梁巍巍，黃振宇，張文攀，殷瑞光，劉艷芳

(中國洛陽電子裝備試驗中心，洛陽471003)

引 言

從近幾次的世界局部戰(zhàn)爭可以發(fā)現(xiàn)，光電精確制導武器在戰(zhàn)場上發(fā)揮著越來越重要的作用，其中半主動激光制導武器以其高精度、低成本成為使用頻率最高的光電精確制導武器［1-3］。半主動激光制導武器主要依靠武器前端的激光導引頭起作用，四象限探測器(quadrant detector，QD)是導引頭的重要組成元件，主要負責搜索和捕獲目標的漫反射信號，傳給后續(xù)信息處理電路形成制導指令，導引激光制導武器實現(xiàn)精確打擊，因此，其性能參量直接影響著激光制導武器的精度［4-5］。參考文獻［6］中分析了傳統(tǒng)四象限測角算法等幾種測角算法在計算四象限探測器偏差信號的性能;參考文獻［7］中針對四象限探測器的解算偏差信號精度問題，研究了基于不同光斑模型計算方法存在的誤差;參考文獻［8］中研究了四象限探測器測角算法基礎上，提出了一種將插值法和傳統(tǒng)算法相結合的改進算法，該偏差信號解算算法可有效提高探測定位精度且工程上易實現(xiàn)［6-8］。從相關報道可看出，四象限探測器偏差信號是影響激光導引頭探測定位精度的關鍵，本文中從四象限探測器探測定位原理出發(fā)，通過研究偏差信號與入射光斑大小、探測器分劃線寬度和背景光強度的關系，提出了對應的優(yōu)化建議，研究結果有助于提高激光導引頭的探測定位精度。

1 四象限探測器探測定位原理

為了對目標進行定位，四象限探測器相對光學系統(tǒng)離焦放置。在激光導引頭搜索跟蹤目標過程中，由目標漫反射的激光指示信號經(jīng)光學系統(tǒng)匯聚在四象限探測器光敏面上，形成目標光斑。如圖1所示，為四象限探測器光敏面示意圖，四象限探測器被中間的間隔分為4份，象限之間的間隔被稱為“分劃線”，分劃線對入射光沒有響應［9］。

Fig.1 Schematic diagram of facular on quadrant detector

四象限探測系統(tǒng)通過目標光斑在4個象限上的分布情況，來解算目標在空間的位置。如圖2所示，為四象限探測器和差比幅電路原理圖，其中，A，B，C，D分別代表四象限探測器4個象限，UA為入射光斑在A象限產(chǎn)生的光電壓(其余相同)。當目標光斑的幾何中心落在探測器的某一象限上，經(jīng)過信息處理電路對信號的處理，輸出導引指令到尾部儀器艙，控制激光制導炸彈舵面偏轉(zhuǎn)，修正彈體的實際飛行方向與理想的追蹤方向間的偏差，使誤差角減小并逐步趨于0，最終控制激光制導炸彈按導引規(guī)律飛向目標。

Fig.2 Block diagram of orientation detection circuitof quadrant detector

假定目標漫反射激光指示信號在四象限探測器上形成圓型光斑，半徑為r，光斑能量分布均勻，光斑中心坐標(x，y)，則俯仰和偏航方向的偏差信號為［4］:

式中，Ux和Uy分別為四象限探測器x方向和y方向偏差信號電壓;K為比例系數(shù)。

導引頭信號處理一般采用和差比幅電路，以便對輸出信號進行歸一化處理。由于各象限輸出的光電流值與接收到的目標反射能量有關，而這一量是隨著探測系統(tǒng)到目標的距離變化的，這就加大了對后續(xù)電路動態(tài)范圍的要求，采用和差比幅電路可以消除上述影響。俯仰和偏航方向的偏差信號僅取決于各象限上目標光斑的面積之差。于是，(1)式可改寫為:

由(2)式可得，只要測出A，B，C，D這4個象限的輸出信號和光斑半徑r，即可求得目標光斑中心在四象限探測器光敏面上的位置(x，y)。

2 四象限探測器輸出偏差信號特性研究

2.1 入射光斑大小

由(2)式可以看出，偏差信號不僅和入射光斑中心的位置有關，而且還和入射光斑的大小r有關。由于四象限探測器分劃線的影響，存在最小入射光斑，即入射光斑小于最小光斑時，若光斑落入四象限探測器分劃線內(nèi)，則探測器沒有制導信號輸出，如圖3所示，假定四象限探測器分劃線寬度為2a，則入射光斑半徑r至少應滿足:

當光斑太大，覆蓋了整個探測器的4個象限，這樣即使光斑中心不在四象限探測器的中心，俯仰和偏航方向的偏差信號輸出都為0，系統(tǒng)也會判定為光斑在探測器中心，不輸出制導指令，這顯然也是一種誤判。

如圖4所示，為不同入射光斑大小情況下，四象限探測器輸出偏差信號歸一化曲線，四象限探測器x方向的偏差信號電壓Ux和偏移量x均經(jīng)過歸一化處理，歸一化后的范圍為-1～1，r為入射光斑半徑，R為探測器光敏面半徑。當入射光斑比較小時，偏差信號Ux的變化范圍會比較大，但是偏移量x變化范圍比較小，如當r/R=1/4時，偏移量x的變化范圍為-0.3～0.3，偏差信號Ux隨偏移量x變化劇烈，偏移量有一個小的改變，偏差信號Ux就會有明顯的變化，這說明探測系統(tǒng)靈敏度很高，可以探測到微弱的信號變化，但是探測器的線性范圍比較小。入射光斑半徑慢慢增大到r/R=1/2時，偏移量x的范圍為 -1 ～1，線性范圍約為 -0.9 ～0.9，偏差信號變化范圍Ux為-1～1，偏差信號Ux隨偏移量x變化變慢，但是探測器的線性范圍比較大;當入射光斑增大到r/R=3/4時，偏移量x的線性范圍為-1～1，偏差信號 Ux變化范圍約為 -0.45 ～0.45，偏差信號隨偏移量x變化太慢，對偏移量變化不夠靈敏，導致探測器的靈敏度下降。

Fig.3 Schematic diagram of minsize of light spot on quadrant detector

Fig.4 Normalized curve of error signal in different size of light spot

圖5 為不同入射光斑大小情況下，計算出的光斑中心與偏移曲線的斜率之間的關系。橫軸為光斑偏移量x，縱軸為偏差信號Ux的斜率。隨著入射光斑半徑的增大，偏移量曲線的斜率在不斷變化，即偏移信號與偏移量之間的關系不是線性的?？梢钥闯?，隨著光斑半徑的增大，斜率的最大值減小，斜率由最小值達到最大值時相對的偏移量增大，即四象限探測器的靈敏度降低了。同時，隨著光斑半徑的增大，偏差信號與偏移量的范圍增大，即四象限探測器的動態(tài)跟蹤范圍增大。

Fig.5 Relationship of the facular center and the slope of error signal in different size of light spot

由上可得，隨著入射光斑半徑r的逐漸變大，四象限探測器的靈敏度會變低，動態(tài)跟蹤范圍變大。四象限探測器的選擇既要考慮探測器的靈敏度，又要考慮其線性范圍，對這兩項指標進行綜合考慮，選取合適的光斑尺寸。

入射光斑的大小由導引頭光學系統(tǒng)決定，在實際應用中，激光導引頭光學系統(tǒng)經(jīng)過特殊設計，可以控制入射激光光斑半徑是光敏面半徑的一半左右，即在r/R=1/2附近時，4個探測器每一個都能接收到入射光斑的一部分能量，四象限探測器具有較好的動態(tài)范圍和較高的探測靈敏度，探測系統(tǒng)可以獲得較好的綜合性能。而光學系統(tǒng)參量的確定與很多因素有關，比如彈的制導率(比例導引或速度追蹤)、攻擊的目標類型(固定目標，慢速目標或活動目標)等。光學系統(tǒng)參量一旦確定，那么目標在探測器光敏面上的目標光斑就基本不變，只有當彈目距離非常近時，目標入射光線相對導引頭光學系統(tǒng)不能近似為平行入射光線時，入射光斑才會有較大變化，甚至會覆蓋探測器整個光敏面，此時，系統(tǒng)就不能給出正確的制導指令，彈體進入截斷距離，斷掉制導指令信號。

2.2 分劃線寬度

由于四象限探測器是在同一塊硅基底上采用半導體工藝，制作出性能基本一致的4個探測器。為了隔離4個探測器，通過腐蝕、掩膜和摻雜等工藝形成了探測器間的分劃線，由于采用同一塊硅基底，不可避免地會出現(xiàn)串擾。四象限探測器分劃線為了滿足系統(tǒng)探測精度的需求，不能做得太寬，另一方面，為了避免象限間信號串擾，也不能做的太狹窄。四象限探測器分劃線寬度因光敏面直徑不同而有所不同，分劃線寬度約為幾百微米，串擾約5%。為了分析分劃線寬度對探測定位精度的影響，研究了不同寬度分劃線對輸出偏差信號的影響，如圖6所示。

Fig.6 Normalized curve of error signal in differentwidth of division line

為了研究不同探測器分劃線寬度下，探測器輸出偏差信號歸一化曲線，假設入射光斑r/R=1/2，從圖中可以看出，當分劃線寬度2a/R=1/40時，探測器的線性響應范圍約為-0.9～0.9;隨著分劃線寬度逐漸變寬，探測器的線性范圍逐漸變小，當分劃線寬度2a/R=9/40時，探測器的線性響應范圍迅速減為-0.5～0.5，線性響應范圍有了明顯的減小，并且入射光斑落入分劃線的幾率也變大，光斑落在分劃線內(nèi)損失的能量也越來越大，探測器輸出線性度變差，位置偏差變化劇烈，使探測系統(tǒng)誤差變大。隨著分劃線寬度的變化，探測器的最大偏差位置也在變化。因此，分劃線寬度應在探測器串擾允許的情況下越窄越好，在這種情況下，探測器的串擾度和一致性參數(shù)就顯的非常重要。

2.3 背景光強度

在四象限探測器探測信號過程中，背景光是影響輸出偏差信號的因素之一。背景光主要來源于自然光源(如太陽)、復雜的光電環(huán)境和通過光學系統(tǒng)在光敏面上的其它漫反射信號［10-12］。已經(jīng)有相關新聞報道，由于射擊時沒有考慮到太陽光因素，導致我軍列裝的某型激光制導炮彈偏離目標千米之遠［13］。背景光特別是太陽光信號被激光導引頭接收，雖然激光導引頭的窄帶濾光片能夠濾除大部分太陽光信號，但由于窄帶濾光片具有一定的帶寬，一般在工作波長1.06μm附近具有約20nm帶寬，所以仍然有一部分太陽光信號被探測器接收，導致激光導引頭的探測器輸出較大的暗電流和電流噪聲。雖然探測器放大電路中的隔直電路能夠濾除直流分量，但探測器的電流噪聲能夠經(jīng)前置放大電路、主放大電路放大后被信息處理電路處理，從而降低導引頭探測器的信噪比，甚至使目標散射的指示激光信號淹沒在噪聲中。因此，需在分析探測器性能時考慮背景光的影響。

根據(jù)和差比幅電路公式(1)式可知，背景光的存在，使UA+UB+UC+UD在很大程度上增加，但是對于(UA+UB)-(UC+UD)和(UA+UD)-(UB+UC)幾乎沒有影響，探測器輸出偏差信號在一定程度上有所減小。假設背景光均勻分布，入射光斑r/R=1/2，背景光強度與入射激光強度之比為0，10%，20%和30%情況下探測器輸出偏差信號歸一化曲線，如圖7所示。

Fig.7 Normalized curve of error signal in different intensity of background light

由圖7可知，隨著背景光的增強，偏差信號的線性范圍在減小，斜率在降低，說明探測器的探測靈敏度在降低。

背景光的存在，干擾了探測器定位，使探測器靈敏度明顯下降，必須采取各種措施進行有效抑制。對于光譜上不同波段可以通過加窄帶濾光片的方式，來減小背景光帶來的影響;對于同波段的信號，可以通過數(shù)字信號處理的方式，如電路上采用頻率分離的方法抑制;最后就是對四象限探測器采用標準調(diào)校的方式，對歸一化曲線進行調(diào)零校準，也可以進一步抑制背景光對偏差信號的影響。

3 結論

根據(jù)四象限探測器偏差信號形成的原理，深入研究了其與光斑位置大小、分劃線寬度和背景光強度的關系，分析了影響激光導引頭四象限探測器探測定位精度的因素。

(1)隨著入射光斑變大，四象限探測器的靈敏度會變低，動態(tài)跟蹤范圍變大。入射光斑在r/R=1/2附近時，可以獲得很好的綜合性能，此時，四象限探測器具有較好的動態(tài)范圍和較高的探測靈敏度。

(2)分劃線寬度應在探測器串擾允許的范圍內(nèi)做的越窄越好，應該對探測器的一致性和串擾做進一步考核。

(3)背景光的存在會使四象限探測器的靈敏度降低，應該采取措施抑制背景光。

通過研究不同條件下對四象限探測器輸出偏差信號的影響，分析了影響激光導引頭四象限探測器探測定位精度的因素，研究結果有助于提高激光導引頭的探測定位精度。作者接下來將進一步研究四象限探測器偏差信號對激光制導武器精度的影響，建立導引頭全數(shù)學模型，分析評估各種因素對半主動激光導引頭的干擾效果。

［1］WANGW F，LIU ZG，WANGSC，etal.Design ofenergy simulation system for laser guided weapons ［J］.Laser Technology，2012，36(6):844-848(in Chinese).

［2］WANG K B.Status quo，key technology and development of laser guided weapon ［J］.Infrared and Laser Engineering，2007，36(5):651-655(in Chinese).

［3］WANG K B.Latest development and trends of semi-active laser guidance technology［J］.Infrared and Laser Engineering，2008，37(9):275-279(in Chinese).

［4］XU D S.Optimal design for signal light spot of detecting systems with quadrant detectors［J］.Journal of Hunan Institute of Science and Technology(Natural Sciences Edition)，2007，20(1):50-53(in Chinese).

［5］GAO Z J，ZHANG A J，SHIG H.Simulation study on the seeker of aerodynamically stabilized laser-guided aerial bomb ［J］.Opto-Electronic Engineering，2007，34(1):4-8(in Chinese).

［6］HU X L，ZHOU S C.Analysis and research on several anglemeasurement algorithms based on four-quadrant detector［J］.Laser＆ Infrared，2007，37(6):546-547(in Chinese).

［7］CUIR J，WANG JW，LIX M.Model error analysis of quadrant photodetector［J］.Laser＆ Infrared，2011，41(5):516-519(in Chinese).

［8］CHEN Y，ZHU TR，LIH G.Analysis and improvement in anglemeasurement algorithm of the four-quadrant detector［J］.Laser ＆Infrared，2009，39(6):669-672(in Chinese).

［9］CHEN Y，ZHU T R，LIR.Design and realization of the anglemeasurement algorithm of the four-quadrant detector based on the interpolation algorithm ［J］.Infrared and Laser Engineering，2011，40(3):544-547(in Chinese).

［10］KUANG C F，F(xiàn)ENGQ B，LIU B.Study on background light influences on four-quadrant detector［J］.Laser ＆ Infrared，2004，34(6):493-495(in Chinese).

［11］LISW，ZHANG JL，HAO J，et al.Elimination of the interference of bias light for laserwarning systems［J］.Laser Technology，2012，36(5):642-644(in Chinese).

［12］HAN C，BAIB X，YANG H M，et al.Study four-quadrant detector in the free space laser communication［J］.Chinese Journal of Lasers，2009，36(8):2030-2034(in Chinese).

［13］JIA Q L.New-style shell hit the targets.［EB/OL］.(2012-11-06).http://news.xinhuanet.com/mil/2012-11/06/c_123919 630_2.htm(in Chinese).