褚 凱，朱一旺 ，楊 茜，李小明

（1.陸軍軍官學(xué)院 研究生系，安徽 合肥 230031；2.陸軍軍官學(xué)院 軍用光電技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

隨著以計(jì)算機(jī)為代表的信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，半實(shí)物仿真技術(shù)[1]在國(guó)內(nèi)外的航空航天、通信等眾多軍用和民用領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，具有費(fèi)用低，開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)。激光半主動(dòng)制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)[2]在激光制導(dǎo)武器的研究、試驗(yàn)、作戰(zhàn)仿真和教學(xué)訓(xùn)練中有重要作用。為測(cè)試激光制導(dǎo)干擾設(shè)備對(duì)激光制導(dǎo)的干擾效果，開(kāi)發(fā)研制了該系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該仿真系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路和伺服系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的工作原理是這樣的：用NdYAG模擬激光源發(fā)射經(jīng)過(guò)編碼的激光束，經(jīng)過(guò)濾光片照射到四象限光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將接收到的激光光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出給后續(xù)處理電路。光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)過(guò)自適應(yīng)前置放大濾波電路、峰值保持電路和AD轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)入微處理器，通過(guò)光斑檢測(cè)四元定位算法[3]，解算出目標(biāo)光斑偏離中心的偏差即偏離目標(biāo)光源中心點(diǎn)的脫靶量[4]，根據(jù)脫靶量形成對(duì)伺服系統(tǒng)的控制指令，二維轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)根據(jù)控制指令調(diào)整導(dǎo)引頭的姿態(tài)，穩(wěn)定跟蹤模擬目標(biāo)光源，原理流程框圖如圖1所示。

系統(tǒng)光電探測(cè)器組件采用中國(guó)電子工業(yè)集團(tuán)公司第四十四所生產(chǎn)的GD4311Y四象限光電探測(cè)器。它具有可控增益、響應(yīng)速度快、盲區(qū)小、噪聲低；均勻性、對(duì)稱性好等特點(diǎn)，在激光定位、激光制導(dǎo)等方面應(yīng)用廣泛。它的光敏尺寸為Φ 8 mm，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為850～1 064 nm。為了增強(qiáng)探測(cè)效果，濾除背景和噪聲的干擾，在探測(cè)器前加裝了濾光片，對(duì)進(jìn)入到探測(cè)器的激光進(jìn)行了過(guò)濾。二維轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)為雙自由度高精度數(shù)字云臺(tái)PT01502，前后俯仰72°，水平旋轉(zhuǎn)－157°～157°，RS485通信接口，24 V/3 A直流供電，70多條默認(rèn)缺省指令集，指令響應(yīng)時(shí)間12 ms。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 前置放大電路

GD4311Y四象限探測(cè)器電路如圖2所示，其中U1為GD43311Y 探測(cè)器，D1、D2、D3、D4 為四象限電流信號(hào)輸出，+80 V的作用是給探測(cè)器提供的典型偏置電壓，+2 V的作用是給探測(cè)器提供增益控制電壓，+5 V的作用是給探測(cè)器提供的正電源，為了保證電源穩(wěn)定，在正電源與地之間必須接入

10 0 pF的電容。

圖2 探測(cè)電路Fig.2 Detection circuit

四象限探測(cè)器的作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成了微弱的電信號(hào)，其輸出相當(dāng)于一個(gè)高速脈沖電流源。前置放大電路采用跨阻放大器對(duì)探測(cè)器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，并將電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)輸出，電路如圖3所示。

圖3 前置放大電路Fig.3 Preamplifer circuit

跨阻放大器選用AD8007低失真的高速放大器，650 MHz帶寬。D1為探測(cè)器輸出，R1為200Ω限流電阻，流入跨阻放大器；±5 V作用是提供工作電壓；F1為經(jīng)過(guò)放大的輸出信號(hào)。

2.2 峰值保持電路

在將信號(hào)輸入到AD轉(zhuǎn)換電路之前，由于采集到的信號(hào)頻率高，即使是高速率的AD也無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，需要將采集信號(hào)的峰值保持一段時(shí)間。而峰值保持電路的作用就是將采集到的信號(hào)峰值保持下來(lái)，供ADC采樣所用。系統(tǒng)采用具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大和誤差小等優(yōu)點(diǎn)的跨導(dǎo)型峰值保持電路[5-7]，電路如圖4所示。

跨導(dǎo)放大器 （WTA）選用Maxim公司的MAX436芯片。MAX436無(wú)需另外設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，是高速、寬帶跨導(dǎo)型放大器。其反向輸入端電阻很大，反饋回路從圖中的N1處引入，這樣減少了電壓緩沖器的延時(shí)。圖中U27、U28信號(hào)緩沖器為MAX4201開(kāi)環(huán)單緩沖器。它們的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行緩沖，提高驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力。U28的輸出即為峰值保持結(jié)果，通過(guò)接插件與后續(xù)采樣保持器電路連接。電阻R18用于設(shè)置MAX436的跨導(dǎo)增益，當(dāng)R12=50Ω時(shí)，跨導(dǎo)增益為160 ms。電阻R19用于設(shè)置MAX436的最大輸出電流，當(dāng)R19=5.9 kΩ時(shí)，最大輸出電流為20 mA。保持電容取100 pF，反饋回路直接從U28的輸出端接入。

圖中N1為放電回路的控制端，低電平使放電回路放電，由單片機(jī)輸出使能74HC4066模擬開(kāi)關(guān)芯片控制。Q3在這里起到單向通道的作用，確保放電回路正常放電。當(dāng)峰值保持器采集完成，單片機(jī)輸出高電平放電使能信號(hào)，峰值保持電路開(kāi)始放電。放電回路的目的是對(duì)保持電容進(jìn)行復(fù)位，以便于下一次的峰值保持。

2.3 峰值檢測(cè)與AD轉(zhuǎn)換電路

峰值檢測(cè)電路作用是將放大后的信號(hào)進(jìn)行峰值時(shí)刻鑒別檢測(cè)，在信號(hào)達(dá)到峰值前輸出觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)輸出到峰值保持電路。系統(tǒng)采用LM361芯片設(shè)計(jì)峰值檢測(cè)電路，選用AD7994BRU-0為AD轉(zhuǎn)換芯片，電路如圖5和圖6所示。

LM361為高速差動(dòng)電壓比較器，輸出為TTL電平信號(hào)，是SE529/NE529的增強(qiáng)型。其傳輸速度快，具有通用的電源電壓，有獨(dú)立的選通端，具有延遲很小的兩個(gè)互補(bǔ)TTL電平信號(hào)輸出，輸入失調(diào)電壓小，在過(guò)驅(qū)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)換速度小。1和6腳為±12 V電源輸入端，3和4腳為模擬電壓信號(hào)輸入端，9和11腳為輸出端，8和13腳為選通端。LM318為工作在閉環(huán)狀態(tài)下的開(kāi)環(huán)增益運(yùn)算放大器。

圖5中，1路信號(hào)P1與電位器分壓得到的電壓作為L(zhǎng)M361的輸入端，U21的輸出端作為U22的選通信號(hào)。P1信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放LM318后，作為U22的輸入信號(hào)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74HC123將U22輸出的TTL電平信號(hào)進(jìn)行峰值保持，其輸出作為單片機(jī)的中斷輸入，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

圖4 峰值保持電路Fig.4 Peak holding circuit

圖5 峰值檢測(cè)電路圖Fig.5 Peak detection circuit

圖6 AD轉(zhuǎn)換電路Fig.6 ADCcircuit

ADC電路將峰值保持電路的輸出信號(hào)進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)選用ANALOGDEVICE的AD7994BRU-0作為AD轉(zhuǎn)換芯片。AD7994BRU-0芯片擁有4通道，具有10和12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換，兼容I2C，16位引腳，最快采樣周期為 2 μs。

3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用程序主要包括四元定位、脫靶量計(jì)算、串口通信等模塊，采用C語(yǔ)言進(jìn)行模塊化編程。四元定位是程序的重要模塊，基于四象限的和差電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，將單片機(jī)采集到的數(shù)字信號(hào)，利用和差電路算法解算出目標(biāo)的方位信息。將解算出的目標(biāo)方位信息與四象限遠(yuǎn)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，計(jì)算出目標(biāo)脫靶量。單片機(jī)通過(guò)MAX3232串口通信模塊，將偏差量傳送給伺服控制系統(tǒng)，完成對(duì)目標(biāo)的跟蹤。單片機(jī)程序流程如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中簡(jiǎn)介了系統(tǒng)的工作原理，并對(duì)處理電路的關(guān)鍵電路進(jìn)行詳細(xì)的描述，根據(jù)實(shí)際的情況，通過(guò)選擇合適的處理芯片，完成對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)的放大、鑒別、保持和AD轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)單片機(jī)的CPU處理電路解算出誤差，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制機(jī)構(gòu)完成對(duì)模擬激光源的穩(wěn)定跟蹤。電路設(shè)計(jì)合理，實(shí)際中進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，性能良好。

圖7 程序流程圖Fig.7 Flow chart of program

[1]黃建強(qiáng)，鞠建波.半實(shí)物仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].艦船電子工程，2011，31（7）:5-7.HUANG Jian-qiang，JU Jian-bo.Development introduction of jardware-in-the-Loop simulation[J].Ship Electronic Engineering，2011，31（7）:5-7.

[2]劉華柏.激光半主動(dòng)制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中目標(biāo)方位探測(cè)電路的研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院，2008.

[3]林志琦，李會(huì)杰，郎永輝，等.用四象限光電探測(cè)器獲得光斑參數(shù)[J].光學(xué)精密工程，2009，17（4）:764-770.LIN Zhi-qi，LI Hui-jie，LANG Yong-hui，et al.Obtaining spot parameters by quadrant photo detectors[J].Optics and Precision Engineering，2009，17（4）:764-770.

[4]趙馨，王世峰，佟首峰，等.具有自動(dòng)增益調(diào)整功能的光斑實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)[J].光電工程，2009，36（11）:20.ZHAOXin，WANGShi-feng，TONGShou-feng，et al.Technology on real-time spot detectin with automatic gain function[J].Opto-Electronic Engineering，2009，36（11）:20.

[5]胡永宏，張喜和.高速四元探測(cè)器峰值保持電路的設(shè)計(jì)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010，30（3）:173-174.HU Yong-hong，ZHANG Xi-he.Design of peak-hold circuit for high speed quaternion detctor[J].Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Gudiance，2010，30（3）:173-174.

[6]彭宇，蘇弘，李小剛，等.一種高速寬帶放大與峰值保持電路的研制[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2006，26（4）:514-516.PENG Yu，SU Hong，LI Xiao-gang.A high-speed，wind-bang width，amplification and peak-holding circuit[J].Nuclear Electronics&Detection Technology，2006，26（4）:514-516.

[7]高歌.隨機(jī)脈沖觸發(fā)峰值采集電路的設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2005，25（5）:519-521.GAO Ge.Design of the signal value collect circuit trigged with the arbitarty pusle[J].Nuclear Electronics&Detection Technology，2005，25（5）:519-521.