CC BY
77
ка группировок войск из состава тяжелых и средних бригад во всех видах боя, при передвижении и расположении на месте.
Список литературы
1. Жданович Б. К. Зенитный пушечно-ракетный комплекс «Тунгуска»: учебник для войск ПВО Сухопутных войск. М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1991.
2. Коровин В. Зенитный пушечно-ракетный комплекс «Тунгуска» Техника и вооружение: вчера, сегодня, завтра. М.: Техинформ, 2011. № 6.
3. SA-19 Grison, Tunguska, Russian Arms, Military Technology. Analysis of Russia's Military Forces.
S.V. Ogir, E.V. Baranov
PROSPECTS OF MODERNIZATION AIR DEFENSE SYSTEM "TUNGUSKA "
Offers on further modernization of gun/missile air defense system "tunguska" for fight against modern means of air attack are considered.
Key words: Gun/Missile Air Defense System «Tunguska», air defense missile, cannons, target acquisition radar, target tracking radar, digital computing system, optoelectronic system, set of protection assets from precision-guided weapon striking components.
Получено 17.10.12
УДК 629.05
А.Л. Переверзев, канд. техн. наук, доц., (499)732-63-09, pal@olvs.miee.ru (Россия, Москва, МИЭТ),
Д.Н. Беклемишев, асп., (499)732-63-09, beklemishew. d. n@gmail.com (Россия, Москва, МИЭТ),
А.А. Кудров, асп., (499)732-63-09, crispin@inbox.ru (Россия, Москва, МИЭТ)
РАЗРАБОТКА ИНТЕГРИРОВАННОГО МОДУЛЯ АДАПТИВНОЙ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСНОГО ДАЛЬНОМЕРА
Предложена структура интегрированного фотоприёмного модуля для импульсного лазерного дальномера, обеспечивающая высокую чувствительность при малых габаритных размерах, разработан макет.
Ключевые слова: импульсный лазерный дальномер, интегрированный вычислитель.
Лазерные системы дальнометрии используются в том числе в системах управления и наведения беспилотных летательных аппаратов и функционируют в условиях так называемой «ближней» зоны, когда взаимодействие между объектами обусловлено малыми расстояниями между
ними, соизмеримыми с геометрическими размерами самих объектов. Конструкция БПЛА, определяющая малые массу и габаритные размеры дальномера, а также требования к энергопотреблению, быстродействию и стоимости таких систем накладывают ограничения на применяемые разработчиком технические решения.
Особое место занимают импульсные дальномеры, которые используют полупроводниковые лазеры для формирования излучения, при этом имеют малые массогабаритные характеристики, меньшее энергопотребление конструкции относительно других типов лазеров при простой конструкции. Однако для эффективного использования полупроводникового лазера в качестве излучателя требуется обработка коротких импульсов в относительно узкополосном тракте [1]. В процессе разработки макета, требовалось создать интегрированный модуль обработки сигнала с порогом чувствительности не более 1,5 мкВт для импульсного дальномера, излучатель которого имеет следующие характеристики: длина волны излучения 900±30 нм, длительность импульсов 50±20 нс, частота повторения импульсов 20±1 кГц. При этом требуется обрабатывать принимаемые сигналы во временном интервале 80±2 нс, что является условием «ближней» зоны разрабатываемого дальномера.
Интегрированный модуль обработки сигналов функционально можно разделить на две составные части: модуль фотоприёмников и модуль обработки сигналов. Основными задачами, решаемыми дальномером, являются:
1) приём и усиление отраженного сигнала;
2) адаптация фотоприемников к уровню отражённого сигнала;
3) задача синхронизации;
4) выделение импульсов излучения на фоне помех;
5) критерийная обработка принятых импульсов;
6) выдача дальности по информационным каналам.
Особенности конструкции разрабатываемого дальномера обуславливают необходимость параллельной обработки сигналов с семи фотоприемников. В соответствии с требованиями по стоимости, энергопотреблению и габаритам устройства была выбрано следующее разделение: задачи первичного усиления и адаптации к уровню отраженного сигнала возлагаются на модуль фотоприемников, который также включает в себя быстродействующие компараторы и цифро-аналоговые преобразователи для каждого из каналов. Решение остальных задач возлагается на модуль обработки сигналов, при этом отрицательная обратная связь обеспечивается при помощи цифро-аналоговых преобразователей. В соответствии с выбранным разделением была создана структурная схема дальномера, изображённая на рис. 1.
Используемая на борту оптическая система и конструкция объекта эксплуатации определили требования к форме и площади фоточувстви-
тельного элемента: прямоугольное окно с площадью более 20 мм2, что исключило возможность применения лавинных фотодиодов. В качестве фотодатчика был выбран pin-фотодиод фирмы Hamamatsu с размерами активной зоны 2x10 мм и чувствительностью S = 0,69 А/Вт при длине волны принимаемых световых импульсов 900 нм.
Рис. 1. Структурная схема импульсного дальномера
Отражённый от объекта наблюдения сигнал через оптическую систему попадает на вход фотоприёмника. Мощность отраженного излучения зависит от многих факторов, таких как коэффициент отражения поверхности объекта, расстояние до объекта наблюдения, оптические свойства среды. Это обусловило большой динамический диапазон (100 дБ) фотоприемником сигналов, который должен обрабатываться схемой. Кроме того, при эксплуатации фотоприемник подвержен воздействию солнечного излучения. Существующая схема включения фотодиода, работающая в фотодиодном режиме по переменному току, рассмотренная в [3], требует настройки под решаемую задачу. С одной стороны, требуется обеспечить высокую чувствительность схемы за счет увеличения сопротивления нагрузки, а с другой — увеличение нагрузки фотодиода приведёт к росту постоянной составляющей из-за фоновой солнечной засветки и увеличению дробового шума фотодиода. По итогам моделирования и последующего макетирования был выбран номинал RH = 900 Ом. Каждый фотоприёмник (рис. 2) состоит из фотодатчика, схемы предварительного усиления и фильтрации и схемы сжатия динамического диапазона, реализованной на логарифмическом усилителе.
Результаты моделирования в среде TINA TI усилительных каскадов показали чувствительность схемы на уровне Un0p = 200 мкВ, что соответствует мощности излучения P = Un000Á D « 300 нВт.
/ S • Rh
После приёма и первичной обработки отражённый сигнал попадает в модуль обработки сигналов. Рассмотрим подробнее решаемые им задачи.
Рис. 2. Структурная схема фотоприёмника
Задача синхронизации состоит в формировании управляющего сигнала для запуска излучателя, получении ответного сигнала синхронизации от него, формирования временного интервала (строба), в котором ожидаются отражённые импульсы, с необходимой точностью.
Задача выделения импульсов на фоне помех в такой системе сводится к формированию адаптивного порогового уровня при помощи эвристического алгоритма оценки среднеквадратического отклонения (СКО) сигнала [2] для дальнейшей критерийной обработки. Специфика этой задачи состоит в том, что требуется осуществлять оценку порога для семи фотоприёмников индивидуально и одновременно. В соответствии с требованиями по быстродействию были выбраны следующие параметры: частота
13
работы алгоритма оценки СКО 200 МГц, длина выборки 2 отсчёта. Результатами оценки являются 10-разрядные значения порога, которые передаются в модуль фотоприёмников, преобразуются в аналоговый вид, затем подаются на входы быстродействующих компараторов, где сравниваются с сигналами с фотоприёмников. Выходные значения с компараторов передаются в модуль обработки сигналов и используются как для критерийной обработки, так и для оценки СКО. Данное решение сокращает аппаратные затраты, однако накладывает существенные ограничения на возможности обработки сигнала в цифровом виде.
Цифровой интегрирующий фильтр на входе блока критерийной обработки, описанный в [4], служит для устранения флуктуаций высокой частоты и уменьшения вероятности ложного срабатывания. В качестве критериев обнаружения были выбраны оценка количества таких подряд следующих импульсов в стробе и наличие импульсов в нескольких стробах подряд. Положение импульсов в стробе определяет дальность до цели, передача номера канала, в котором обнаружен объект наблюдения, производится по последовательному интерфейсу 118-232.
На основе предложенной структуры был разработан макетный образец. Компактность схемы фотоприемника была достигнута при помощи использования миниатюрных микросхем высокой степени интеграции. Это операционный усилитель OPA657 (Texas Instruments) и логарифмический усилитель AD8310 (Analog Devices). Лабораторно-стендовые испытания фотоприемников, состоящих из одной печатной платы площадью 125 мм2 подтвердили результаты моделирования.
Цифровая адаптивная обработка выполняется в ПЛИС Xilinx Spaitan 3 XC3S50AN с встроенной флэш-памятью — младшая модель в семействе. Реализация вычислителя, конфигурационной памяти, интерфейсной логики, модулей синхронизации и управления на одном кристалле позволила упростить отладку, уменьшить массогабаритные характеристики и энергетические затраты, увеличить надежность и уменьшить стоимость дальномера в целом.
Таким образом, был разработан адаптивный фотоприемный модуль для миниатюрного импульсного лазерного дальномера, обладающий следующими особенностями:
- чувствительностью фотоприемника 300 нВт;
- малой площадью печатной платы фотоприемников (125 мм2);
- с цифровой частью вычислителя, выполненной на одном программируемом кристалле.
Список литературы
1. Мусьяков М.П., Миценко И.Д., Ванеев Г.Г. Проблемы ближней лазерной локации. М.: МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2006.
2. Беклемишев Д.Н., Переверзев А.Л. Эвристический алгоритм оценки среднеквадратического отклонения дискретного сигнала. Информационно-управляющие вычислительные системы: алгоритмы, аппаратные и программные средства. М.: МИЭТ, 2011. С.25-32.
3. Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств. М.: Бином. Лаборатория занятий, 2010. 232 с.
4. Переверзев А.Л. Обнаружение импульсного сигнала с применением медианной фильтрации // Известия вузов. Электроника № 6. М.: МИЭТ, 2006. С.36-40.
A.L. Pereverzev, D.N. Beklemishew, A.A. Kudrov
DEVELOPMENT OF INTEGRATED MODULE ADAPTIVE DIGITAL SIGNAL PROCESSING FOR PULSED LASER RANGEFINDER
Proposed structure of the integrated photodetector module for pulsed laser rangefinder provides high sensitivity at small overall dimensions, prototype is developed.
Key words: pulsed laser rangefinder, adaptive digital signal processing, integrated computers.
Получено 17.10.12
