引信与武器系统信息交联中的光学装定技术研究

论文摘要

引信光学装定技术，可实现机上航弹电子时间引信的自动、快速非接触信息传递，使火控系统根据实际的战场环境要求，对飞机起飞后的航空炸弹引信进行引信作用方式、作用过程的特征参数等适时装定，保证了航空弹药具备一次出动攻击多种目标的适应性和战场环境适应性，大幅度提高弹药终端毁伤效能和载机的安全性，成为航空弹药发展的一个重要方向，具有重要的研究价值。本文以我国目前大量装备的普通航空弹药为应用背景，对引信光学装定系统的设计理论和实现技术进行了系统地研究。本文首先应用引信能量和信息非接触传输系统设计理论、现代光通信理论和激光传输原理构建了引信光学装定系统的相关技术、作用体制和设计原则，为系统的最优设计奠定了理论基础。对系统几种作用体制的原理和优缺点进行分析，提出了具有较好系统性能的“PUIM／DD并行装定体制”。重点研究了光数据传输理论，建立了引信光学装定数据通信模型，对光调制方式的平均功率需求、误码率等进行了分析，提出了编码和调制方法的基本设计原则。针对引信对装定实现的不同要求，对引信PPM光学装定系统和引信脉冲计数光学装定系统进行了详细的数据传输设计。建立了脉冲激光驱动电源的电路模型，分析了窄脉冲激光驱动电源参数对脉冲电流的峰值、激光脉冲宽度的影响，对窄脉冲激光驱动电源进行了优化设计。建立了PIN光电二极管电路模型，分析了影响PIN频率响应速度和引信接收电路信噪比的主要参数，并对PIN光接收机的噪声特性进行了详细分析，提出了提高接收机信噪比可采取的措施。实现了低噪声前置放大器设计。研究了引信光学窗口的设计方法并对光学窗口进行了详细设计。建立了引信激光能量非接触传输通道的模型，对能量装定时光电池的输出特性和温度效应进行了理论分析和实验研究，提出了能量装定技术实现的设计准则和设计方法，提出了温度自补偿方法，既避免了引信电路复杂的降温装置又提高了能量装定的可靠性。对引信电源模块进行了设计实现。对系统抗干扰技术、抗高过载技术、小型化技术、微功耗技术和低成本技术进行研究，给出了有效的解决途径和措施。提出了角分集接收技术和数字相关检测技术，大大提高了系统抗干扰能力。最后，对引信光学装定系统进行了总体、软硬件设计与实验，取得了满意的实验效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 选题目的及意义
• 1.3 引信光学装定技术国外发展概况
• 1.3.1 引信装定技术简介
• 1.3.2 引信光学装定技术的发展
• 1.4 基于激光编码数据传输的引信光学装定技术
• 1.4.1 基本定义
• 1.4.2 技术特征
• 1.4.3 实现的关键技术
• 1.5 论文研究的主要内容、创新点和组织结构
• 1.5.1 论文主要研究内容
• 1.5.2 论文的组织结构
• 1.5.3 论文主要创新点
• 2 引信光学装定系统设计理论研究
• 2.1 引信能量和信息非接触传输系统设计理论
• 2.1.1 基本定义
• 2.1.2 系统设计准则
• 2.2 引信光学装定系统理论分析
• 2.2.1 能量和信息传输方式
• 2.2.2 光调制与检测
• 2.2.2.1 光调制与检测方式分类
• 2.2.2.2 几种基本的光调制格式
• 2.2.2.3 光调制与检测方式的性能比较
• 2.2.3 引信光学装定系统作用体制及原理
• 2.2.3.1 PUIM/DD并行装定体制
• 2.2.3.2 CIM/DD串行装定体制
• 2.2.3.3 PUIM/DD串行装定体制
• 2.2.3.4 LM/RD串行装定体制
• 2.3 引信光学装定系统组成
• 2.4 本章小结
• 3 引信光学装定系统数据传输理论研究
• 3.1 航空弹药用引信工作体制研究
• 3.1.1 航空弹药用引信工作体制
• 3.1.2 定时精度分析
• 3.2 引信光学装定数据通信模型
• 3.2.1 引信光通信模型
• 3.2.2 质量指标
• 3.3 光学装定系统信源编码
• 3.3.1 几种引信常用的信源编码方法
• 3.3.1.1 脉冲计数编码
• 3.3.1.2 内脉冲计数编码
• 3.3.1.3 分组脉冲计数编码
• 3.3.1.4 二进制编码
• 3.3.1.5 校频二进制编码
• 3.3.2 二进制信号码型选择
• 3.4 数据传输的信道编码
• 3.4.1 光学高斯信道的编码方法研究
• 3.4.2 RS码符号比特数的选择及实现
• 3.4.2.1 RS码符号比特数的选择
• 3.4.2.2 RS编码算法
• 3.4.2.3 RS译码算法
• 3.4.3 差错控制的工作方式
• 3.5 PUIM调制
• 3.5.1 几种不同的光信号调制方式
• 3.5.1.1 OOK调制
• 3.5.1.2 L-PPM调制
• 3.5.1.3 L-DPPM调制
• 3.5.1.4 DH-PIM调制
• 3.5.2 几种调制方式的性能比较
• 3.5.2.1 发射端平均功率需求
• 3.5.2.2 平均带宽需求
• 3.5.2.3 信道容量
• 3.5.2.4 误码率
• 3.5.3 PUIM调制方式的选择
• 3.6 光学装定系统数据传输设计
• 3.6.1 工作体制设计
• 3.6.2 装定信息的数据格式
• 3.6.3 数据通信协议
• 3.6.3.1 引信PPM光学装定系统的数据通信协议
• 3.6.3.2 引信脉冲计数光学装定的数据通信协议
• 3.7 本章小结
• 4 脉冲光信号发射与接收技术研究
• 4.1 窄脉冲激光驱动电源技术研究
• 4.1.1 引信光学装定对脉冲激光驱动电源的要求
• 4.1.2 半导体激光器的特性及其电路研究
• 4.1.3 脉冲激光驱动电源的电路模型建立与分析
• 4.1.4 窄脉冲激光驱动电源设计
• 4.1.4.1 窄脉冲激光驱动电路设计
• 4.1.4.2 DC-DC转换电路设计
• 4.1.4.3 窄脉冲激光驱动电源的参数优化
• 4.2 高信噪比引信脉冲激光接收技术研究
• 4.2.1 光电探测器的选择
• 4.2.2 PIN光电二极管电路模型的建立和分析
• 4.2.3 PIN光接收机的噪声分析
• 4.2.3.1 级联网络
• 4.2.3.2 PIN光接收机的噪声
• 4.2.3.3 前置放大器的信噪比分析
• 4.2.4 低噪声前置放大器设计
• 4.2.4.1 噪声匹配网络
• 4.2.4.2 前置放大器的输入阻抗
• 4.2.4.3 低噪声前置放大器设计
• 4.3 光学窗口设计
• 4.3.1 激光的高斯光束特性及其主要参数
• 4.3.2 引信光学窗口的主要技术要求和选择
• 4.3.2.1 引信光学窗口的主要技术要求
• 4.3.2.2 几种光学窗口的形式
• 4.3.3 发射端光学窗口设计
• 4.3.3.1 光能耦合效率分析
• 4.3.3.2 光学性能参数和初始结构参数确定
• 4.3.3.3 仿真与优化
• 4.3.4 接收端光学窗口设计
• 4.4 系统信息装定距离分析与计算
• 4.4.1 功率预算和最大装定距离确定
• 4.4.2 影响装定距离的因素和采取措施
• 4.5 本章小结
• 5 引信激光能量装定技术研究
• 5.1 通道模型和实现的技术难点
• 5.1.1 引信激光能量非接触传输通道模型
• 5.1.2 实现的技术难点
• 5.2 连续激光系统研究
• 5.2.1 大功率连续波半导体激光器
• 5.2.1.1 半导体激光器特性研究
• 5.2.1.2 光源及工作参数确定
• 5.2.2 激光器驱动电路发计
• 5.3 光电池选择及其电路要求
• 5.3.1 光电池的工作原理与种类确定
• 5.3.2 能量装定对光电池电路的要求
• 5.4 光电池输出特性和温度效应研究
• 5.4.1 能量装定下光电池输出特性研究
• 5.4.1.1 光电池组开路电压估算
• 5.4.1.2 输出功率和最佳负载电阻计算
• 5.4.2 能量装定的电容值确定
• 5.4.3 温度效应及光电池用量修正
• 5.4.3.1 温度效应对转换效率的影响
• 5.4.3.2 温度自补偿方法
• 5.5 引信电源模块设计
• 5.5.1 DC-DC芯片选择
• 5.5.2 DC-DC稳压电路设计
• 5.6 本章小结
• 6 抗干扰、抗过载、小型化、微功耗、低成本技术研究
• 6.1 抗干扰主要措施
• 6.1.1 硬件干扰
• 6.1.1.1 自身干扰
• 6.1.1.2 外部环境干扰
• 6.1.1.3 敌方有意干扰
• 6.1.2 硬件抗干扰措施
• 6.1.2.1 选择低噪声元器件
• 6.1.2.2 硬件电路板布线
• 6.1.2.3 角分集接收与相关检测技术
• 6.1.3 软件抗干扰措施
• 6.2 抗过载主要措施
• 6.3 引信小型化技术
• 6.4 微功耗技术
• 6.5 引信低成本技术
• 6.6 本章小结
• 7 引信光学装定系统设计与实验
• 7.1 研制背景及技术指标
• 7.1.1 研制背景
• 7.1.2 装定系统的技术指标
• 7.2 系统控制电路总体方案
• 7.2.1 控制电路方案研究
• 7.2.2 两种控制电路方案
• 7.2.2.1 以MCU和CPLD为核心的控制电路方案
• 7.2.2.2 以MCU为核心的控制电路方案
• 7.3 装定器电路设计
• 7.3.1 装定器信息模块设计
• 7.3.1.1 单片机控制电路设计
• 7.3.1.2 光学装定RS硬件编码电路设计
• 7.3.1.3 输入输出接口设计
• 7.3.2 装定器能量模块设计
• 7.4 引信装定电路设计
• 7.4.1 主放大器设计
• 7.4.2 整形电路设计
• 7.4.3 电子时间引信控制电路设计
• 7.4.4 光学装定RS硬件译码电路设计
• 7.4.4.1 电路设计
• 7.4.4.2 仿真结果
• 7.4.5 存储器的选择
• 7.5 软件设计
• 7.5.1 装定器软件
• 7.5.1.1 PPM光学装定器软件
• 7.5.1.2 脉冲计数光学装定器软件
• 7.5.2 引信装定程序设计
• 7.5.2.1 引信软件的主流程图
• 7.5.2.2 PPM光学装定解调算法
• 7.5.2.3 脉冲计数光学装定解调算法
• 7.6 原理样机及其实验
• 7.6.1 能量光学装定模拟实验
• 7.6.2 光学装定模拟实验
• 7.7 本章小结
• 8 总结与今后的工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及参与的科研项目