相干激光引信大带宽信号处理系统设计

刘 扬， 王凤杰， 陆长平， 刘锡民

(1.海军装备部驻上海地区第六军事代表室，上海201109;2.上海无线电设备研究所，上海201109)

0 引言

目前用于防空武器平台的激光引信无法有效识别探测过程中遭遇的云、雾、雨等自然环境，极易受到干扰而产生虚警[1-2]。针对这一难题，研究人员提出了多种技术解决方案。何成林研究了超窄脉冲激光探测技术，通过降低环境回波强度来消弱自然环境对激光引信的干扰[3]。张好军、谢绍禹等提出了双色激光探测技术，利用自然环境干扰回波在不同光学频段的差异性进行环境干扰的识别[4-5]。孟祥盛、刘健等提出了偏振激光探测技术，利用自然环境干扰回波与硬目标回波的偏振特性差异，识别并排除自然环境干扰[6-7]。付春提出了激光与无线电复合探测技术，引入无线电探测体制来提高引信的抗干扰能力[8]。Zhang W.、李新斌等利用目标回波与自然环境干扰回波的波形特征差异，设计相应的信号处理算法来消除自然环境的干扰[9-10]。刘锡民提出了相干激光探测技术，利用多普勒效应获取速度信息，对高速目标和自然环境进行识别[11]。上述技术方案中，相干激光探测技术充分利用了空中目标的高速特征，对目标和自然环境干扰具备较高的识别率。但是，由于激光波长短、空中目标速度高等特性，导致相干激光引信接收到的激光多普勒回波信号具有频率高、带宽大的特点，如何高精度处理高频大带宽的回波信号成为了相干激光引信需要解决的难题。

因此，本文开展大带宽信号处理系统的设计研制工作，包括以FPGA 为控制器的信号处理硬件设计、基于扫频定位和精准降频的信号处理算法设计，并对系统的大带宽信号处理性能进行试验分析。

1 系统设计与实现

1.1 结构与功能

信号处理系统主要包括FPGA、线性频率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)、混频器、滤波器、模数转换器(Analog-Digital Converter，ADC)等，如图1所示。回波信号进入信号处理系统后，首先在混频器内与DDS输出信号进行电混频，改变信号频率;然后通过低通滤波器滤除设定频率之外的高频信号，并经过模数转换器转换为数字信号;最后进入FPGA 中进行鉴频处理，得到回波信号的频率，并最终解算出目标的速度、距离等信息。在信号处理系统工作过程中，DDS首先输出线性扫频信号，当回波信号频率能够被搬移到设定频段时，DDS 锁定输出频率，此后一直输出固定点频信号。

图1 信号处理系统结构示意图

1.2 硬件设计

FPGA 是信号处理系统的控制器，一方面控制DDS、模数转换器等器件的工作状态，另一方面对信号进行算法处理，解算信号频率和目标信息。根据系统时钟要求，本系统选用XC3SD3400A 型号FPGA。

DDS的作用是输出特定频率的正弦信号，作为本振信号对高频回波信号进行降频，降低后端信号处理的难度。本系统采用Analog Device公司AD9915直接数字频率合成器芯片，其内部由DDS内核、参数控制器、时钟源、D/A 转换器和I/O缓冲器组成，具有单频模式、线性扫描模式、可编程模数模式等多种工作模式，最大输出频率1.2 GHz。AD9915芯片的线性扫描模式可任意设定扫频上下限值、扫频步长、时间步长等参数，完全满足本系统的性能要求。

混频器的功能是将回波信号与DDS输出信号进行混频，得到两者的差频信号。根据多普勒回波信号的带宽，本系统选用AD8343混频器芯片。AD8343芯片的RF、LO 端口输入频率范围和IF端口输出频率范围均为(0～2.5)GHz，可满足系统的使用要求。

模数转换器的功能是将回波信号由模拟量转换成数字量，为后续信号数字化处理作准备。综合考虑转换速度和转换精度等参数，本系统采用AD公司的AD9268-80高精度A/D 转换芯片。AD9268-80芯片为差分输入、并行输出，具有80 Msps采样速率和16位转换精度，基准电压线性可调，支持1.8 V CMOS或LVDS输出。

信号处理系统实物图如图2所示。

图2 信号处理系统实物图

1.3 算法设计

信号处理算法流程如图3所示：

a)信号处理系统上电后，FPGA 控制DDS输出线性扫频信号，扫频信号在每个频点的驻留时间容许系统完成一次信号处理过程;

b)FPGA 控制混频器将输入的回波信号与DDS输出信号进行混频处理，得到差频信号;

c)FPGA 控制ADC对差频信号进行模数转换，得到数字差频信号;

d)利用FFT 算法对数字差频信号进行时频转换，得到差频信号的频谱分布;

e)提取频谱分布中的峰值频点，并判断其是否在设定的频段内;

f)若结果为否，说明目前回波信号与DDS输出信号的差频频率较大，超出了后端的处理带宽，则DDS继续输出下个频点的信号，并重复上述过程;

g)若结果为是，说明DDS已经定位到信号的大致频率，根据峰值频点和DDS 当前输出频点，解算得到回波信号频率，并进一步解算出目标的距离、速度等信息;

h)此后，DDS 输出约等于回波信号频率的固定点频信号，将信号频率精准控制在后端可处理频段内，从而实现大带宽信号的高精度处理。

图3 信号处理算法流程图

2 性能试验与分析

将信号处理系统装配到相干激光近程探测系统中，分别试验分析其对低速运动目标回波信号和高速运动目标回波信号的处理性能，如图4(a)所示。

2.1 低速运动目标信号处理性能

选择转台作为探测目标。转台主要由电动机、变频器、飞轮、目标反射体及安全防护罩等组成，飞轮安装在电机上，由电机直接驱动高速旋转;变频器可控制电机速度，实现转台转速的调节;目标反射体安装在飞轮边缘，可产生较强的反射信号。转台如图4(b)所示。

启动转台分别以多种特定的速度转动，利用相干激光近程探测系统发射激光照射转台边缘，并接收目标反射体的多普勒激光回波信号，经过光学混频相干后送入信号处理系统中，在信号处理系统中解算出转台边缘的速度信息，并将测试结果发送至上位机中显示。试验现场如图4(c)所示。

信号处理系统对不同转速转台的测试结果如表1 和图5 所示。当转台转速分别为0.94，9.43，18.8，28.3，37.7，47.1 m/s时，信号处理系统的测量误差分别为0.04，0.03，0.2，0.6，0.7，0.5 m/s，最大测量误差为0.7 m/s。试验结果表明，信号处理系统对速度(0～50)m/s目标产生的多普勒信号的处理误差小于1 m/s，具备较高的低速运动信号处理精度。

表1 低速运动目标测速试验结果表

图5 低速运动目标测速试验结果曲线

2.2 高速运动目标信号处理性能

考虑到采用真实目标开展高速测量试验存在诸多困难，因此利用声光移频器模拟高速目标产生的多普勒回波信号。试验方案如图6(a)所示：相干激光近程探测系统发射的激光直接送入声光移频器，在声光移频器中进行固定频率的移频，以模拟高速目标产生的多普勒频移;移频后的激光信号再送回相干激光近程探测系统，利用信号处理系统解算出移频量所代表的速度信息。试验现场如图6(b)所示。

表2与图7为信号处理系统对不同移频量回波信号的测试结果。其中，实际速度根据式(1)计算得

式中：λ 为激光波长;f 为回波信号的移频量。

图6 高速运动目标测速试验方案与现场图

表2 高速信号测速试验结果

根据试验结果，当模拟速度分别为106.4，212.8，372.4，478.8 和638.4 m/s时，信号处理系统的测量误差分别为1.97%、1.27%、0.94%、0.84%和0.97%，最大测量误差为1.97%。试验结果表明，信号处理系统对速度(100～600)m/s目标产生的多普勒信号的处理误差小于2%，具备较高的高速运动目标信号处理精度。

3 结论

图7 高速运动信号测速试验结果曲线

本文开展了相干激光引信大带宽信号处理系统的设计研制工作，研制了以FPGA 为控制器的信号处理硬件电路，设计了基于扫频定位和精准变频的信号处理算法。该系统首先通过扫频定位信号频率，然后将信号变频到后端可处理频段，最后再进行高精度处理。对信号处理系统的大带宽信号处理性能进行试验分析，结果表明：系统对速度(0～50)m/s目标产生的多普勒信号的处理误差小于1 m/s，对速度(100～600)m/s目标产生的多普勒信号的处理误差小于2%，具备较高的大带宽信号处理精度。本文设计的信号处理系统对相干激光引信具有较高的实用价值。