匡冬權(quán)

（總裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表室，遼寧 沈陽 11000;沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159）

激光制導(dǎo)技術(shù)的研究始于上世紀六十年代，典型的激光半主動制導(dǎo)武器系統(tǒng)主要由帶激光半主動導(dǎo)引頭的導(dǎo)彈（炸彈、炮彈）及發(fā)射平臺和激光目標指示器構(gòu)成[1]。激光半主動制導(dǎo)的基本原理是通過激光器發(fā)射經(jīng)編碼的激光信號并照射目標，保持跟蹤照射目標，裝在彈上的導(dǎo)引頭不斷接收目標反射的激光信號，計算處理目標與導(dǎo)彈的相對位置，進而控制導(dǎo)彈飛行，直至精確命中目標。與雷達、紅外、電視等制導(dǎo)方式相比，激光制導(dǎo)具有很高的制導(dǎo)精度和較強的抗干擾能力、可實現(xiàn)有限的發(fā)射后不管、能主動導(dǎo)引攻擊、成本相對較低等優(yōu)點；與激光駕束和及激光指令制導(dǎo)等遙控制導(dǎo)體制相比，具有發(fā)射點與照射點配置靈活，無需全程照射目標，射程不受限制等優(yōu)點。因此激光半主動制導(dǎo)技術(shù)受到世界各先進國家的重視。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭強調(diào)的就是精確打擊，而制導(dǎo)系統(tǒng)是導(dǎo)彈的大腦，導(dǎo)引頭是制導(dǎo)系統(tǒng)獲取外界信息的必要途徑，它的性能好壞直接影響到激光制導(dǎo)武器的打擊效果。通過對本課題的研究可以對半主動激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭的組成原理有較深入的了解，并提出相應(yīng)的改進方案，對提高激光制導(dǎo)武器的戰(zhàn)場生存能力和打擊能力有重要意義。

選用激光半主動制導(dǎo)體制可以使導(dǎo)彈的射程更遠（達6 km以上），可以采用曲射彈道攻擊坦克較為薄弱的頂裝甲；在整個射擊過程中，只需在最后8s用激光照射器照射目標，減少了照射器暴露的機會；在有其它照射器協(xié)助的情況下，可間接射擊。

激光半主動尋的制導(dǎo)武器系統(tǒng)一般由彈體（如導(dǎo)彈、炸彈、炮彈等）、彈體的載體（如飛機、坦克、艦船等）和激光目標指示器三部分組成。當(dāng)執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)時，安裝有激光照射源的載體在空中或地面向攻擊目標發(fā)射激光束，當(dāng)安裝在導(dǎo)彈上的導(dǎo)引頭捕獲到從目標反射回來的激光束后，就直奔目標而去并將其摧毀。

隨著紅外煙幕、紅外誘餌彈及紅外干擾機等多種干擾手段的出現(xiàn)與發(fā)展，傳統(tǒng)的紅外尋的制導(dǎo)武器逐漸失去了原有的作戰(zhàn)威力，有時甚至根本不起作用[2]。為改變這一狀況，各國均在努力改進制導(dǎo)武器的性能并積極探索新的制導(dǎo)方法。激光半主動尋的制導(dǎo)就是由彈外的激光束照射在目標上，并由彈上的激光尋的器利用目標反射的激光，實現(xiàn)對目標的跟蹤和對彈的控制，從而將彈導(dǎo)向目標的一種精確制導(dǎo)方法，是一種十分重要且有較強抗干擾能力的制導(dǎo)體制，20世紀90年代發(fā)生的幾起局部戰(zhàn)爭表明，激光半主動尋的制導(dǎo)武器已成為現(xiàn)代戰(zhàn)場的主戰(zhàn)武器之一。

1 課題背景和意義

在激光半主動尋的制導(dǎo)中，激光導(dǎo)引頭經(jīng)常使用的有雙四元、單四元、三元和二元等多種形式象限探測器組件；如俄羅斯紅土地末制導(dǎo)炮彈采用雙四象限探測器。四象限探測器再配合自動駕駛儀等動力裝置，可以很方便可靠的完成制導(dǎo)、跟蹤任務(wù)。位于導(dǎo)引頭最前端的四象限光電探測器和自動增益控制放大電路的電路設(shè)計是整個導(dǎo)引頭設(shè)計的關(guān)鍵，是捕獲目標、判斷目標位置、分析目標狀態(tài)的第一手信息的重要部分。實際工程運用中常常把四象限光電探測器和自動增益控制放大電路制作成帶自動增益控制的象限光電放大器組件，封裝在同一小型的金屬殼體內(nèi)，以提高整個導(dǎo)引頭的光電探測系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。本文主要是在分析四象限光電探測器工作原理的基礎(chǔ)之上，利用單片機仿真。

2 導(dǎo)引頭的工作原理及過程

2.1 制導(dǎo)規(guī)律

所謂制導(dǎo)規(guī)律，是指在制導(dǎo)過程中，調(diào)節(jié)彈的飛行參數(shù)所遵循的某種規(guī)律。選擇的制導(dǎo)規(guī)律不同，控制的最終結(jié)果、所適應(yīng)的使用條件、要求的彈體過載及導(dǎo)引頭機構(gòu)的復(fù)雜程度都會不同[5]。對制導(dǎo)規(guī)律一般有如下幾個要求：（1）保證系統(tǒng)有足夠的制導(dǎo)準確度；（2）導(dǎo)彈的整個飛行彈道，特別是攻擊區(qū)內(nèi)，理想彈道曲率應(yīng)盡量小，保證所需的導(dǎo)彈過載??；（3）保證飛行的穩(wěn)定性，導(dǎo)彈的運動對目標運動參數(shù)的變化不敏感；（4）制導(dǎo)設(shè)備盡可能簡單。

在導(dǎo)彈飛行過程中，制導(dǎo)規(guī)律決定導(dǎo)彈和目標或?qū)?、目標和指?dǎo)站之間的運動學(xué)關(guān)系。一般制導(dǎo)規(guī)律有以下幾種：

（1）姿態(tài)追蹤法制導(dǎo)

在采用這種制導(dǎo)規(guī)律時，要求彈體軸線指向目標。因此，姿態(tài)追蹤的導(dǎo)引頭所要測量的是彈軸與目標視線的夾角，只要導(dǎo)引頭與彈體固連，其光學(xué)軸與彈體軸線一致，就能夠測量這一誤差角。

（2）速度追蹤法制導(dǎo)

它要求彈的速度向量指向目標。這與姿態(tài)追蹤制導(dǎo)不同，速度追蹤導(dǎo)引頭測量的是彈的速度向量與目標視線之間的夾角。為了測量這個角度，首先需要建立速度向量的測量基準，在彈的飛行過程中，導(dǎo)引頭的這一測量基準軸要隨彈的速度方向而變化。這通常是利用風(fēng)標來實現(xiàn)的。速度追蹤的導(dǎo)引頭依靠萬向支架與彈體相連，并由風(fēng)標將其軸線穩(wěn)定在彈道風(fēng)的方向，及彈的空速方向。

（3）比例導(dǎo)引制導(dǎo)

在激光制導(dǎo)導(dǎo)彈和制導(dǎo)炮彈中，比例導(dǎo)引制導(dǎo)用得最為普遍。它要求彈的橫向加速度與目標視線角速度成正比，及彈的速度向量的旋轉(zhuǎn)角速度與視線角速度成比例。比例導(dǎo)引制導(dǎo)導(dǎo)引頭的首要任務(wù)是要跟蹤目標并測量出目標視線的旋轉(zhuǎn)角速度。這通常是靠螺來穩(wěn)定導(dǎo)引頭的瞄準軸，并用萬向支架與導(dǎo)彈連接來實現(xiàn)的。

2.2 導(dǎo)引頭工作原理

激光制導(dǎo)武器的核心器件便是激光導(dǎo)引頭。激光導(dǎo)引頭利用目標反射的激光,實現(xiàn)對目標的跟蹤和控制,直至導(dǎo)彈命中目標。

激光尋的制導(dǎo)是由彈外或彈上的激光束照射在目標上，彈上的激光導(dǎo)引頭利用目標反射的激光，實現(xiàn)對目標的跟蹤。導(dǎo)引頭的主要功能是：接收由激光器發(fā)射經(jīng)目標漫反射后的激光回波信號，并獲得誤差信號；按制導(dǎo)規(guī)律測定某參量，送入控制系統(tǒng)，搜索和跟蹤目標。為完成這兩項任務(wù)，導(dǎo)引頭由兩個主要部分組成：位標器和電子艙。它屬于專業(yè)涉及面寬、系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)密集度高的光、機、電緊密結(jié)合的彈載末端精確制導(dǎo)部件。

激光制導(dǎo)炮彈的射程一般在3~20km之間。從激光照射器的性能和對抗的角度出發(fā)，它不可能在全程內(nèi)一直照射，所以必須在離目標一定距離時導(dǎo)引頭才開始工作。因此，它屬于末端制導(dǎo)。報道表明只要這一距離大于2km,就能有效擊中目標。

2.3 半主動激光制導(dǎo)原理

激光制導(dǎo)，就是以激光為信息載體，把導(dǎo)彈，炮彈或炸彈引向目標而實施精確打擊的先進技術(shù)。精準是激光制導(dǎo)武器的鮮明特點，由于激光的單色性好，光束的發(fā)散角小，敵方很難對制導(dǎo)系統(tǒng)實施有效干擾，因而它具有了其它制導(dǎo)方式無法匹敵的優(yōu)勢。所以，當(dāng)激光制導(dǎo)武器攻擊固定或活動目標時，精度一般在1m以內(nèi)，命中率極高。激光制導(dǎo)武器甚至還可以從通氣孔進入，炸毀地下目標，令敵方防不勝防。激光制導(dǎo)與紅外，雷達，GPS等實現(xiàn)復(fù)合制導(dǎo)，則更有利于提高制導(dǎo)精度和應(yīng)付各種復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境，從而發(fā)揮全天候作戰(zhàn)的優(yōu)勢。

激光制導(dǎo)方式有半主動尋的式，全主動尋的式和波束式（架束式）三種。目前激光制導(dǎo)武器中大都采用半主動激光制導(dǎo)方式，即導(dǎo)引頭（它安裝在彈上，被用來自動跟蹤目標并測量彈的飛行誤差）與激光照射裝置分開配置于兩地，前者隨彈飛行，后者置于彈外。激光照射器用來指示目標，故又稱激光目標指示器。導(dǎo)引頭通過接收目標反射的激光照射器照射的激光或直接接收照射激光，引導(dǎo)導(dǎo)彈飛向目標。

半主動式激光制導(dǎo)。半主動式激光回波制導(dǎo)系統(tǒng)的工作過程是：激光發(fā)射機作為信號源裝在地面、車船或飛機上，發(fā)射激光束為制導(dǎo)武器指示目標，彈上的激光導(dǎo)引頭接收目標反射的激光信號，并跟蹤目標上出現(xiàn)的激光光斑，引導(dǎo)戰(zhàn)斗部飛向激光光斑，最終命中目標。半主動式回波制導(dǎo)廣泛應(yīng)用于各種武器的制導(dǎo)系統(tǒng)中，如激光制導(dǎo)炸彈、激光制導(dǎo)導(dǎo)彈、激光制導(dǎo)炮彈等，是所有制導(dǎo)武器中制導(dǎo)精度最高的。

全主動式激光制導(dǎo)。這種制導(dǎo)方式是將激光照射器和目標尋的器都裝在彈上，由激光照射器發(fā)射激光，目標尋的器接收目標反射回的激光信號，再通過彈上控制系統(tǒng)將彈體引向目標。

波束式激光制導(dǎo)。激光波束制導(dǎo)又叫激光駕束制導(dǎo)，其工作過程是：激光照射器先捕捉并跟蹤目標，給出目標所在方向的角度信息，然后經(jīng)火控計算機控制彈體發(fā)射架，以最佳角度發(fā)射導(dǎo)彈，使它進入激光波束中（進人波束的方向要盡可能與激光束軸線的方向一致）。彈體在飛行過程中，彈上激光接收機接收到激光器直接照射到彈上的激光信號，從中處理出制導(dǎo)所需的誤差量，即彈體軸線與激光束軸線的偏離方向和大小，并將這個誤差里送入彈的控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制彈的飛行方向和姿態(tài)，始終保持彈與激光照射光束的重合，最終將戰(zhàn)斗部引導(dǎo)于目標上。此種制導(dǎo)方式就像讓導(dǎo)彈騎在激光束上滑行一樣，所以俗稱“駕束制導(dǎo)”。

激光半主動制導(dǎo)屬于尋的制導(dǎo)。典型的激光半主動制導(dǎo)武器系統(tǒng)主要由帶激光半主動導(dǎo)引頭的導(dǎo)彈（炸彈，炮彈）及發(fā)射平臺和激光目標指示器構(gòu)成。激光半主動制導(dǎo)的基本原理是：用激光器發(fā)射激光束照射目標，裝于彈體上的激光接收裝置則接收照射的激光信號或目標反射的激光信號，算出彈體偏高照射或反射激光束的程度，不斷調(diào)整飛行軌跡，使戰(zhàn)斗部沿著照射或反射激光前進，最終命中目標。

3 四象限光電檢測電路

圖1 四象限光電檢測電路

本課題用了光電耦合器作為傳感器。光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集成電路型等。模擬開關(guān)使用4066，相關(guān)器的參考信號是來自激光目標指示器的同步脈沖，是值為0、1的數(shù)字量，控制模擬開關(guān)的關(guān)閉和導(dǎo)通。濾波器電阻為10K，電容為0.05uF，每路檢測電路的輸出信號基本上是直流信號，經(jīng)過后面的ADC調(diào)理電路作一定的幅度調(diào)整和電平平移后進入ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

光學(xué)系統(tǒng)和四象限光電探測器都放在陀螺裝置里面，四象限光電探測器裝在陀螺軸上，陀螺軸和光學(xué)系統(tǒng)的光軸重合。目標上的激光光斑漫反射信號經(jīng)過陀螺裝置上的光學(xué)系統(tǒng)匯聚后成像在四象限光電探測器上，四象限光電探測器將激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)四個象限的信號輸出可以得到目標像點的離軸誤差。探測器輸出的光電信號經(jīng)過放大和調(diào)理后進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送入CPU中處理。CPU解算數(shù)字化后的光電信號可以得到目標(激光光斑)的方位信息，并據(jù)此控制陀螺進動，使得陀螺軸對準目標上的激光光斑，這樣實現(xiàn)了對目標的實時動態(tài)跟蹤。

在半主動激光導(dǎo)引頭中的四象限光電探測器相關(guān)檢測電路是至關(guān)重要的。為提高導(dǎo)引頭檢測電路的抗干擾能力，抑制噪聲干擾，設(shè)計中，使用相關(guān)檢測電路，可以大幅提高信號的信噪比。

激光目標指示器發(fā)出的激光是脈沖編碼的。為提高導(dǎo)引頭檢測電路的抗干擾能力，導(dǎo)引頭根據(jù)激光目標指示器的編碼同步信號來檢測激光反射光斑信號，提取出有用的激光制導(dǎo)編碼和幅度信息，抑制背景干擾。本課題中，根據(jù)信號特點，使用相關(guān)檢測技術(shù)可以大幅提高信號的信噪比。圖2(a)是本課題使用的相關(guān)檢測電路，前面的模擬開關(guān)是相關(guān)器，后面的RC電路是積分器。同步相關(guān)脈沖(參考信號)來自目標指示器，是與激光目標指示器信號形狀和周期相同、具有一定相移的信號。探測到的激光制導(dǎo)脈沖信號，Vs=Af(t-t0)Vn,參考信號fr(t)=f(t)。參考信號控制模擬開關(guān)s的開和關(guān)，經(jīng)過開關(guān)后的信號再經(jīng)過積分器濾波 (如圖3)，得到的直流信號就是激光脈沖信號的幅度，而噪聲干擾被大幅度的衰減了。圖2（b）是相關(guān)器的數(shù)學(xué)模型，模擬開關(guān)可以看作是一個乘法器，參考信號Vr是值為0和1的脈沖，經(jīng)過開關(guān)后的信號V's是輸入信號Vs和參考信號Vr的乘積

圖2 相關(guān)檢測

圖3 濾波器（積分器）

圖4 f(t)函數(shù)

用一個矩形波函數(shù)f(t)(如圖4)來表示信號Vs和Vr,

其中，V(t)是噪聲和干擾，f(t)是一個純數(shù)學(xué)函數(shù)，f(t-t0)表示信號經(jīng)過電路后有了一定的相位延遲。

將f(t)作傅立葉級數(shù)展開，得到

相關(guān)器的信號輸出信號V's=Vs·Vr=Af(t-t0)·F(t)+Vn(t)·f(t)，將（4）帶入得到:

相關(guān)器的輸出信號經(jīng)過積分器 (實際上是一個濾波器)后，交流成分被濾去，留下直流成分:

這個值與激光信號幅度A成正比。而噪聲和非直流干擾由于與參考信號Vr不相關(guān)，與Vr相乘后是交流成分，經(jīng)過濾波器后就被濾去了。

濾波器的R和C參數(shù)要選擇得當(dāng)。對于本課題來說，濾波器要盡可能的濾掉相關(guān)運算后輸出來的交流成分;同時又要考慮系統(tǒng)的響應(yīng)，激光目標指示器發(fā)射的激光制導(dǎo)脈沖重頻為40Hz，所以濾波器的帶寬應(yīng)該在40Hz以上，且40Hz以內(nèi)信號的相移要非常小。

4 總體設(shè)計

單片機是整個導(dǎo)引頭搜索與跟蹤控制系統(tǒng)的核心，單片機根據(jù)采集到的光電信號，判斷是否找到目標并計算出目標的方位坐標。因為單片機只能處理數(shù)字量，而光電探測器采集到的光電信號為模擬量，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換是必需的。本課題中，采用AT89C51單片機作為控制芯片，模數(shù)轉(zhuǎn)換采用ADC0808。其中，P1口用于接收四路光電信號。

程序開始后先進行初始化，對器件進行設(shè)置、定義變量。變量主要用于保存模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果，計算的中間結(jié)果，一些標志位等。器件設(shè)置主要是端口設(shè)置、ADC設(shè)置、中斷設(shè)置等。

初始化完畢后，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果判斷導(dǎo)引頭是否搜索到目標以及目標所在的方位。

圖5 程序主流程

程序開始后先進行初始化，對器件進行設(shè)置、定義變量。變量主要用于保存模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果，計算的中間結(jié)果，一些標志位等。器件設(shè)置主要是端口設(shè)置、ADC設(shè)置、中斷設(shè)置等。

初始化完畢后，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果判斷導(dǎo)引頭是否搜索到目標以及目標所在的方位。

5 結(jié)束語

通過實驗板的實驗以及用軟件仿真得到了預(yù)期的效果。能夠完成由計算機生成場景，通過投影儀投到漫反射屏上，激光目標指示器則發(fā)射激光制導(dǎo)脈沖，投射到漫反射屏場景中的目標上，導(dǎo)引頭能夠捕獲和跟蹤目標上反射的激光光斑，引導(dǎo)導(dǎo)引頭實時動態(tài)指向目標。