基于FPGA的激光导引头数字信号处理系统设计与仿真
发布时间：2021-02-27 05:23
精确制导武器已经成为现代高科技局部战争中必不可少的打击手段之一,其中激光精确制导武器更是备受青睐而成为了各个国家争相发展的武器装备。而半主动式激光精确制导技术是我国目前在激光制导领域中应用最广泛的技术,是我国当前武器装备研究发展的重点方向之一。根据半主动式激光导引头目标识别跟踪的工作原理,本文设计了一套以FPGA为核心处理器的激光导引头数字信号处理系统。该系统采用了高速数字采集技术,有效的保留了脉冲信号的完整信息,可实现微弱脉冲信号的增强与检测,脉冲编码码型的识别,时间波门的控制,脉冲信号的提取,对抗高重频信号的干扰及目标的跟踪定位等功能。本文首先对激光制导武器的发展背景进行了介绍,表明了研究激光导引头数字信号处理系统的必要性。然后介绍了激光制导的原理,阐明了激光导引头信号处理系统是由四象限探测器、对数放大器、高速数字采集、FPGA和DSP等部分组成的。并在此基础之上,提出了激光制导数字信号处理系统的整体设计思路。其次,论文对激光导引头信号处理系统中设计的各个模块进行了详细阐述,包括在FPGA中实现的信号增强模块、解码模块、波门控制模块、脉冲提取模块和在DSP中实现的抗高重频干扰算法和...
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国产LT系列激光制导炸弹
1绪论5制导炸弹。它是中国研制的最先进的制导炸弹，其弹体全长3.58米，直径为38厘米，重量为564千克，射程为24千米，圆周误差小于3米，可穿透1.5米厚的混凝土目标。在2012年珠海航展上，展示了投放距离达到20千米的天戈系列激光制导炸弹，技术水平已和美军最新的宝石路3系列相当，2016年末的珠海航展上，展出了GB250激光制导炸弹如图1.4所示，采用第二代技术的比例式导引头，制导精度高。GB250炸弹可以打击与炸弹飞行同一轴线方向上的移动地面目标，通过对弹体姿态的调整和控制修正弹着点，打击30千米/小时以下速度的慢速车辆毫无问题。可以说在激光制导炸弹领域，我国已经在追赶世界领先水平。1.3本文的主要内容本课题设计了一套基于FPGA的激光导引头数字信号处理系统，并具有微弱激光脉冲信号检测和抗高重频干扰的能力。目前多数激光制导武器的信号处理系统仍采用的是模拟电路或低速数字采集的方式，这样会导致制导脉冲信号的大部分数据信息都被丢失，对系统后续的信号处理研究发展造成了很大的制约和影响。本项目在采用高速数字采集技术保留了脉冲信号完整信息的基础上，设计了一套数字信号处理系统，并提出了基于同步累积法加匹配滤波器的信号增强方案，以及在小波分析算法基础上基于相邻有效脉冲信号间幅值、位置、宽度相关性做进一步判定的抗高重频干扰改进方法。本论文的主要工作如下：第一章：本章首先介绍了激光制导武器的背景及研究意义，然后介绍了激光制导方式的优点以及激光制导体制的广泛应用，最后介绍了目前国内外对激光制导武器的研究现状。图1.3国产LT系列激光制导炸弹图1.4国产GB250激光制导炸弹
2激光导引头数字信号处理方案设计9它利用先进的光刻技术将一块光电探测器件的光敏面窗口按笛卡尔坐标系等分成4个面积、形状和性能等参数基本一致的区域如图2.3所示，当入射光照射在四象限探测器的光敏面上时会形成光斑，随着光斑位置的不同，会得到四路大小不同的电信号，通过定位算法处理，可以计算出光斑在四象限探测器光敏面上的质心位置[20]。四象限探测器具有位置测量分辨率高，检测精度高，处理电路简单，器件结电容较小，响应时间短，价格便宜等优点。被广泛应用于高精度定位系统以及精密测量系统中。本系统选用四象限探测器作为激光导引头的光电探测器件。2.3.2基于对数放大器的自增益控制目前的激光制导信号处理系统基本都是采用复杂的自增益控制电路来实现自增益控制的，本文首次提出在激光制导系统中使用基于对数放大器的自增益控制电路来替代传统的控制电路，可以有效减少系统电路复杂度，增强系统鲁棒性。在信号处理领域中，要处理一些具有宽泛动态范围的信号时，往往会采用对数放大器来对所处理信号进行非线性压缩。对数放大器可使输出信号和输入信号成对数关系，其增益效果与输入信号的大小成反比，可广泛应用于通信、雷达等领域[21]。这里介绍下本系统选用的AD8306对数放大器。AD8306是一款完整的IF限幅放大器，不仅可以在100dB的动态范围内提供对输入信号的精确对数测量（RSSI功能），而且还提供可编程限幅器输出，适用的频率范围为5MHz至400MHz。它易于使用，需要很少的外部组件。在16mA时需要提供+2.7V至+6.5V的单电源电压，这对应于3V时的功耗低于50图2.3四象限探测器实物图
【参考文献】：
期刊论文
[1]半主动激光制导武器的伪随机编码[J]. 邱雄,刘志国,王仕成. 中国激光. 2019(08)
[2]激光导引头关键技术发展现状综述[J]. 陈成,赵良玉,马晓平. 激光与红外. 2019(02)
[3]Virtex-7 FPGA DDR3电路的设计与仿真研究[J]. 孔维刚,陈长胜,张旭. 航空计算技术. 2018(04)
[4]基于四象限探测器的导引头信号处理系统设计[J]. 姜清华,李立京,刘腾飞. 电子测量技术. 2018(02)
[5]基于小波分析的雷达脉冲信号分选方法[J]. 魏可友,冯磊,林夏,刘会杰. 信息技术. 2017(04)
[6]一种基于波门诱偏的激光导引头干扰策略[J]. 楚振锋,王德飞,王金峰,唐启永,胡维星,耿福山. 激光技术. 2016(06)
[7]高重频激光对激光导引头的干扰机理研究[J]. 张帅,刘志国,赵乾,王仕成. 激光与红外. 2015(12)
[8]高重频干扰对激光解码识别过程的影响[J]. 赵乾,刘志国,王仕成,张帅. 激光技术. 2014(04)
[9]采样时钟抖动在弱光信号检测中的影响分析[J]. 胡伟,孙晓泉,豆贤安. 激光与红外. 2014(07)
[10]激光半主动制导武器波门宽度优化仿真研究[J]. 夏兴宇,张颂,严立. 战术导弹技术. 2014(03)
硕士论文
[1]激光导引头波门宽度设置方法研究[D]. 丁帅.华中科技大学 2019
[2]基于四象限探测器的激光定位系统研究[D]. 唐彦琴.南京理工大学 2017
[3]基于TMS320C6657高速DSP信号处理模块设计[D]. 孙兴权.哈尔滨工程大学 2015
[4]基于四象限探测器的高精度定位算法研究[D]. 孙晓林.大连海事大学 2012
[5]基于FPGA的匹配滤波器的优化设计与实现[D]. 郭兴阳.西安电子科技大学 2011
[6]微弱激光脉冲探测技术研究[D]. 孙金荣.西安工业大学 2010
本文编号：3053757
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国产LT系列激光制导炸弹
1绪论5制导炸弹。它是中国研制的最先进的制导炸弹，其弹体全长3.58米，直径为38厘米，重量为564千克，射程为24千米，圆周误差小于3米，可穿透1.5米厚的混凝土目标。在2012年珠海航展上，展示了投放距离达到20千米的天戈系列激光制导炸弹，技术水平已和美军最新的宝石路3系列相当，2016年末的珠海航展上，展出了GB250激光制导炸弹如图1.4所示，采用第二代技术的比例式导引头，制导精度高。GB250炸弹可以打击与炸弹飞行同一轴线方向上的移动地面目标，通过对弹体姿态的调整和控制修正弹着点，打击30千米/小时以下速度的慢速车辆毫无问题。可以说在激光制导炸弹领域，我国已经在追赶世界领先水平。1.3本文的主要内容本课题设计了一套基于FPGA的激光导引头数字信号处理系统，并具有微弱激光脉冲信号检测和抗高重频干扰的能力。目前多数激光制导武器的信号处理系统仍采用的是模拟电路或低速数字采集的方式，这样会导致制导脉冲信号的大部分数据信息都被丢失，对系统后续的信号处理研究发展造成了很大的制约和影响。本项目在采用高速数字采集技术保留了脉冲信号完整信息的基础上，设计了一套数字信号处理系统，并提出了基于同步累积法加匹配滤波器的信号增强方案，以及在小波分析算法基础上基于相邻有效脉冲信号间幅值、位置、宽度相关性做进一步判定的抗高重频干扰改进方法。本论文的主要工作如下：第一章：本章首先介绍了激光制导武器的背景及研究意义，然后介绍了激光制导方式的优点以及激光制导体制的广泛应用，最后介绍了目前国内外对激光制导武器的研究现状。图1.3国产LT系列激光制导炸弹图1.4国产GB250激光制导炸弹
2激光导引头数字信号处理方案设计9它利用先进的光刻技术将一块光电探测器件的光敏面窗口按笛卡尔坐标系等分成4个面积、形状和性能等参数基本一致的区域如图2.3所示，当入射光照射在四象限探测器的光敏面上时会形成光斑，随着光斑位置的不同，会得到四路大小不同的电信号，通过定位算法处理，可以计算出光斑在四象限探测器光敏面上的质心位置[20]。四象限探测器具有位置测量分辨率高，检测精度高，处理电路简单，器件结电容较小，响应时间短，价格便宜等优点。被广泛应用于高精度定位系统以及精密测量系统中。本系统选用四象限探测器作为激光导引头的光电探测器件。2.3.2基于对数放大器的自增益控制目前的激光制导信号处理系统基本都是采用复杂的自增益控制电路来实现自增益控制的，本文首次提出在激光制导系统中使用基于对数放大器的自增益控制电路来替代传统的控制电路，可以有效减少系统电路复杂度，增强系统鲁棒性。在信号处理领域中，要处理一些具有宽泛动态范围的信号时，往往会采用对数放大器来对所处理信号进行非线性压缩。对数放大器可使输出信号和输入信号成对数关系，其增益效果与输入信号的大小成反比，可广泛应用于通信、雷达等领域[21]。这里介绍下本系统选用的AD8306对数放大器。AD8306是一款完整的IF限幅放大器，不仅可以在100dB的动态范围内提供对输入信号的精确对数测量（RSSI功能），而且还提供可编程限幅器输出，适用的频率范围为5MHz至400MHz。它易于使用，需要很少的外部组件。在16mA时需要提供+2.7V至+6.5V的单电源电压，这对应于3V时的功耗低于50图2.3四象限探测器实物图
【参考文献】：
期刊论文
[1]半主动激光制导武器的伪随机编码[J]. 邱雄,刘志国,王仕成. 中国激光. 2019(08)
[2]激光导引头关键技术发展现状综述[J]. 陈成,赵良玉,马晓平. 激光与红外. 2019(02)
[3]Virtex-7 FPGA DDR3电路的设计与仿真研究[J]. 孔维刚,陈长胜,张旭. 航空计算技术. 2018(04)
[4]基于四象限探测器的导引头信号处理系统设计[J]. 姜清华,李立京,刘腾飞. 电子测量技术. 2018(02)
[5]基于小波分析的雷达脉冲信号分选方法[J]. 魏可友,冯磊,林夏,刘会杰. 信息技术. 2017(04)
[6]一种基于波门诱偏的激光导引头干扰策略[J]. 楚振锋,王德飞,王金峰,唐启永,胡维星,耿福山. 激光技术. 2016(06)
[7]高重频激光对激光导引头的干扰机理研究[J]. 张帅,刘志国,赵乾,王仕成. 激光与红外. 2015(12)
[8]高重频干扰对激光解码识别过程的影响[J]. 赵乾,刘志国,王仕成,张帅. 激光技术. 2014(04)
[9]采样时钟抖动在弱光信号检测中的影响分析[J]. 胡伟,孙晓泉,豆贤安. 激光与红外. 2014(07)
[10]激光半主动制导武器波门宽度优化仿真研究[J]. 夏兴宇,张颂,严立. 战术导弹技术. 2014(03)
硕士论文
[1]激光导引头波门宽度设置方法研究[D]. 丁帅.华中科技大学 2019
[2]基于四象限探测器的激光定位系统研究[D]. 唐彦琴.南京理工大学 2017
[3]基于TMS320C6657高速DSP信号处理模块设计[D]. 孙兴权.哈尔滨工程大学 2015
[4]基于四象限探测器的高精度定位算法研究[D]. 孙晓林.大连海事大学 2012
[5]基于FPGA的匹配滤波器的优化设计与实现[D]. 郭兴阳.西安电子科技大学 2011
[6]微弱激光脉冲探测技术研究[D]. 孙金荣.西安工业大学 2010
本文编号：3053757
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