趙忠偉， 張玉鈞， 周 權(quán)， 沈 超， 倪家正

(脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室(電子工程學(xué)院)，合肥 230037)

0 引言

提高炸點控制精度是引信特別是近炸引信發(fā)展的一個永恒主題，而提高炸點控制精度關(guān)鍵在于對目標(biāo)的精確定距和起爆點位置的精確控制，激光引信能精確控制起爆點的位置［1－2］，所以對激光引信實現(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距的方法進行距離判別［3－4］。根據(jù)脈沖激光測距的原理可知，影響測距的因素主要有起止脈沖信號時刻的判別和時間間隔的測量。國內(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距精度［5－6］，雖然這種方案能提高引信測距精度，但對于發(fā)射機和接收機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)計了可在原有發(fā)射機和接收機的條件下提高脈沖激光引信測距精度的時刻判別和時間間隔測量電路。

1 時刻判別電路設(shè)計

時刻鑒別單元的主要作用是對放大電路的輸出信號進行實時監(jiān)測，為系統(tǒng)產(chǎn)生起始信號和結(jié)束信號，其性能直接影響著測時精度和系統(tǒng)的距離分辨率。目前常用的方法有前沿時刻鑒別、恒定比值時刻鑒別法和高通容阻法［7］。前沿時刻鑒別容易實現(xiàn)，但是漂移誤差較大，無法滿足高精度測量的應(yīng)用;恒定比值時刻鑒別能夠克服前沿時刻鑒別的缺點，減小漂移誤差，提高測量精度，但是其需要得到一個精確到納秒量級的延遲，這是很難實現(xiàn)的，系統(tǒng)的復(fù)雜度也會增加:所以本文在高通容阻的原理上設(shè)計了有源CR雙閾過零時刻判別電路。其原理如圖1所示。

圖1 有源CR雙閾過零時刻判別原理圖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，由單極性脈沖信號變?yōu)殡p極性信號，輸出到過零比較器U3;另一路輸入到閾值比較器U2進行閾值比較，只有當(dāng)信號大于閾值時，才確定信號有效，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引起過零比較器的誤觸發(fā)。當(dāng)U3處于比較狀態(tài)時，雙極性信號經(jīng)過U3，與零閾值進行比較，輸出所需的脈沖信號。整個電路的時序如圖2所示。

圖2 時刻判別電路時序圖Fig.2 The time sequence of discriminating circuit

為了減小誤差，避免電源電壓波動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，對電位器R9輸出的電壓進行了衰減和濾波，減少了噪聲和外部干擾的影響。

2 時間間隔測量原理

脈沖激光引信測距的工作原理是通過測定脈沖光波在測線上往返所經(jīng)歷的時間，按照式(1)求出距離值，即脈沖飛行時間法［8］。

式中:D為被測距離;c為光速;t為脈沖光波在測線上往返經(jīng)歷的時間間隔，即飛行時間。在激光引信中，測距的時序如圖3所示。

圖3 脈沖激光引信測距的時序圖Fig.3 Time sequence diagram of pulse laser fuze ranging

從圖3中可以看出，由開始信號到結(jié)束信號的真實時間間隔為Td，而若采用簡單的直接計數(shù)法得到的測量結(jié)果為Tc，存在極大的誤差。目前，脈沖測距時間測量方法有模擬法［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，通過插入法提高測量精度，包括延遲線插入法、時幅轉(zhuǎn)換插入法和時間放大插入法。數(shù)字插入法繼承了數(shù)字法測量范圍大和線性好的優(yōu)點，又實現(xiàn)了高精度的時間測量，因此，為了精確測量開始信號和回波信號的時間間隔，本文選擇具有結(jié)構(gòu)簡單、測量重復(fù)頻率高、易于單片集成和精度高等優(yōu)點的FPGA延遲線插入法進行高精度時間間隔的測量。

在本設(shè)計中，時間間隔的測量包括“粗”時間測量和“細”時間測量兩部分，其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 時間間隔測量的主要結(jié)構(gòu)Fig.4 Main architecture of time－interval measurement

“粗”時間測量，就是直接計數(shù)法，通過一個高速計數(shù)器和兩個鎖存器來實現(xiàn)，以時鐘周期為基準(zhǔn)，開始信號和回波信號為計數(shù)開門和關(guān)門的鎖存信號，鎖存住激光開始信號start和回波信號stop到達時的計數(shù)值，根據(jù)計數(shù)器的時鐘周期T0算出“粗”時間Tc;兩路延遲線構(gòu)成“細”時間測量電路，用來測量開始或回波信號與時鐘上升沿之間的時間間隔Ta和Tb，最后得到開始和回波信號之間的時間間隔Td。

假設(shè)計數(shù)器和兩個鎖存器位寬為N，開始信號的鎖存器Qa鎖存的計數(shù)值為Qa1，回波信號的鎖存器Qb鎖存的計數(shù)值為Qb1，則開始信號和回波信號之間的計數(shù)間隔Q△可表示為

假設(shè)延遲線每個單元的延時時間為Tr，主波信號延遲線和回波信號延遲線編碼器的輸出分別為Na、Nb，計算可得Ta和Tb。

由式(2)～式(4)可得Td為

由以上分析可知，在計數(shù)時鐘穩(wěn)定的條件下，F(xiàn)PGA延遲線插入法測量時間間隔的精度取決于延遲單元的精度Tr。

3 時間間隔測量電路設(shè)計

3.1 延遲線插入法

在FPGA中實現(xiàn)延遲線插入法有很多種，本文利用FPGA內(nèi)部專用進位鏈來實現(xiàn)時間內(nèi)插，以便得到較高的測時分辨率［10－11］。使用加法器將進位單元級聯(lián)起來形成一條對輸入信號的時間內(nèi)插延遲線，實現(xiàn)時間內(nèi)插電路，進位鏈構(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為進位數(shù)，S為回波信號。

圖5 進位鏈構(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S的輸入。這樣，當(dāng)外部沒有輸入信號時，S為0，所有輸出Sum都為1，進位鏈上沒有信號傳播;當(dāng)外部有輸入信號時，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，進位信號為1。這樣，輸入信號沿著進位鏈的每級專用進位連線一級級地傳輸，輸入信號被延遲線延遲的信息可以通過加法器的輸出信號顯示出來。

3.2 電路設(shè)計

通過對大量FPGA芯片性能的研究，本文選用Xilinx公司的XC2V250－6CS144I器件來實現(xiàn) Td的精確測量。該器件內(nèi)部最高時鐘可達420 MHz，延遲進位鏈延時單元延時時間為82 ps，可以實現(xiàn)高速計數(shù)、高時間分辨率、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實現(xiàn)時間間隔測量電路功能框圖Fig.6 Graph of time－interval measurement circuit in FPGA

由圖6可知，時間間隔測量電路主要包括高速計數(shù)器、延遲進位鏈、鎖存器、D觸發(fā)器和編碼器。其中:高速計數(shù)器采用400 MHz的時鐘計數(shù)進行“粗”測量，測得Tc;延遲進位鏈包括開始信號start和回波信號stop兩路延遲線路，而且要求每一路延遲線路總的延遲時間大于高速計數(shù)器的時鐘周期2.5 ns，所以每一路延遲線路的延遲單元不少于31個，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;鎖存器采用400 MHz時鐘同步的開始信號和回波信號進行鎖存;D觸發(fā)器，用來完全一致地鎖存輸入信號沿進位鏈傳輸?shù)臅r間延遲信息;編碼器是將延遲進位鏈的48位二進制碼轉(zhuǎn)換為十進制碼。最后，各路信息匯總到信號處理單元，計算出測量的距離，再輸出到顯示器進行顯示。

4 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)以上提高測距精度的方法，設(shè)計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，探測器，前放電路，主放電路和時刻鑒別電路)，時間測量電路和數(shù)據(jù)處理4個部分。

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，采用溫度補償激光二極管控制器X9530構(gòu)成的驅(qū)動電路，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，時刻判別電路中選用運放AD8047組成有源CR電路，高速比較器AD96687用來雙閾比較和時刻判定，F(xiàn)PGA進行時間間隔測量和最后的信號處理。

完成以上系統(tǒng)后，進行實驗測量，由于信號經(jīng)過接收系統(tǒng)各器件會產(chǎn)生延遲，所以需要對系統(tǒng)進行校正，校正后進行實驗，目標(biāo)放于距離系統(tǒng)的3～10 m之間，每個位置測量5次，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 近距離測量結(jié)果Table 1 Measure results in small range

從表1可以看出，單次測量最大誤差小于0.170 m，多次測量平均誤差小于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間間隔測量電路中延遲單元Tr，還有時鐘晶振的抖動導(dǎo)致的“粗”計數(shù)部分出現(xiàn)的誤差，以及時刻判別電路中高速比較器存在的傳輸延時分散性誤差。因此造成單次測量結(jié)果誤差偏大，但平均誤差很小，證明了本系統(tǒng)滿足設(shè)計需要，所設(shè)計的時刻鑒別電路和時間間隔測量電路提高了脈沖激光引信的定距精度。

5 結(jié)論

根據(jù)高通容阻的原理和脈沖激光引信的特點，設(shè)計了雙閾過零時刻判別電路和基于FPGA延遲線插入法的時間間隔測量電路，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。實踐表明，該電路應(yīng)用于脈沖激光近炸引信測距系統(tǒng)中可實現(xiàn)0.17 m的定距精度，滿足實際需要。

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