一种基于回波形心位置的激光引信定距方法
李京+杨小良+梁谦+杨若愚
摘 要：在激光引信脉冲宽度较宽时，激光测距容易因起始脉冲间的时间间隔无法判别而产 生误差。本文提出一种新的激光引信距离测量方法，即通过实时检测回波形心位置来完成对发射 脉冲和返回脉冲信号延迟时间的测量，进而求得目标距离。在激光引信系统中应用此方法进行测 距试验，结果表明该方法实现了0.5m的定距精度，有效地提高了激光引信系统定距的精度，满 足实际需要。
关键词：激光引信；激光测距；回波波形
中图分类号：TJ43+9.2 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）03-0016-04
ARangeFinderMethodforPulseLaserFuzeBasedon theCenterofEchoWaveform
LIJing1，YANGXiaoliang2，LIANGQian1，YANGRuoyu1
（1.ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China；2.PLAsMilitaryRepresentativeOfficein ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）
Abstract：Duringthelaserranging，theerrorcausedbytimeintervalmeasurementerrorcanproduce whenthepulsewidthoflaserfuzeistoowide.Soanewrangefindermethodforpulselaserfuzeispro posed.Themethodisfirstmeasuringthedelaytimeoftransmittedpulsesignalandreturnpulsesignal throughrealtimedetectingthecenterofechowaveform，andthencalculatingthetargetrangewithit.Ap plingthismethodaseriesofrangeexperimentsareproceeded，theexperimentaldataaregivenandtheer rorisanalyzedintheory.Theresultsshowthattheprecisionof0.5mlevelisachievedandtheranging precisionofthelaserfuzeisimproved，whichmeetsthepracticalneeds.
Keywords：laserfuze；laserrangefinder；echowaveform
0 引 言
激光引信具有抗电磁干扰能力强、体积小和启 动精度高等优点，已经在各种型号的战术导弹武 器系统中得到广泛应用，但目前的激光引信均无 法实现精确的距离截止，限制了激光引信在低空 和超低空作战中的应用。根据脉冲激光测距的原 理可知，影响测距的因素主要有起止脉冲信号时刻的判别和时间间隔的测量。由于目前激光引信 所使用的脉冲宽度约为100ns，脉冲宽度较宽，所 以无法准确判别起始脉冲间的时间间隔，造成测 距误差较大。本文设计了一种基于回波形心位置 的激光引信测距方法，利用整个波形的包络作为 定距的基准，降低测量产生的误差，可在不增加引 信系统体积和系统复杂度的前提下有效提高脉冲 激光引信测距精度。
1 激光引信定距算法总体设计
实现激光引信精确定距的关键是要精确测量收发脉冲间的时间间隔。由于目标的表面材料和 几何形状不同，会对激光脉冲产生不同的吸收和 散射，使得回波功率降低，并且给回波波形带来不 同程度的展宽和畸变，对于那些依靠回波脉冲中 的某一基准点来确定回波时刻的算法来说，将很 大程度影响激光引信的定距精度。因此选择合适 的收发脉冲时间间隔测量方法是激光引信能否实 现精确定距的一个关键。常见的时间间隔测量方 法有前沿判别法、恒比定值鉴定法等。前沿判别法 在电路实现上比较简单，但是其定距精度非常低， 测量误差较大。恒比定值法是前沿判别法的改进， 该方法需要精确的测量峰值才能测出起止时刻， 不能满足引信实时性的要求。
本文提出一种基于波形形心提取技术的波形 形心算法，其原理如图1所示。
2 接收系统及形心位置判别系统设计
2.1 高速无失真接收系统设计
为了抑制接收系统对回波脉冲波形的展宽效 应，需要设计高速限幅放大电路对回波脉冲进行 无失真的放大。常用的高速限幅放大电路有稳压 管限幅电路、二极管限幅电路以及由稳压管和二极 管组成的桥式限幅电路等。通过仿真分析，以上 电路均能有效限幅，但是对回波波形均有不同程 度的展宽，不能满足高精度测距的需要。
针对系统对高速限幅放大电路的具体需求， 选用一种箝位放大器AD8036完成高速限幅放大 电路的设计，实现了对回波信号的无失真放大。
AD8036型运放是AD公司生产的一种电压反 馈式运放，可以实现快速、低失真的精确箝位放大， 小信号带宽为240MHz，压摆率为1500V/μs，满足 高速窄脉冲信号限幅放大的要求。AD8036箝位放 大器在工作时受电压控制，其特点在于在非箝位 工作范围内输出是线性的（低失真），而在箝位工 作范围内输出是平坦的，箝位电压设置精确，转换 明显。在动态过程中，当幅度较大的回波脉冲将 放大器迅速驱动至箝位区时，器件有低的超调，但 恢复迅速。其箝位电压范围±3.9V，箝位精度在 ±3mV以内，拐点区间为100mV，对一个二倍过 驱动脉冲信号的响应，最大超调为最大值的5%， 恢复时间在1.5ns之内，是一种性能非常优良的 箝位放大器，可以有效对高速窄脉冲信号进行放 大。AD8036限幅放大电路如图2所示。
在Saber仿真环境中对此电路进行仿真，输入 一组脉冲宽度100ns、幅值500mV脉冲的矩形脉 冲序列，放大电路的放大倍数设置为10倍，进行 限幅放大仿真，仿真结果如图3所示。
从图3仿真结果可以看出，箝位放大器限幅电 路可以有效地将脉冲信号进行限幅放大，对于100 ns中宽的回波脉冲，经过放大电路后回波信号中 宽为100.02ns，无展宽现象。
通过以上仿真可知，使用箝位放大器组成高 速限幅放大电路，可有效对高速、窄脉冲信号进行 限幅放大，放大后的信号失真较小，无明显展宽， 表明使用该放大器组成的限幅放大电路满足激光 引信的带宽使用要求。
2.2 形心位置判别系统设计
为了准确判定回波形心位置，需要对回波信 号进行高速二值采集，本文利用Virtex-4FPGA芯 片设计一种基于ISERDES的高速二值采集系统。
ISERDES（InputSerialtoParallelLogicRe
sources，输入串并转换逻辑单元）是Virtex-4芯片 提供的一种高级SelectIO逻辑资源，一般用于实现 高速串并转换功能。对脉冲激光回波进行高速二 值采集本质上是对其进行高速串并转换，因此可 以用ISERDES来实现，其原理如图5所示。
首先回波信号和同步信号分别从FPGA的I/O 口输入一个ISERDES中，ISERDES以500MHz的 速率对两个信号进行采样，每采6个数据就并行输 出一次。系统一旦检测到同步信号ISERDES的输 出不为0，就开始存储数据。由于参考信号和回波 信号之间的延迟很小，为了不丢失数据，回波信号 的并行采样数据要暂存在回波数据缓存中，然后 在下个周期存入回波数据存储器中。参考信号采 样的用途只是确定回波时间，只需采到其前沿，即 将它的前6位并行采样数据存入参考数据存储器，无需整个波形。采样过程结束后，根据存储的参 考信号采样数据，对回波数据位进行调整，将其采 样起始位与参考信号前沿对齐，就得到最终的二 值采样数据。仿真结果如图6所示。
图6中，第一行是参考信号，第二行是回波信 号。从以上仿真结果可以看出，高速采集后的波 形与回波信号波形一致，可以准确判别出回波形 心位置，采集系统满足使用要求。
根据以上设计加工了相应的硬件电路，搭建 了一套激光引信试验样件，包括发射系统（半导体 激光器驱动电路、半导体激光器和发射光学系统）、 接收系统（接收光学系统、探测器、前置放大器和高 速限幅放大电路）和信号处理系统（时钟产生模块、 高速二值采集模块和时间测量模块）3个部分，其 组成结构如图7所示。
从实测结果可以看出，单次测量最大误差小 于0.5m，多次测量平均误差约为0.3m。
5 结 论
根据脉冲激光引信的特点设计了一种基于回波 形心位置的定距算法，针对算法的实际需要设计了 高速限幅放大电路和高速二值采集系统。搭建试验 样件进行了测距能力试验，并对试验数据和测量误 差进行了分析。结果表明该方法实（下转第47页）
参考文献：
[1]KruapechS，WidjajaJ.LaserRangeFinderUsingGaussi anBeamRangeEquation[J].Optics&LaserTechnology， 2010，42（5）：749-754.
[2]AmannMC，BoschT，MyllylaR，etal.LaserRanging： ACriticalReviewofUsualTechniquesforDistanceMeas urement[J].OpticalEngineering，2001，40（1）：10- 19.
[3]王秀芳.脉冲半导体激光测距的研究[D].成都：四川大 学，2006.
[4]周睿，孔东.一种高精度相位激光测距方法的实现[J]. 科学技术与工程，2009，9（21）：6337-6342，6347.
[5]XuWei，ChenQian，GuGuohua.ResearchonLaser RangingSystemBasedonTimeDelayEstimation[C]// PhotonicsandOptoelectronics（SOPO），2011Symposium on.IEEE，2011：1-3.
[6]邢刚，许冬生，夏云.基于CPLD的多目标脉冲激光测距 系统的设计与实现[J].激光与红外，2010，40（2）：152 -154.
[7]岳云.用输入箝位放大器来替代输出箝位运算放大器 [J].世界电子元器件，2001（11）.
在Saber仿真环境中对此电路进行仿真，输入 一组脉冲宽度100ns、幅值500mV脉冲的矩形脉 冲序列，放大电路的放大倍数设置为10倍，进行 限幅放大仿真，仿真结果如图3所示。
从图3仿真结果可以看出，箝位放大器限幅电 路可以有效地将脉冲信号进行限幅放大，对于100 ns中宽的回波脉冲，经过放大电路后回波信号中 宽为100.02ns，无展宽现象。
通过以上仿真可知，使用箝位放大器组成高 速限幅放大电路，可有效对高速、窄脉冲信号进行 限幅放大，放大后的信号失真较小，无明显展宽， 表明使用该放大器组成的限幅放大电路满足激光 引信的带宽使用要求。
2.2 形心位置判别系统设计
为了准确判定回波形心位置，需要对回波信 号进行高速二值采集，本文利用Virtex-4FPGA芯 片设计一种基于ISERDES的高速二值采集系统。
ISERDES（InputSerialtoParallelLogicRe
sources，输入串并转换逻辑单元）是Virtex-4芯片 提供的一种高级SelectIO逻辑资源，一般用于实现 高速串并转换功能。对脉冲激光回波进行高速二 值采集本质上是对其进行高速串并转换，因此可 以用ISERDES来实现，其原理如图5所示。
首先回波信号和同步信号分别从FPGA的I/O 口输入一个ISERDES中，ISERDES以500MHz的 速率对两个信号进行采样，每采6个数据就并行输 出一次。系统一旦检测到同步信号ISERDES的输 出不为0，就开始存储数据。由于参考信号和回波 信号之间的延迟很小，为了不丢失数据，回波信号 的并行采样数据要暂存在回波数据缓存中，然后 在下个周期存入回波数据存储器中。参考信号采 样的用途只是确定回波时间，只需采到其前沿，即 将它的前6位并行采样数据存入参考数据存储器，无需整个波形。采样过程结束后，根据存储的参 考信号采样数据，对回波数据位进行调整，将其采 样起始位与参考信号前沿对齐，就得到最终的二 值采样数据。仿真结果如图6所示。
图6中，第一行是参考信号，第二行是回波信 号。从以上仿真结果可以看出，高速采集后的波 形与回波信号波形一致，可以准确判别出回波形 心位置，采集系统满足使用要求。
根据以上设计加工了相应的硬件电路，搭建 了一套激光引信试验样件，包括发射系统（半导体 激光器驱动电路、半导体激光器和发射光学系统）、 接收系统（接收光学系统、探测器、前置放大器和高 速限幅放大电路）和信号处理系统（时钟产生模块、 高速二值采集模块和时间测量模块）3个部分，其 组成结构如图7所示。
从实测结果可以看出，单次测量最大误差小 于0.5m，多次测量平均误差约为0.3m。
5 结 论
根据脉冲激光引信的特点设计了一种基于回波 形心位置的定距算法，针对算法的实际需要设计了 高速限幅放大电路和高速二值采集系统。搭建试验 样件进行了测距能力试验，并对试验数据和测量误 差进行了分析。结果表明该方法实（下转第47页）
参考文献：
[1]KruapechS，WidjajaJ.LaserRangeFinderUsingGaussi anBeamRangeEquation[J].Optics&LaserTechnology， 2010，42（5）：749-754.
[2]AmannMC，BoschT，MyllylaR，etal.LaserRanging： ACriticalReviewofUsualTechniquesforDistanceMeas urement[J].OpticalEngineering，2001，40（1）：10- 19.
[3]王秀芳.脉冲半导体激光测距的研究[D].成都：四川大 学，2006.
[4]周睿，孔东.一种高精度相位激光测距方法的实现[J]. 科学技术与工程，2009，9（21）：6337-6342，6347.
[5]XuWei，ChenQian，GuGuohua.ResearchonLaser RangingSystemBasedonTimeDelayEstimation[C]// PhotonicsandOptoelectronics（SOPO），2011Symposium on.IEEE，2011：1-3.
[6]邢刚，许冬生，夏云.基于CPLD的多目标脉冲激光测距 系统的设计与实现[J].激光与红外，2010，40（2）：152 -154.
[7]岳云.用输入箝位放大器来替代输出箝位运算放大器 [J].世界电子元器件，2001（11）.
在Saber仿真环境中对此电路进行仿真，输入 一组脉冲宽度100ns、幅值500mV脉冲的矩形脉 冲序列，放大电路的放大倍数设置为10倍，进行 限幅放大仿真，仿真结果如图3所示。
从图3仿真结果可以看出，箝位放大器限幅电 路可以有效地将脉冲信号进行限幅放大，对于100 ns中宽的回波脉冲，经过放大电路后回波信号中 宽为100.02ns，无展宽现象。
通过以上仿真可知，使用箝位放大器组成高 速限幅放大电路，可有效对高速、窄脉冲信号进行 限幅放大，放大后的信号失真较小，无明显展宽， 表明使用该放大器组成的限幅放大电路满足激光 引信的带宽使用要求。
2.2 形心位置判别系统设计
为了准确判定回波形心位置，需要对回波信 号进行高速二值采集，本文利用Virtex-4FPGA芯 片设计一种基于ISERDES的高速二值采集系统。
ISERDES（InputSerialtoParallelLogicRe
sources，输入串并转换逻辑单元）是Virtex-4芯片 提供的一种高级SelectIO逻辑资源，一般用于实现 高速串并转换功能。对脉冲激光回波进行高速二 值采集本质上是对其进行高速串并转换，因此可 以用ISERDES来实现，其原理如图5所示。
首先回波信号和同步信号分别从FPGA的I/O 口输入一个ISERDES中，ISERDES以500MHz的 速率对两个信号进行采样，每采6个数据就并行输 出一次。系统一旦检测到同步信号ISERDES的输 出不为0，就开始存储数据。由于参考信号和回波 信号之间的延迟很小，为了不丢失数据，回波信号 的并行采样数据要暂存在回波数据缓存中，然后 在下个周期存入回波数据存储器中。参考信号采 样的用途只是确定回波时间，只需采到其前沿，即 将它的前6位并行采样数据存入参考数据存储器，无需整个波形。采样过程结束后，根据存储的参 考信号采样数据，对回波数据位进行调整，将其采 样起始位与参考信号前沿对齐，就得到最终的二 值采样数据。仿真结果如图6所示。
图6中，第一行是参考信号，第二行是回波信 号。从以上仿真结果可以看出，高速采集后的波 形与回波信号波形一致，可以准确判别出回波形 心位置，采集系统满足使用要求。
根据以上设计加工了相应的硬件电路，搭建 了一套激光引信试验样件，包括发射系统（半导体 激光器驱动电路、半导体激光器和发射光学系统）、 接收系统（接收光学系统、探测器、前置放大器和高 速限幅放大电路）和信号处理系统（时钟产生模块、 高速二值采集模块和时间测量模块）3个部分，其 组成结构如图7所示。
从实测结果可以看出，单次测量最大误差小 于0.5m，多次测量平均误差约为0.3m。
5 结 论
根据脉冲激光引信的特点设计了一种基于回波 形心位置的定距算法，针对算法的实际需要设计了 高速限幅放大电路和高速二值采集系统。搭建试验 样件进行了测距能力试验，并对试验数据和测量误 差进行了分析。结果表明该方法实（下转第47页）
参考文献：
[1]KruapechS，WidjajaJ.LaserRangeFinderUsingGaussi anBeamRangeEquation[J].Optics&LaserTechnology， 2010，42（5）：749-754.
[2]AmannMC，BoschT，MyllylaR，etal.LaserRanging： ACriticalReviewofUsualTechniquesforDistanceMeas urement[J].OpticalEngineering，2001，40（1）：10- 19.
[3]王秀芳.脉冲半导体激光测距的研究[D].成都：四川大 学，2006.
[4]周睿，孔东.一种高精度相位激光测距方法的实现[J]. 科学技术与工程，2009，9（21）：6337-6342，6347.
[5]XuWei，ChenQian，GuGuohua.ResearchonLaser RangingSystemBasedonTimeDelayEstimation[C]// PhotonicsandOptoelectronics（SOPO），2011Symposium on.IEEE，2011：1-3.
[6]邢刚，许冬生，夏云.基于CPLD的多目标脉冲激光测距 系统的设计与实现[J].激光与红外，2010，40（2）：152 -154.
[7]岳云.用输入箝位放大器来替代输出箝位运算放大器 [J].世界电子元器件，2001（11）.
