成后闭锁接收电路，防止弹道干扰。

2.2 快速装定

弹丸在激光信息场内运动时间很短，此时的弹丸运动简化为直线运动，如图4所示。激光器的发散角为2θ，激光与速度方向夹角为α，弹丸距炮口距离S处装定，弹丸在激光束内的运动距离为S′，则弹丸经过光场的时间t为：

(2)

(3)

(4)

当激光发散角为10 mrad，激光与弹丸飞行夹角为35 mrad，弹丸飞行速度为245 m/s，在50 m处开始装定，由上式知弹丸经过光场的时间t为58.5 ms。

图4 弹丸与激光信息场交会几何图Fig.4 The geometric figure of ammunition and laser beam

装定时间为10 s，装定精度1 ms，所需装定时间数据位14位；起爆方式数据位2位；校验方式采用奇偶校验，校验位1位；同步位1位；采用差错重收方式，装定3次，装定时间Tset大小应满足：

(5)

式(5)中，R为传信率。得到传信率最小为0.923 Kb/s。

在一个二进制数的OOK帧周期中，包含5个光脉冲周期，每个光脉冲周期τ=1/f，一帧中包含5个光脉冲时表示二进制1，无光脉冲时表示二进制0。则系统的帧周期为：

TOOK=5τ

(6)

系统的传信率[8]为：

(7)

系统激光重复频率为20 kHz时，此时通信速率R为4 Kb/s，满足激光装定的传信率要求，弹丸飞经光束区域时能够完成装定，装定所需时间为13.5 ms。

2.3 装定信息多窗口复合接收

准确完整地接收激光脉冲信号是引信可靠装定的关键。引信接收窗口采用多窗口复合接收方法，在弹体四周对称设置4个光学接收窗口，天线分布如图5所示。

图5 光学天线设置剖面示意图Fig.5 Schematic diagram of optical antenna

对于小口径榴弹，转速约为1 200 r/s，弹丸转动四分之一圈用时0.207 5 ms，当传信率大于260 Kb/s时，引信装定时间小于弹丸的旋转四分之一所用时间。此时，弹丸旋转一周，每个接收窗口都能接收到一个完整的装定信号，可以通过对四个装定信号进行对比或者复合，从而减小误差，提高装定精度。当传信率小于260 Kb/s时，装定时间大于弹丸旋转四分之一圈所用时间，每个光学窗口都不能接收到完整的装定信息。此时，可以通过四个光学接收窗口依次不间断的接收激光脉冲信号，由内部电路实现对四个光学窗口所接收信号的整合，从而接收到完整的激光装定信号。

采用低频率传输装定信息时，由于弹丸转动，接收天线发生变化，为保证信息接收的连续性，必须保证在接收天线转换时有两个接收天线同时接收到激光信号，即正在接收激光信号的天线和将接收激光信号的天线同时接收到激光信号。此时光斑直径Df最小为：

Df=S′sin(α-θ)

(8)

当装定时间为13.5 ms时，Df约为11.6 cm。激光束发散角为10 mrad时，50 m处的光斑大小为50 cm，满足光斑大小要求，同时能够减小弹道扰动对装定的影响，保证信息可靠传输。

2.4 装定信息处理

如前文所述，激光重复频率较低时，每个接收窗口接收一个装定信息片段，需要后续的电路对所有信息片段整合，得到完整的装定信息。

信号处理电路对所有光学接收窗口接收到的脉冲信号进行合成，即只要有一路有脉冲信号则输出该脉冲信号，若全部没有电脉冲信号则不输出电脉冲信号，实现对对所有脉冲信号片段的整合得到完整的装定信息。信号处理原理如图6所示。

图6 信号处理原理图Fig.6 Schematic diagram of signal processing

3 装定系统通信性能仿真

使用Optisysem软件进行对装定系统的通信性能进行仿真，发射端采用一个连续激光器作为光源，伪随机码发生器和非归零脉冲发生器用于产生伪随机的NRZ数字信号，幅度调制器用于对激光信号进行调制。调制后的信号经过大气信道到达接收端，

通过PIN探测器和TIA放大器实现信号的接收，并用误码测试仪来测试其误码性能。

系统器件和大气信道参数设置如表1所示。

在表1参数设置下，发射信号如图7所示，在50 m、70 m、90 m和100 m处系统接收到的信号波形如图8所示。

图7 发射信号波形Fig.7 Launched signal waveforms

器件参数设置值器件参数设置值激光器波长/nm910功率/mW100伪随机信号发生器比特率/(Kb/s)4占空比0.5大气信道距离/m50～80衰减/(dB/km)25光束发散角/mrad10发射孔径/cm5接收孔径/mm4光电探测器低通滤波器响应率/(A/W)0.7暗电流/nA10热噪声/(W/Hz)1×10-223 dB带宽/kHz3滤波阶数5

从图中可以看出，距离越近，接收信号质量越好，在波形上越接近发射信号，但是也会受到噪声的影响；距离越远，接收信号幅值越小。为了更好地分辨系统的性能，图9给出了不同距离系统接收眼图，从眼图中“眼睛”的张开度的大小可以清楚地分辨出不同距离对接收系统性能的影响。从图9可以看出距离越远，“眼睛”的张开度越小，眼图的线迹越乱，表明系统的通信性能随通信距离的增加而降低。表2给出了系统的主要性能参数，可以看出系统的误码率随着通信距离的增加急剧上升。这主要是因为激光束的发散角大，随距离的增加，激光面呈指数增加，使探测器可接收的光功率减少，可以看到在距离为100 m时，误码率已经达到10-8数量级，已经不能满足通信性能要求。图10给出了误码率随距离变化曲线。从图中可以看出，随距离的增加，系统误码率增加。在发射功率为100 mW、大气衰减为25 dB/km和发散角为10 mrad条件下，以误码率小于10-9作为衡量标准，其装定的有效距离可以达到94 m。

表2 系统性能参数

图8 接受信号波形Fig.8 Received signal waveforms

图9 仿真系统眼图Fig.9 Eye diagrams of simulation system

图10 距离与误码率的关系曲线Fig.10 Min.log of BER vs.range

4 结论

本文提出了基于无线激光通信的引信外弹道装定方法。该方法利用无线激光的近地通信在外弹道形成激光信息场，弹丸飞经激光信息场时通过复合接收方式实现引信信息装定。通过Optisystem对激光装定的通信性能进行仿真，结果表明在发射功率为100 mW、大气衰减为25 dB/km和发散角为10 mrad条件下，能够实现94 m内的引信装定。由于本文旨在验证无线激光装定系统的有效性，各器件的参数还可以进一步优化以提升系统性能。通过提高发射功率、减少光强损耗、提高探测灵敏度等方法提高系统性能。通过该方法实现发射后引信装定，对提高弹药作战效能具有重要的应用价值。