CN109283548A - 一种激光测角系统及抗后向散射方法 - Google Patents

Abstract

一种抗后向散射的激光测角系统，包括位标器和电子舱，位标器由光学装置和探测器组成；电子舱由前放电路、开关电路、高速采集电路、处理器和电源组成；处理器与开关电路相连；抗后向散射方法的步骤：1)周期为50ms的激光脉冲，经大气衰减和目标漫反射，光学接收到后向散射和目标回波信号；2)处理器进行波形匹配搜索目标信号，波门处于打开状态，转化为数字信号；3)处理器对数字信号进行波形匹配，若成功，关闭波门同时开启定时器；若不成功则继续采集信号进行波形匹配；4)匹配成功后，到49.999ms时开波门，计算出角度信息，后向散射和干扰信号滤除，采集到的只有目标回波信号；5)到50ms时关波门，重新计数，重复4)和5)；灵敏度高、抗干扰能力强。

Description

一种激光测角系统及抗后向散射方法

技术领域

本发明属于激光测角系统技术领域，特别涉及一种激光测角系统及抗后向散射方法。

背景技术

激光测角系统是靠接收目标漫反射的激光回波来跟踪目标的，现在大多数激光测角系统所采用的信息探测和处理方法或者说接收的信息量具备的目标识别能力有限，不足以判断跟踪的是不是目标。只要在探测视场内，哪的信号能量大确切地说激光光斑在哪就跟踪哪。

对于目标探测由于大气散射的干扰探测系统接收到的信号，测角系统很容易认定大气后向散射就是目标，尤其当大气环境很恶劣时大气的后向散射较为严重，大气后向散射的信号也可能比目标本身反射回来的信号大，这样就把大气返回来的信号误认为是目标反射回来的能量信号，会导致激光测角系统无法正常跟踪目标。

因此，激光测角系统要想获得更高的捕获精度，就必须滤除大气后向散射回波信号及诱导信号，识别出真正的目标回波脉冲信号，以满足导弹制导需要。

目前，只有中国航天空气动力技术研究院利用距离波门技术抑制大气后向散射对测角系统捕获目标信号造成的干扰，按照时间的先后分开不同距离上的后向散射光和目标反射光，但需要导弹火控系统发出的同步信号，应用的时候增加了难度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的技术方案是：一种激光测角系统及抗后向散射方法，激光测角系统利用目标漫反射的激光，来自动截获、跟踪地面固定/移动目标；同时将相对弹轴的目标视线角信号(方位、俯仰)提供给导弹自动驾驶仪，实现导弹自动导引，直至命中目标。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种抗后向散射的激光测角系统，包括位标器和电子舱，位标器由光学装置和探测器组成；电子舱由前放电路、开关电路、高速采集电路、处理器和电源组成；

所述的光学装置与探测器相连；探测器通过前放电路与高速采集电路相连；高速采集电路通过处理器与弹上机相连；

所述的处理器的GPIO端与开关电路相连。

所述的处理器通过其通信接口与弹上机相连。

所述的电源与探测器、前放电路、开关电路、高速采集电路、处理器电连接，为测角系统的所有电路供电。

所述的光学装置设置在测角系统的前端，包括窄带滤光片和多片光学镜子，窄带滤光片保证只允许所用激光波长透过去除杂波干扰，多片光学镜子实现收集汇聚激光信号，激光信号包含目标反射光和后向散射光。

所述的前放电路采用AD公司的ADA4817芯片和AD8336芯片，对电流信号进行调理放大，由于信号随着距离的减小而急剧增大，前放电路的设计使系统具有很大的动态范围，并且进行自动增益控制。

所述的开关电路采用FAIRCHILD公司FA66芯片，开关电路与前放电路连接，由处理器控制在目标识别后只在激光信号到来时开启，在其他时间关闭，能够有效滤除后向散射和杂波干扰。

高速采集电路采用AD公司AD9239芯片，高速采集电路与开关连接，检测到脉冲电信号脉冲后，对脉冲电信号进行有效采样，保证激光脉冲电信号在波门开启时的采样保持及输出。

经过光学装置处理的光信号汇聚到探测器上，探测器将光信号转化为电流信号，用四元象限元件来测定目标相对于光轴的偏移量大小和偏移方位，激光能量在目标偏移光轴时，在四象限上分布不等，经和差运算可得出偏移量的大小。通过调整光斑的大小和四象限元件的离焦量等来调整线性范围。

采集后的信号通过与高速采集电路连接的处理器的软件内部算法，能够将正确目标信号进行识别。识别之后以识别的目标信号时间作为基准，进一步预测目标信号到来的时间，以此控制波门只在目标信号到来时开启，其他时间波门关闭，达到去除后向散射干扰的目的，解决由此而引起的无法精确制导问题。

本发明的抗后向散射激光测角系统通过处理器的通信接口与弹上机相连，将所测角度和其他信息通过通信接口给弹上机反馈。

利用激光测角系统的抗后向散射方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，激光器发出周期为50ms的激光脉冲，经过大气衰减和目标漫反射，测角系统的光学接收到的是后向散射和目标回波信号；

步骤2，测角系统的处理器对高速采集后的信号进行波形匹配搜索目标信号，此时波门处于打开状态，测角系统的光学接收到的光信号经过探测器的光电处理后由高速采集电路转化为数字信号，处理器对得到的数字信号进行波形匹配

a.如果匹配成功，则关闭波门同时开启定时器；

由脉冲响应h(t)定义一个滤波器，且取

h(t)＝s(-t)，-T≤t≤0

对于将在0≤t≤T上进行处理的接收到信号r(t)，匹配滤波器的响应为g(t)：

由此得到：

式中S为检验统计量，即相关接收机输出S是在观测区的起始点 t＝0对匹配滤波器的输出进行采样的结果；u是对t的积分，t是变量，u是积分；

实际的目标回波信号s(t)信号是高速采集后的离散数字序列s(n)，接收到的信号r(t)为序列r(n)，同样，匹配滤波器的响应为g(n)：

由此得到：

b.如果匹配不成功则继续采集信号进行波形匹配；

步骤3，匹配成功后，处理器的定时器计到49.999ms时开波门，处理器对高速采集后的信号进行处理计算出角度信息，此时已经将后向散射和干扰信号滤除，采集到的只有目标回波信号；

步骤4，定时器计到50ms时关波门，定时器重新开始计数，之后会不断的重复步骤3和步骤4。

本发明的有益效果是：

抗后向散射的激光测角系统利用目标漫反射的激光，来自动截获、跟踪地面固定/移动目标。同时将相对弹轴的目标视线角信号(方位、俯仰)提供给导弹自动驾驶仪，实现导弹自动导引，直至命中目标。激光测角系统的探测方法，不需要同步信号，使激光测角系统克服和排除大气散射干扰实现精确制导。

抗后向散射的激光测角系统由位标器和电子舱组成，位标器实现收集汇聚激光并转化为电流信号，电子舱实现对电流信号的调理放大及采集处理。采集的信号通过软件内部算法，对其正确目标信号进行识别，进一步预测目标信号到来的时间，以此控制波门只在目标信号到来时开启，达到去除后向散射干扰的目的，解决由此而引起的无法精确制导问题。

在有后向散射时，可以实现射后截获；降低对使用环境的限制，可实现无夹角同机照射；高灵敏度和较强的抗干扰能力。

附图内容

图1为本发明电路的结构原理框图。

图2本发明的流程框图。

图3为本发明抗后向散射系统的响应示意图。

图4为本发明实施例中高速采样得到的实际波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构原理、流程和工作原理作进一步详细说明。

一种抗后向散射的激光测角系统，电路的结构原理框图如图1，包括位标器和电子舱，位标器由光学装置和探测器组成；电子舱由前放电路、开关电路、高速采集电路、处理器和电源组成；

所述的光学装置与探测器相连；探测器通过前放电路与高速采集电路相连；高速采集电路通过处理器与弹上机相连；

所述的处理器的GPIO端与开关电路相连。

所述的处理器通过其通信接口与弹上机相连。

所述的电源与探测器、前放电路、开关电路、高速采集电路、处理器电连接，为测角系统的所有电路供电。

所述的光学装置设置在测角系统的前端，包括窄带滤光片和多片光学镜子，窄带滤光片保证只允许所用激光波长透过去除杂波干扰，多片光学镜子实现收集汇聚激光信号，激光信号包含目标反射光和后向散射光。

前放电路对电流信号进行调理放大，由于信号随着距离的减小而急剧增大，前放电路的设计使系统具有很大的动态范围，并且进行自动增益控制。

与开关连接的高速采集电路检测到脉冲电信号脉冲后，对脉冲电信号进行有效采样，保证激光脉冲电信号在波门开启时的采样保持及输出。

与前放电路连接的开关电路受处理器控制当目标识别后只在激光信号到来时开启，在其他时间关闭，能够有效滤除后向散射和杂波干扰。

经过光学装置处理的光信号汇聚到探测器上，探测器将激光信号转化为电流信号，用四元象限元件来测定目标相对于光轴的偏移量大小和偏移方位，激光能量在目标偏移光轴时，在四象限上分布不等，经和差运算可得出偏移量的大小。通过调整光斑的大小和四象限元件的离焦量等来调整线性范围。

采集后的信号通过与高速采集电路连接的处理器的软件内部算法，能够将正确目标信号进行识别。识别之后以识别的目标信号时间作为基准，进一步预测目标信号到来的时间，以此控制波门只在目标信号到来时开启，其他时间波门关闭，达到去除后向散射干扰的目的，解决由此而引起的无法精确制导问题。

本发明抗后向散射的激光测角系统通过处理器的通信接口与弹上机相连，将所测角度和其他信息通过通信接口给弹上机反馈。

利用激光测角系统的抗后向散射方法，流程框图如图2，包括以下步骤：

步骤1，激光器发出周期为50ms的激光脉冲，经过大气衰减和目标漫反射，测角系统的光学接收到的是后向散射和目标回波信号；

步骤2，测角系统的处理器对高速采集后的信号进行波形匹配搜索目标信号，此时波门处于打开状态，测角系统的光学接收到的光信号经过探测器的光电处理后由高速采集电路转化为数字信号，处理器对得到的数字信号进行波形匹配：

a.如果匹配成功，则关闭波门同时开启定时器；

由脉冲响应h(t)定义一个滤波器，且取

h(t)＝s(-t)，-T≤t≤0

对于将在0≤t≤T上进行处理的接收到信号r(t)，匹配滤波器的响应为：

由此得到：

式中S为检验统计量，即相关接收机输出S是在观测区的起始点 t＝0对匹配滤波器的输出进行采样的结果；u是对t的积分，t是变量，u是积分；

实际的目标回波信号s(t)信号是高速采集后的离散数字序列s(n)，接收到的信号r(t)为序列r(n)，同样，匹配滤波器的响应为：

由此得到：

b.如果匹配不成功则继续采集信号进行波形匹配；

步骤3，匹配成功后，处理器的定时器计到49.999ms时开波门，处理器对高速采集后的采集信号进行处理计算出角度信息，此时已经将后向散射和干扰信号滤除，采集到的只有目标回波信号；

步骤4，定时器计到50ms时关波门，定时器重新开始计数，之后会不断的重复步骤3和步骤4。

测角系统启动搜索工作，能够探测到后向散射及目标回波，根据回波信号波形特征进行匹配，并判断是否是回波信号。

激光器发出的激光脉冲信号为δ(t)，经过大气衰减、目标漫反射、测角系统的光电处理后，目标回波为s(t)，如图3系统响应示意所示。则激光脉冲信号δ(t)作用下系统输出目标回波s(t)是系统的输入与系统的响应h(t)的卷积，即δ(t)*h(t)＝s(t)，由于任意信号与冲击函数的卷积是它本身，则h(t)＝s(t)。

现在由脉冲响应h(t)定义一个滤波器，且取

h(t)＝s(-t)，-T≤t≤0

对于将在0≤t≤T上进行处理的接收到信号r(t)，匹配滤波器的响应为：

由此得到：

式中S为检验统计量，即相关接收机输出S是在观测区的起始点 t＝0对匹配滤波器的输出进行采样的结果；

实际的目标回波信号s(t)信号是高速采集后的离散数字序列s(n)，接收到的信号r(t)为序列r(n)，同样，匹配滤波器的响应为：

由此得到：

高速采样电路采样率为500MHz，s(t)信号脉宽为600ns，得到的序列s(n)的点数N＝300；实际采样的序列归一化处理后，经过匹配滤波计算，设置S_t＝30，截获概率大于98％。

如果能够识别到回波信号即(S＞S_t＝30)，则开启时间计数，起始值为激光脉冲到达测角系统的时刻，计数模式为递增计数；如果不能识别到回波信号(S＜S_t＝30)，则继续搜索。时间计数的值为 49.999ms时波门开启，此时目标回波到达测角系统，测角系统接收目标回波信号并经过信号处理、调理放大、采集后输出；在目标回波到达测角系统来后立即关闭波门，保证波门只在目标回波到来时开启，在大气后向散射干扰到达测角系统时关闭。实现去除后向散射干扰的目的。在高速采集的输入端采集得到图4，回波信号为s(t)(波门后的信号)，后向散射及目标回波为r(t)(波门前的信号)；图4说明了截获后后向散射到来时波门关闭，波门后的信号中没有后向散射信号；在回波信号即将到来前波门打开，波门后的信号就是回波信号。

Claims (5)

1.一种抗后向散射的激光测角系统，其特征在于，包括位标器和电子舱，位标器由光学装置和探测器组成；电子舱由前放电路、开关电路、高速采集电路、处理器和电源组成；

所述的光学装置与探测器相连；探测器通过前放电路与高速采集电路相连；高速采集电路通过处理器与弹上机相连；

所述的处理器的GPIO端与开关电路相连。

2.根据权利要求1所述的一种抗后向散射的激光测角系统，其特征在于，所述的处理器通过其通信接口与弹上机相连。

3.根据权利要求1所述的一种抗后向散射的激光测角系统，其特征在于，所述的电源与探测器、前放电路、开关电路、高速采集电路、处理器电连接，为测角系统的所有电路供电。

4.根据权利要求1所述的一种抗后向散射的激光测角系统，其特征在于，所述的光学装置设置在测角系统的前端，包括窄带滤光片和多片光学镜子，窄带滤光片保证只允许所用激光波长透过去除杂波干扰，多片光学镜子实现收集汇聚激光信号，激光信号包含目标反射光和后向散射光。

5.利用激光测角系统的抗后向散射方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，激光器发出周期为50ms的激光脉冲，经过大气衰减和目标漫反射，测角系统的光学接收到的是后向散射和目标回波信号；

步骤2，测角系统的处理器对高速采集后的信号进行波形匹配搜索目标信号，此时波门处于打开状态，测角系统的光学接收到的光信号经过探测器的光电处理后由高速采集电路转化为数字信号，处理器对得到的数字信号进行波形匹配

a.如果匹配成功，则关闭波门同时开启定时器；

由脉冲响应h(t)定义一个滤波器，且取

h(t)＝s(-t)，-T≤t≤0

对于将在0≤t≤T上进行处理的接收到信号r(t)，匹配滤波器的响应为：

由此得到：

式中S为检验统计量，即相关接收机输出S是在观测区的起始点t＝0对匹配滤波器的输出进行采样的结果；u是对t的积分，t是变量，u是积分；

实际的目标回波信号s(t)信号是高速采集后的离散数字序列s(n),接收到的信号r(t)为序列r(n)，同样，匹配滤波器的响应为：

由此得到：

b.如果匹配不成功则继续采集信号进行波形匹配；

步骤3，匹配成功后，处理器的定时器计到49.999ms时开波门，处理器对高速采集后的信号进行处理计算出角度信息，此时已经将后向散射和干扰信号滤除，采集到的只有目标回波信号；

步骤4，定时器计到50ms时关波门，定时器重新开始计数，之后会不断的重复步骤3和步骤4。