CN109084647B - 远距离探测近炸起爆控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种远距离探测近炸起爆控制装置，它的电源转换模块用于完成电压转换功能，将接收的外部供电输入电压转换为FPGA芯片所需要的工作电压；通信收发模块用于将从FPGA芯片处接收的起爆控制信号传输给遥测系统进行起爆控制；FPGA芯片的探测波发射信号输出端通过数模转换模块连接射频信号发射链路的控制信号输入端，射频信号接收链路的信号输出端通过模数采样模块连接FPGA芯片的回波信号输入端，FPGA芯片根据探测波经过目标反射回来的时间差得到所探测的目标距离，并与预设的起爆门限距离进行比较，并根据比较的结果发送起爆控制信号。本发明具有探测距离远、动态范围大、精度高、可靠性高、体积小的特点。
Description
技术领域
本发明涉及引爆控制技术领域，具体地指一种远距离探测近炸起爆控制装置及方法。
背景技术
传统近炸起爆装置一般采用单发单收的喇叭线性系统，工作于毫米波或声波波段，它在工作中存在探测距离近，近距离盲区远的缺点。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种远距离探测近炸起爆控制装置及方法，该装置及方法解决了传统的测距组件抗干动态范围小、扰能力差、精度不高的问题。
为实现此目的，本发明所设计的远距离探测近炸起爆控制装置，其特征在于：它包括对外接口、电源转换模块、通信收发模块、FPGA(FPGA，Field-Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)芯片、模数采样模块、数模转换模块、射频信号接收链路、射频信号发射链路、第一天线和第二天线；
所述电源转换模块的输入端通过对外接口连接外部电源，电源转换模块的输出端连接FPGA芯片的供电端，所述电源转换模块用于完成电压转换功能，将接收的外部供电输入电压转换为FPGA芯片所需要的工作电压；
所述通信收发模块的输出端通过对外接口连接遥测系统的通信端，通信收发模块的输入端连接FPGA芯片的起爆控制信号输出端，通信收发模块用于将从FPGA芯片处接收的起爆控制信号传输给遥测系统进行起爆控制；
所述FPGA芯片的探测波发射信号输出端通过数模转换模块连接射频信号发射链路的信号输入端，射频信号接收链路的信号输出端通过模数采样模块连接FPGA芯片的回波信号输入端，所述FPGA芯片根据探测波经过目标反射回来的时间差得到所探测的目标距离，并与预设的起爆门限距离进行比较，如果所探测的目标距离小于等于起爆门限距离，则FPGA芯片向遥测系统发送起爆控制信号；
所述射频信号发射链路的信号输出端连接第一天线的第一发射天线和第二天线的第二发射天线，所述射频信号接收链路的信号输入端连接第一天线的第一接收天线和第二天线的第二接收天线。
一种利用上述装置的远距离探测近炸起爆控制方法，它包括如下步骤：
步骤1：FPGA芯片产生线性调频三角波信号，该线性调频三角波信号与FPGA芯片产生的中频信号相乘进行三角波线性调频；
步骤2：三角波线性调频信号经过数模转换模块转换成三角波线性调频模拟信号，三角波线性调频模拟信号在射频信号发射链路中实现数字上变频；
步骤3：射频信号发射链路将数字上变频后的三角波线性调频模拟信号传输给第一天线的第一发射天线和第二天线的第二发射天线进行发射；
步骤4：第一天线的第一接收天线和第二天线的第二接收天线将接收到的回波信号发送给射频信号接收链路，射频信号接收链路对回波信号进行数字下变频后输出回波中频信号传输给模数采样模块，模数采样模块将接收的回波中频信号转换成回波数字中频信号；
步骤5：模数采样模块将回波数字中频信号传输给FPGA芯片，FPGA芯片将接收的回波数字中频信号与本地中频信号相乘，再经过快速傅里叶变换及低通滤波后得到差拍信号频率，并将差拍信号频率换算成探测波发射后经过目标反射回来的时间差，即可得到所探测的目标距离；
步骤6：FPGA芯片将所探测的目标距离与预设的起爆门限距离进行比较，如果所探测的目标距离小于等于起爆门限距离，则FPGA芯片向遥测系统发送起爆控制信号。
本发明的有益效果：
本发明采用的上述方案与传统的单发单收的喇叭线性系统相比，具有探测距离远、动态范围大、精度高、可靠性高、体积小的特点，另外，本发明工作在毫米波波段，具有抗干扰能力强的特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为天线的结构示意图。
其中，1—对外接口、2—电源转换模块、3—通信收发模块、4—FPGA芯片、5—存储器、6—模数采样模块、7—数模转换模块、8—调试总线、9—射频信号接收链路、10—射频信号发射链路、11—第一天线、12—第二天线、13—第一接收天线、14—第一发射天线、15—第二接收天线、16—第二发射天线、17—天线基板、18—隔离带。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明所设计的一种远距离探测近炸起爆控制装置，如图1所示，它包括对外接口1、电源转换模块2、通信收发模块3、FPGA芯片4、模数采样模块6、数模转换模块7、射频信号接收链路9、射频信号发射链路10、第一天线11和第二天线12；
所述电源转换模块2的输入端通过对外接口1连接外部电源，电源转换模块2的输出端连接FPGA芯片4的供电端，所述电源转换模块2用于完成电压转换功能，将接收的外部供电输入电压转换为FPGA芯片所需要的工作电压；
所述通信收发模块3的输出端通过对外接口1连接遥测系统的通信端，通信收发模块3的输入端连接FPGA芯片4的起爆控制信号输出端，通信收发模块3用于将从FPGA芯片4处接收的起爆控制信号传输给遥测系统进行起爆控制，所述FPGA芯片4的探测波发射信号输出端通过数模转换模块7连接射频信号发射链路10的信号输入端，射频信号接收链路9的信号输出端通过模数采样模块6连接FPGA芯片4的回波信号输入端，所述FPGA芯片4根据探测波经过目标反射回来的时间差得到所探测的目标距离，并与预设的起爆门限距离进行比较，如果所探测的目标距离小于等于起爆门限距离，则FPGA芯片4向遥测系统发送起爆控制信号；
所述射频信号发射链路10的信号输出端连接第一天线11的第一发射天线14和第二天线12的第二发射天线16，所述射频信号接收链路9的信号输入端连接第一天线11的第一接收天线13和第二天线12的第二接收天线15。
上述技术方案中，所述第一发射天线14、第二发射天线16、第一接收天线13和第二接收天线15为一个方向上共面安装。
上述技术方案中，所述第一天线11和第二天线12均设置在天线基板17上，如图2所示，天线基板17上还设有隔离带18，所述第一发射天线14和第二发射天线16设置在隔离带18一侧的天线基板17上，第一接收天线13和第二接收天线15设置在隔离带18另一侧的天线基板17上。天线基板17上的第一发射天线14和第二发射天线16组成发射天线阵列，发射天线阵列采用1×4的阵列结构即天线模块有一排，每排有四个天线模块。接收天线阵列为8×4的阵列结构，即天线模块有8排，每排有四个天线模块。所述隔离带为吸波材料构成(如石墨烯)，增加发射天线与接收天线信号的隔离度。
上述技术方案中，它还包括调试总线8，所述FPGA芯片4的软件升级调试接口通过调试总线8连接对外接口1的软件升级调试接口。
上述技术方案中，所述FPGA芯片4的数据存储端口还连接有存储器5，存储器5用于存储FPGA芯片4的配置软件。
本发明采用调频连续波探测体制，工作在毫米波波段，采用两对阵列波导收、发天线，探测距离范围为2m～400m。
一种利用上述装置的远距离探测近炸起爆控制方法，它包括如下步骤：
步骤1：FPGA芯片4产生线性调频三角波信号，该线性调频三角波信号与FPGA芯片4产生的中频信号相乘进行三角波线性调频；
步骤2：三角波线性调频信号经过数模转换模块7转换成三角波线性调频模拟信号，三角波线性调频模拟信号在射频信号发射链路10中实现数字上变频，产生便于发射天线发射的高频信号；
步骤3：射频信号发射链路10将数字上变频后的三角波线性调频模拟信号传输给第一天线11的第一发射天线14和第二天线12的第二发射天线16进行发射；
步骤4：第一天线11的第一接收天线13和第二天线12的第二接收天线15将接收到的回波信号(发射信号遇到探测目标反射后的回波信号)发送给射频信号接收链路9，射频信号接收链路9对回波信号进行数字下变频后输出回波中频信号传输给模数采样模块6，模数采样模块6将接收的回波中频信号转换成回波数字中频信号；
步骤5：模数采样模块6将回波数字中频信号传输给FPGA芯片4，FPGA芯片4将接收的回波数字中频信号与本地中频信号相乘，再经过快速傅里叶变换(FFT)及低通滤波后得到差拍信号频率，并将差拍信号频率换算成探测波发射后经过目标(如草地、金属板等)反射回来的时间差，即可得到所探测的目标距离；
步骤6：FPGA芯片4将所探测的目标距离与预设的起爆门限距离进行比较，如果所探测的目标距离小于等于起爆门限距离，则FPGA芯片4向遥测系统发送起爆控制信号。
毫米波线性调频连续波雷达体制测距原理：雷达发射一个调频信号，则目标反射回来的信号与此刻频率进行混频，其差拍频率对应雷达与目标之间的距离。对于三角波调制，从简单的时域分析可以近似得出：
式中：fb为差拍频率，ΔF为射频调制带宽，Fm为调制频率，Tm为调制周期，u为调频斜率，R为发射天线到探测目标的距离，C为光速。
由(1)式表明，差拍频率是距离R的线性函数。对于近炸引信距离测量，由于弹目相对速度很高，多普勒效应使频谱扩展，回波有多普勒频移，前半周期：
后半周期：
多普勒频率：
式中：VR为弹目接近速度，λ为毫米波波长。
通过公式(4)、(5)表明三角波调制斜率不变时，其前半周期的多普勒信号可以与后半周期的多普勒信号对消，消除了多普勒效应对测距的影响。因此本发明的方法拥有更加准确的测距结果。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (5)
1.一种远距离探测近炸起爆控制装置的远距离探测近炸起爆控制方法，所述远距离探测近炸起爆控制装置包括对外接口(1)、电源转换模块(2)、通信收发模块(3)、FPGA芯片(4)、模数采样模块(6)、数模转换模块(7)、射频信号接收链路(9)、射频信号发射链路(10)、第一天线(11)和第二天线(12)；
所述电源转换模块(2)的输入端通过对外接口(1)连接外部电源，电源转换模块(2)的输出端连接FPGA芯片(4)的供电端，所述电源转换模块(2)用于完成电压转换功能，将接收的外部供电输入电压转换为FPGA芯片所需要的工作电压；
所述通信收发模块(3)的输出端通过对外接口(1)连接遥测系统的通信端，通信收发模块(3)的输入端连接FPGA芯片(4)的起爆控制信号输出端，通信收发模块(3)用于将从FPGA芯片(4)处接收的起爆控制信号传输给遥测系统进行起爆控制；
所述FPGA芯片(4)的探测波发射信号输出端通过数模转换模块(7)连接射频信号发射链路(10)的信号输入端，射频信号接收链路(9)的信号输出端通过模数采样模块(6)连接FPGA芯片(4)的回波信号输入端，所述FPGA芯片(4)根据探测波经过目标反射回来的时间差得到所探测的目标距离，并与预设的起爆门限距离进行比较，如果所探测的目标距离小于等于起爆门限距离，则FPGA芯片(4)向遥测系统发送起爆控制信号；
所述射频信号发射链路(10)的信号输出端连接第一天线(11)的第一发射天线(14)和第二天线(12)的第二发射天线(16)，所述射频信号接收链路(9)的信号输入端连接第一天线(11)的第一接收天线(13)和第二天线(12)的第二接收天线(15)；
其特征在于，远距离探测近炸起爆控制方法，它包括如下步骤：
步骤1：FPGA芯片(4)产生线性调频三角波信号，该线性调频三角波信号与FPGA芯片(4)产生的中频信号相乘进行三角波线性调频；
步骤2：三角波线性调频信号经过数模转换模块(7)转换成三角波线性调频模拟信号，三角波线性调频模拟信号在射频信号发射链路(10)中实现数字上变频；
步骤3：射频信号发射链路(10)将数字上变频后的三角波线性调频模拟信号传输给第一天线(11)的第一发射天线(14)和第二天线(12)的第二发射天线(16)进行发射；
步骤4：第一天线(11)的第一接收天线(13)和第二天线(12)的第二接收天线(15)将接收到的回波信号发送给射频信号接收链路(9)，射频信号接收链路(9)对回波信号进行数字下变频后输出回波中频信号传输给模数采样模块(6)，模数采样模块(6)将接收的回波中频信号转换成回波数字中频信号；
步骤5：模数采样模块(6)将回波数字中频信号传输给FPGA芯片(4)，FPGA芯片(4)将接收的回波数字中频信号与本地中频信号相乘，再经过快速傅里叶变换及低通滤波后得到差拍信号频率，并将差拍信号频率换算成探测波发射后经过目标反射回来的时间差，即可得到所探测的目标距离；
步骤6：FPGA芯片(4)将所探测的目标距离与预设的起爆门限距离进行比较，如果所探测的目标距离小于等于起爆门限距离，则FPGA芯片(4)向遥测系统发送起爆控制信号。
2.根据权利要求1所述的远距离探测近炸起爆控制方法，其特征在于：所述第一发射天线(14)、第二发射天线(16)、第一接收天线(13)和第二接收天线(15)为一个方向上共面安装。
3.根据权利要求1所述的远距离探测近炸起爆控制方法，其特征在于：所述第一天线(11)和第二天线(12)均设置在天线基板(17)上，天线基板(17)上还设有隔离带(18)，所述第一发射天线(14)和第二发射天线(16)设置在隔离带(18)一侧的天线基板(17)上，第一接收天线(13)和第二接收天线(15)设置在隔离带(18)另一侧的天线基板(17)上。
4.根据权利要求1所述的远距离探测近炸起爆控制方法，其特征在于：它还包括调试总线(8)，所述FPGA芯片(4)的软件升级调试接口通过调试总线(8)连接对外接口(1)的软件升级调试接口。
5.根据权利要求1所述的远距离探测近炸起爆控制方法，其特征在于：所述FPGA芯片(4)的数据存储端口还连接有存储器(5)，存储器(5)用于存储FPGA芯片(4)的配置软件。
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