張　鑫，杜智遠(yuǎn)，喬彥峰，劉　慧，白　楊，朱明超，劉立剛，賈宏光

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033;

2.中國人民解放軍92493部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001；

3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

?

全捷聯(lián)激光半主動導(dǎo)引頭線性視場研究

張鑫1,3*，杜智遠(yuǎn)2，喬彥峰1，劉慧1，白楊1，朱明超1，劉立剛1，賈宏光1

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033;

2.中國人民解放軍92493部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001；

3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

摘要：針對全捷聯(lián)半主動導(dǎo)引頭大線性視場的要求，分析了四象限光電系統(tǒng)線性視場與目標(biāo)距離的關(guān)系。首先根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算不同能見度、不同目標(biāo)反射率下的目標(biāo)距離與導(dǎo)引頭接收光功率關(guān)系；通過建立光學(xué)系統(tǒng)的仿真模型，利用光線追跡方法獲得不同視場對應(yīng)的探測器光敏面光斑功率分布；最后結(jié)合探測器靈敏度閾值，得到線性視場與接收激光功率的關(guān)系：隨著目標(biāo)距離減小，線性視場從0°增大到光學(xué)設(shè)計(jì)理論值。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，線性視場隨著接收功率增大，從0°增大到±9°，與理論分析一致。因此，全捷聯(lián)半主動激光制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮導(dǎo)引頭線性視場變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞:捷聯(lián)導(dǎo)引頭；激光半主動；四象限探測器；線性視場

Study on linear field of strapdown semi-active laser seeker

ZHANG Xin1,3*, DU Zhi-yuan2, QIAO Yan-feng1, LIU Hui1, BAI Yang1,

ZHU Ming-chao1, LIU Li-gang1, JIA Hong-guang1

1引言

捷聯(lián)導(dǎo)引頭包括半捷聯(lián)結(jié)構(gòu)和全捷聯(lián)結(jié)構(gòu)，半捷聯(lián)結(jié)構(gòu)與常規(guī)框架結(jié)構(gòu)相比，由于不需要速率陀螺，在成本、體積和質(zhì)量方面具有較大優(yōu)勢，近年來已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，而全捷聯(lián)結(jié)構(gòu)在半捷聯(lián)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，又省去了萬向節(jié)、角位置驅(qū)動器和傳感器，沒有任何活動部件，成本、體積和質(zhì)量方面進(jìn)一步減小，在導(dǎo)引制導(dǎo)領(lǐng)域有著重大的研究潛力和應(yīng)用價(jià)值[1-2]。激光半主動制導(dǎo)作為技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、精度極高的一種制導(dǎo)方法，將其應(yīng)用到全捷聯(lián)制導(dǎo)技術(shù)中已經(jīng)成為國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)[3-4]。美國埃爾比特公司推出了大視場全捷聯(lián)激光半主動導(dǎo)引頭[5]，美國空軍學(xué)院也在積極研發(fā)低成本高性能全捷聯(lián)大視場激光半主動導(dǎo)引頭[6]。全捷聯(lián)導(dǎo)引頭沒有萬向節(jié)框架，光學(xué)系統(tǒng)視場即為導(dǎo)引頭最大視場范圍，所以要求光學(xué)系統(tǒng)具有大視場，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對大視場激光四象限光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了研究[7-9]，目前國內(nèi)已經(jīng)公開報(bào)道的最大接收視場能夠做到±15°，但是最大線性視場僅為±6°[10]。美國洛馬公司應(yīng)用光學(xué)彌散和二元光學(xué)技術(shù)成功研制了±15°大視場激光導(dǎo)引頭[11]，但是并未深入討論視場線性區(qū)與非線性區(qū)關(guān)系，而線性視場范圍對于制導(dǎo)控制策略和打擊精度都極為重要[12]。事實(shí)上，當(dāng)目標(biāo)光斑離軸視場較大時(shí)，由于目標(biāo)較遠(yuǎn)或者天氣等不利因素影響，探測器的某一個(gè)或者兩個(gè)象限接收的激光功率過低，導(dǎo)致無法正確獲得目標(biāo)方位，而當(dāng)導(dǎo)彈接近目標(biāo)時(shí)，接收到的激光功率增大，又能夠正確獲得目標(biāo)方位，此種情況下，導(dǎo)引頭視場的線性區(qū)是隨距離等條件變化的，深入研究導(dǎo)引頭視場的線性區(qū)變化規(guī)律，能夠有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)導(dǎo)彈制導(dǎo)控制策略。

本文利用Lighttools光學(xué)軟件建立一種大線性視場導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)光線追跡模型，分析不同視場下四象限探測器(QD)光敏面上的光斑功率分布，研究了導(dǎo)引頭線性視場與接收激光功率之間的關(guān)系，得出了導(dǎo)引頭線性視場隨著目標(biāo)距離的減小而增大的結(jié)論，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)論。

2四象限探測器接收功率

2.1　探測器接收功率

激光半主動導(dǎo)引頭四象限探測器光敏面接收功率為[13]

(1)

式中：D為光學(xué)系統(tǒng)孔徑，RM為目標(biāo)距離，PL為激光照射器峰值功率，ρT為目標(biāo)反射率，TR為光學(xué)系統(tǒng)透過率，TA為大氣透過率，cosθ為目標(biāo)表面法線與激光接收方向夾角。

實(shí)際應(yīng)用中，激光照射器和導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)都是確定的，目標(biāo)表面法線與激光接收方向夾角取決于彈道特性，這里只分析兩種典型天氣條件下和兩種不同目標(biāo)反射率條件下，四象限探測器光敏面接收功率隨著目標(biāo)距離的變化情況。光學(xué)系統(tǒng)孔徑為25 mm，典型激光照射器照射下，計(jì)算結(jié)果如圖1中曲線所示，方形曲線表示能見度20 km、目標(biāo)反射率0.4條件下接收功率隨目標(biāo)距離的變化關(guān)系；圓形曲線表示能見度8 km、目標(biāo)反射率0.4條件下接收功率隨目標(biāo)距離的變化關(guān)系；正三角形曲線表示能見度20 km、目標(biāo)反射率0.1條件下接收功率隨目標(biāo)距離的變化關(guān)系；倒三角形曲線表示能見度8 km、目標(biāo)反射率0.1條件下接收功率隨目標(biāo)距離的變化關(guān)系。隨著目標(biāo)距離減小，探測器接收功率迅速增大。

圖1　四象限探測器光敏面接收功率與目標(biāo)距離關(guān)系 Fig.1　Relationship between QD received power and target distance

2.2　探測器光敏面功率分布

四象限探測器光敏面由4個(gè)面積相等的90°扇形光敏面組成，如圖2白色大圓區(qū)域所示，灰色小圓區(qū)域表示激光光斑。光斑同時(shí)覆蓋4個(gè)光敏面區(qū)域且無溢出，可準(zhǔn)確計(jì)算出光斑中心位置，光斑此時(shí)所處區(qū)域稱為光敏面線性區(qū)，對應(yīng)的光學(xué)接收視場稱為線性視場。光斑中心計(jì)算要求每個(gè)區(qū)域的接收功率都要大于靈敏度閾值功率，需要分析光敏面上的光斑分布，由于光敏面和光斑的圓對稱性，只分析光敏面1/8扇形區(qū)域光斑分布即可，選擇圖2中0°方向和45°方向之間的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，光斑偏離中心位置時(shí)，第三象限光敏面的光斑面積最小，且光斑中心偏離同樣距離時(shí)，向0°方向偏離時(shí)第三象限光敏面的光斑面積相對最大，向45°方向偏離時(shí)第三象限光敏面的光斑面積相對最小，所以只需分析0°方向和45°方向的光斑偏離，其他方向?qū)?yīng)的某象限最小光斑面積在二者之間。

圖2　四象限探測器上的光斑 Fig.2　Light spot on the QD

由于實(shí)際設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)有像差存在，光斑不均勻且光斑形狀也隨位置變化，需要通過光學(xué)建模，采用光線追跡方法分析光斑在光敏面上的功率分布。圖3為Lighttools 光學(xué)軟件中導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)模型，光學(xué)系統(tǒng)從左至右依次為頭罩、窄帶濾光片、透鏡組、探測器窗口和探測器光敏面。

圖3　光學(xué)系統(tǒng)仿真 Fig.3　Simulation of the optical system

采用蒙特卡洛法追跡1 000萬條光線，隨機(jī)誤差小于1%，在0°方向和45°方向分別從0°視場間隔1°依次分析到12.5°視場，圖4(a)為0°視場光斑功率分布，圖4(b)為0°方向12.5°視場光斑功率分布，圖4(c)為45°方向12.5°視場光斑功率分布。

圖4　不同方向、不同視場光斑功率分布情況 Fig.4　Spots power distribution for different directions and fields

從圖4中可以看出，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)光斑并不是理想均勻的，而且當(dāng)視場較大時(shí)，光斑呈橢圓分布，所以光斑在4個(gè)象限光敏面的功率分布必須通過光學(xué)仿真分析，對光敏面接收的光斑進(jìn)行功率歸一化計(jì)算，分別得出第三象限光敏面在0°方向和45°方向接收的光功率百分比與視場的關(guān)系，如圖5中曲線所示，可以看出，第三象限即最小光斑面積象限接收功率百分比隨視場增大近似呈線性減小，0°方向減小最慢，12.5°時(shí)第三象限功率所占百分比為4.5%，45°方向減小最快， 12.5°時(shí)第三象限功率所占百分比為2.2%。

圖5　不同視場下最小光斑面積象限接收功率的百分比 Fig.5　Percentage of received minimum power on QD

2.3　探測器閾值靈敏度

探測器噪聲[14-15]由光敏面噪聲和放大器噪聲組成，其中光敏面噪聲包括散粒噪聲和通道電阻熱噪聲，放大器噪聲包括反饋電阻熱噪聲和跨阻放大器電流噪聲。各項(xiàng)噪聲都是相互獨(dú)立的隨機(jī)噪聲，總噪聲等于各項(xiàng)噪聲平方和的方根。根據(jù)探測器光敏面參數(shù)和放大器參數(shù)，計(jì)算得到探測器噪聲的理論值為42 nA。

閾值信噪比由導(dǎo)引頭探測概率和虛警率決定，本系統(tǒng)要求探測概率大于98%，虛警率小于10%，計(jì)算得到閾值信噪比為6.3。

探測器閾值靈敏度等于探測器噪聲乘以閾值信噪比，探測器閾值靈敏度為264 nA，探測器光敏面光電響應(yīng)率為0.4 A/W，計(jì)算得到探測閾值靈敏度功率理論值為0.66 μW。

3導(dǎo)引頭線性視場與作用距離關(guān)系

圖6　不同能見度、不同目標(biāo)反射率對應(yīng)的線性視場 Fig.6　Linear field for different visibility and target reflectivity

通過上一節(jié)分析，可計(jì)算出最小光斑功率象限在不同目標(biāo)距離、不同視場條件下的接收功率，此功率值若大于閾值靈敏度功率，則可準(zhǔn)確計(jì)算出光斑中心位置，即光斑落在光敏面的線性區(qū)內(nèi)，若此功率值小于閾值靈敏度功率，則光斑落在光敏面的線性區(qū)外，所以光敏面線性區(qū)范圍與目標(biāo)距離相關(guān)，且目標(biāo)距離越小，光敏面線性區(qū)越大。本系統(tǒng)的探測閾值靈敏度功率理論值為0.66 μW，得出光敏面的線性區(qū)范圍，圖6中(a)、(b)、(c)、(d)分別表示能見度20 km和目標(biāo)反射率0.4、能見度8 km和目標(biāo)反射率0.4、能見度20 km和目標(biāo)反射率0.1、能見度8 km和目標(biāo)反射率0.1條件下接收系統(tǒng)線性視場與目標(biāo)距離關(guān)系，且不同方向的線性視場不同，方塊曲線表示探測器0°方向，圓圈曲線表示探測器45°方向，探測器其他方向的線性區(qū)落在這兩條曲線之間。

從圖中可以看出，能見度20 km和目標(biāo)反射率0.4條件下，導(dǎo)引頭在彈目距3 km時(shí)，線性視場為±7°~±8°，彈目距1.6 km時(shí)，線性視場達(dá)到光學(xué)設(shè)計(jì)值±12.5°；能見度8 km和目標(biāo)反射率0.4條件下，導(dǎo)引頭在彈目距2.8 km，線性視場為±0.1°~±0.5°，彈目距1 km時(shí)，線性視場達(dá)到光學(xué)設(shè)計(jì)值±12.5°；能見度20 km和目標(biāo)反射率0.1條件下，導(dǎo)引頭在彈目距2.4 km時(shí)，線性視場為±0.1°~±0.5°，彈目距0.7 km時(shí)，線性視場達(dá)到光學(xué)設(shè)計(jì)值±12.5°；能見度8 km和目標(biāo)反射率0.1條件下，導(dǎo)引頭在彈目距1.7 km時(shí)，線性視場為±0.1°~±2.2°，彈目距0.7 km時(shí)，線性視場達(dá)到光學(xué)設(shè)計(jì)值±12.5°。

導(dǎo)引頭線性視場隨著目標(biāo)距離的減小而增大，視場上限是光學(xué)設(shè)計(jì)理論視場。不同大氣能見度和不同目標(biāo)反射率條件下，由于接收激光功率不同,相同距離的線性視場不同。

4實(shí)驗(yàn)與討論

測試實(shí)驗(yàn)中采用光敏面直徑為10 mm的四象限探測器，光學(xué)系統(tǒng)的理論線性視場為±10°，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖7所示。

圖7　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖 Fig.7　Principle diagram of testing system

脈沖激光器發(fā)射激光經(jīng)過可調(diào)衰減片照射在透射散射屏上，用來模擬激光散射目標(biāo)，用擋光艙罩住激光光路，防止激光雜散光干擾測試。導(dǎo)引頭安裝在10 m外的二維角度調(diào)整臺上，初始位置對準(zhǔn)透射散射屏。調(diào)解衰減片可模擬不同強(qiáng)度的激光散射目標(biāo)，調(diào)整導(dǎo)引頭角度可測量此條件下的線性視場范圍。

首先測試探測器噪聲，4個(gè)象限噪聲特性基本相同，其中一個(gè)象限的測得結(jié)果如圖9所示，噪聲電壓標(biāo)準(zhǔn)差為3.6 mV 。結(jié)合激光信號的脈沖時(shí)域特性，實(shí)測中將信號檢測閾值信噪比設(shè)為3，此信噪比在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下可以準(zhǔn)確無誤地檢測到激光信號，則4個(gè)象限閾值靈敏度電壓均為10.8 mV。

圖8　探測器噪聲電壓 Fig.8　Noise voltage of the QD

探測器接收總功率電壓在40 mV左右時(shí)，開始能夠檢測信號并提取光斑中心位置，即開始獲得線性視場。邊緣線性視場時(shí)接收光功率最小的象限接收功率約為總功率2%左右，則接收總功率達(dá)到500 mV左右時(shí)，線性視場可接近理論設(shè)計(jì)值。

線性視場實(shí)際測試結(jié)果如圖8曲線所示，橫坐標(biāo)為探測器光敏面輸出的總電壓，對應(yīng)接收到的激光總功率，縱坐標(biāo)為對應(yīng)的線性視場范圍。從圖中可以看出，線性視場范圍隨著光敏面接收到的總功率增加而增加，從0°增加到±9°，相同接收功率下，0°方向線性視場大于45°方向線性視場。實(shí)測結(jié)果與理論分析相符。

圖9　線性視場與總接收功率關(guān)系 Fig.9　Relationship between Linear field and total received power

5結(jié)論

本文研究一種大線性視場激光導(dǎo)引頭光電探測系統(tǒng)，分析了不同視場下四象限探測器光敏面上的光斑功率分布，將接收能量最少的象限接收功率與探測靈敏度閾值相比較，得出了導(dǎo)引頭線性視場隨天氣條件、目標(biāo)特性和目標(biāo)距離的變化關(guān)系，即導(dǎo)引頭線性視場隨接收功率增大而增大，導(dǎo)引頭線性視場隨著目標(biāo)距離縮小，從接近0°擴(kuò)大到接近光學(xué)理論最大視場。實(shí)驗(yàn)測試中，線性視場隨著接收功率的增加從0°增大到±9°，驗(yàn)證了該結(jié)論的正確性，可用于指導(dǎo)半主動激光制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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張　鑫(1985—)，男，吉林德惠人，助理研究員，2009年于天津大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事光學(xué)技術(shù)、激光技術(shù)方面的研究。E-mail:xin_tju@163.com

杜智遠(yuǎn)(1976—)，男，山東萊州人，碩士，主要從事光電測量與控制方面的研究。E-mail:51077993@qq.com

喬彥峰(1962—)，男，吉林長春人，研究員，博士生導(dǎo)師，1985年于東南大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光電測量與控制方面的研究。E-mail:YanFengQiao@ciomp.ac.cn

劉　慧(1983—),男,山西朔州人,副研究員，2011年于中國科學(xué)院大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事光電平臺精密伺服控制等方面的研究。E-mail:liuh6009@163.com

朱明超(1980—),男,吉林長春人,副研究員,2011年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事慣性穩(wěn)定平臺運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)與控制方面的研究。E-mail:mingchaozhu@gmail.com

劉立剛(1987—),男,吉林松原人,研究實(shí)習(xí)員,2013年于哈爾濱工程大學(xué)獲得碩士學(xué)位,主要從事光電平臺精密伺服控制方面的研究。Email:liuligang0304@163.com

賈宏光(1971—)，男，黑龍江五常人，研究員，博士生導(dǎo)師，2000年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事光機(jī)電系統(tǒng)微小型化與精確制導(dǎo)技術(shù)的研究。E-mail:jiahg@ciomp.ac.cn

(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,

ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;

2.No.92493Troop,theChinesePeople′sLiberationArmy,Huludao125001,China;

3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract:Considering the requirement on the wide linear field of the strapdown semi-active laser seeker, the relationship of linear field for four-quadrant detecting(QD) photoelectric system and target distance was analyzed. First, according to the system parameters, the relationship of target distance on different visibility, different target reflectivity and the received power for the laser seeker was calculated. Then by ray tracing method, the power distribution on quadrant detector for different field was found. Finally, the relationship of linear field and the received power was obtained. Linear field increased from zero to the theoretical value of optical design with the target distance decreasing. Experimental results indicate that linear field increases from 0° to ±9° with the received power increasing, which agrees well with the result of theoretic computation. The change law of the linear field should be considered for stapdown semi-active laser system design.

Key words:strapdown seeker;semi-active laser;four-quadrant detecting(QD);linear field

作者簡介：

*Corresponding author, E-mail:xin_tju@163.com

中圖分類號：TN29

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

doi:10.3788/CO.20150803.0415

文章編號2095-1531(2015)03-0415-07

基金項(xiàng)目：中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程國防科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目(No.YYYJ-1122)

收稿日期:2014-12-23；

修訂日期:2015-02-21