韓 剛，許亞娥，沈 陽，王 進，王 森

（西安北方光電科技防務(wù)有限公司 計量檢測中心，陜西 西安710043）

引言

通過近些年來的局部戰(zhàn)爭，尤其是海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭，人們清楚地看到，精確制導(dǎo)武器在戰(zhàn)爭中所起到的作用越來越重要，其擁有程度和運用能力也已經(jīng)成為衡量一個國家軍事現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志之一，它會同電子戰(zhàn)、軍事指揮自動化系統(tǒng)構(gòu)成了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的3大支柱［1］。

激光尋的制導(dǎo)武器屬于有源精確制導(dǎo)技術(shù)的一種，大致分為激光半主動尋的制導(dǎo)武器和激光主動尋的制導(dǎo)武器2大類［2］。激光半主動尋的制導(dǎo)武器是指由彈外的激光目標(biāo)指示器與彈上的激光尋的器（也叫激光導(dǎo)引頭）2部分組成，是目前世界各國應(yīng)用較廣的一種制導(dǎo)模式，尤以美國的“銅斑蛇”和前蘇聯(lián)的“紅土地”最具代表性［3］。

在現(xiàn)實生產(chǎn)和科研過程中，建立調(diào)試產(chǎn)品的仿真模擬系統(tǒng)，即模擬產(chǎn)品在野外作戰(zhàn)的實際環(huán)境：如彈體飛行的姿態(tài)、大氣環(huán)境（陰天、晴天、雨霧、地物雜波等）等背景對產(chǎn)品性能干擾的影響是必要的，而激光指示器作為整個制導(dǎo)過程中（從搜索發(fā)現(xiàn)、鎖定目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)到擊中目標(biāo)全過程）重要的組成部分［2］，其仿真系統(tǒng)的研制與調(diào)校顯得尤為重要。文中則主要介紹激光半主動尋的制導(dǎo)武器，并以激光半主動尋的制導(dǎo)炮彈為例，在總結(jié)實際工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地利用激光散斑技術(shù)就如何正確調(diào)校激光半主動尋的制導(dǎo)武器仿真系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)進行了研究和分析。

1 散斑技術(shù)

1.1 散斑的形成原理

當(dāng)一束激光射到物體的粗糙表面（例如鋁板或者鋼板等）上時，在粗糙表面前的空間將布滿明暗相間的亮斑與暗斑；若再放置一張紙屏于粗糙表面前，會更明顯地看到這一現(xiàn)象，這些亮斑與暗斑的分布是雜亂的，故稱散斑（speckle）。不論將紙屏放置于遠(yuǎn)處或者近處，都可以看到這一現(xiàn)象，這表明粗糙表面前的整個空間都布滿著散斑，僅在紙屏靠近粗糙表面時，散斑較小，遠(yuǎn)離粗糙表面時，散斑較大。若所用的是光滑表面，則入射光線被該表面反射時，不能形成散射，所以在紙屏上將看不到散斑。若所用的雖然是粗糙的表面，但是入射的不是激光，而是白光或者鈉光，這時雖然發(fā)生散射光，但是由于光線并不發(fā)生相干，如圖1所示。會聚到P點的各散射光不發(fā)生干涉，即不會形成亮斑與暗斑。上述現(xiàn)象可以看出，要形成散斑必須具有2個條件：1）必須有能發(fā)生散射光的粗糙表面。為了使散射光較均勻，粗糙表面的深度必須大于入射激光的波長；2）入射光線的相干度要足夠高，例如使用激光。當(dāng)激光射到毛玻璃上時，因為符合以上2個條件，所以在毛玻璃后面的整個空間充滿著散斑［4］。

圖1 客觀散斑的形成Fig.1 Formation of objective speckle

1.2 散斑的大小

如上所述，散斑是相干光照明時，粗糙表面各個面積單元上散射光波之間干涉在空間域內(nèi)形成的顆粒狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。顆粒狀的大小，可用它的平均直徑來表示，而顆粒尺寸的嚴(yán)格定義是2個相鄰的亮斑間距離的統(tǒng)計平均值。此值由產(chǎn)生散斑的激光波長λ及粗糙表面圓形照射區(qū)域?qū)υ撋叩目讖浇莡′所決定的，即［4］：

圖2 激光散斑（斑紋）圖Fig.2 Speckle picture（striped pattern）

圖3 主觀散斑的形成Fig.3 Formation of subjective speckle

（1）式說明散斑的大小粗略的對應(yīng)于干涉條紋間隔，而后者是由形成散斑的光瞳直徑兩端的光波產(chǎn)生的。當(dāng)照明區(qū)域為圓形時，散斑亦為圓形。當(dāng)照明區(qū)域增大，那么有更多的面積元上散射的光波參加干涉，所以散斑的分布變化了，而且由于照明區(qū)域?qū)υ撋叩目讖浇莡′增大，所以散斑變小了。

上述散斑是由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的，稱為直接散斑。若經(jīng)過一個光學(xué)系統(tǒng)，在它的像平面上形成的散斑，就稱為成像散斑。因為這也是肉眼對焦于被照明的粗糙表面時所看到的散斑，所以，亦稱為主觀散斑，如圖3所示。

在圖3中，成像平面上P點的散斑直徑?jīng)Q定于光組出射光瞳對P點的孔徑角u′，即

式中NA為光組的數(shù)值孔徑［4］。

（2）式說明孔徑角較小時（即按照幾何光學(xué)成像理論，說明形成成像散斑所在光學(xué)系統(tǒng)中，正透鏡的曲率半徑較大，對于光線的匯聚能力較弱），散斑較大，反之亦然。

1.3 散斑的光強分布

以完全相干的激光照明粗糙面時，其散射的位相是無規(guī)則的分布在0～2π之間，而且都偏振在同一平面內(nèi)。在理論上可推導(dǎo)出這些散斑分布的概率密度函數(shù)［4］為

式中：P（I）dI為散斑強度在l與（l＋dl）之間的概率密度；〈I〉為散斑強度的概率平均值。

這種雜亂無章的隨機散斑圖，稱為正常散斑圖，其強度分布為負(fù)指數(shù)概率密度函數(shù)，如圖4所示。由圖4可見最可能出現(xiàn)的強度是接近于零的，即黑散斑比其他強度的散斑都要多。

圖4 散斑場強分布的概率密度函數(shù)Fig.4 Probability density function of speckle field strength distribution

綜上所述，散斑是由粗糙表面或者散射介質(zhì)的散射所形成的，所以，也可以說散斑是粗糙表面的某些信息的攜帶者。這樣，借助于散斑不僅可以研究粗糙表面的本身，而且還可以研究它的形狀與位置的變化。因此把獲得這些信息的各種實驗技術(shù)統(tǒng)稱為散斑技術(shù)。

而在激光半主動尋的制導(dǎo)武器（炮彈或炸彈等）科研或者生產(chǎn)所用的仿真模擬系統(tǒng)中，創(chuàng)新性地利用激光散斑技術(shù)，對于光學(xué)仿真系統(tǒng)進行調(diào)整和校準(zhǔn)，其原理如下［5］：

1）激光半主動尋的制導(dǎo)武器所用指示光源為單色性非常好的脈沖激光光源。

2）整個作戰(zhàn)系統(tǒng)中，彈體尋的器中的光電接收元件所接收到的光信號是由目標(biāo)表面經(jīng)過漫反射而形成的激光散斑。

3）為了提高抗干擾能力和在導(dǎo)引頭視場內(nèi)出現(xiàn)多個目標(biāo)時也能準(zhǔn)確地攻擊指定目標(biāo)，在激光目標(biāo)指示器中有編碼器，射出的是經(jīng)過編碼的激光束，經(jīng)過目標(biāo)表面反射，將含有特定編碼的激光束會聚到激光尋的器上，形成制導(dǎo)過程所需的指令，即激光在空間傳輸并作為攜帶者，間接地把目標(biāo)的某些信息輸送到信息接收與處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對目標(biāo)的搜索、跟蹤等制導(dǎo)過程。

4）彈體在整個飛行制導(dǎo)過程中，隨著彈目之間距離的變化，其相對光斑直徑和接收的激光能量也在不斷發(fā)生變化。

2 激光半主動尋的制導(dǎo)系統(tǒng)的制導(dǎo)原理

激光半主動制導(dǎo)武器系統(tǒng)由發(fā)射裝置、制導(dǎo)炮彈和激光目標(biāo)指示器等組成。彈體上的尋的器主要由光學(xué)系統(tǒng)、探測器和電子設(shè)備（微處理器）等組成。其中探測器采用四象限或者八象限（內(nèi)四象限和外四象限）陣列。

激光目標(biāo)指示器可以是地面的或機載的，但在炮彈、炸彈等發(fā)射后必須一直照射目標(biāo)。如果尋的器接收到從目標(biāo)反射的激光能量，由光學(xué)系統(tǒng)會聚到探測器上（以四象限探測器為例），形成一個近似圓形的激光光斑（激光散斑），經(jīng)信號處理（如圖5所示）可得到俯仰和偏航2個通道的誤差信號為［6］

式中IA、IB、IC、ID分別為4個象限接收到的激光功率。

圖5 四象限探測器的信號處理過程Fig.5 Signal process of four－quadrant detector

炮彈、炸彈等發(fā)射后，首先按照彈道飛行，在距離目標(biāo)3km時，彈上尋的器四象限探測器接收到激光回波編碼信號，得到尋的器光軸與彈目連線之間的角誤差，產(chǎn)生進動力矩進行小回路跟蹤控制［7］；根據(jù)導(dǎo)引頭輸出的視線角速度，形成舵控指令，實現(xiàn)比例導(dǎo)引。

3 仿真系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)分析

根據(jù)上述激光半主動制導(dǎo)系統(tǒng)，一般來講，對于激光半主動制導(dǎo)仿真系統(tǒng)，其功能實現(xiàn)必須具備以下幾點［6］：

1）控制激光光斑尺寸的大小。

2）控制激光能量受大氣影響和距離的衰減。

3）控制二維投射器和彈目相對位置。

4）通過激光調(diào)制器模擬大氣擾動引起的激光閃爍。

仿真系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如圖6所示，其中最為重要的是圖6中的4（毛玻璃）和5（光欄），由于是仿真系統(tǒng)，則毛玻璃所起的作用就是模擬激光目標(biāo)指示器指向被攻擊目標(biāo)時，由于目標(biāo)表面的不平整（粗糙表面）而產(chǎn)生漫反射，從而形成激光散斑。彈上尋的器以球形整流罩封裝于彈頭的前端，接收自目標(biāo)反射的激光，測得飛彈運動的方向與目標(biāo)視線方向的偏差，并輸出相應(yīng)的誤差信號。它包括激光接收系統(tǒng)、光電探測器和處理電路等。為方便探測目標(biāo)和減少干擾，尋的器通常有大小2種視場［8］。大視場（一般為幾十度）用于搜索目標(biāo)；小視場（一般為幾度或更?。┯糜趯δ繕?biāo)進行跟蹤。一般情況下，以平面角度時這個范圍為±30°左右，有的則達(dá)到±65°。而對于一般的激光半主動制導(dǎo)炮彈來講，其跟蹤范圍為±12°左右［9］。

當(dāng)瞄準(zhǔn)目標(biāo)后，目標(biāo)指示器發(fā)射編碼脈沖激光束來照射目標(biāo)，隨即發(fā)射激光制導(dǎo)飛彈，飛彈在飛行中由其頭部的尋的器接收來自目標(biāo)反射的激光信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、解碼、放大和運算，得到誤差信號，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)不斷修正航向，直至擊中目標(biāo)。

一般軍事目標(biāo)（戰(zhàn)車、艦船、飛機、碉堡等）對照明激光束的反射率與觀察方向有關(guān)，故通常存在一個以目標(biāo)為頂點，以照明光束方向為對稱軸的圓錐形角空域。激光制導(dǎo)的飛彈必須投入此角空域內(nèi)，尋的器才能搜索到目標(biāo)，此角空域被俗稱為“光藍(lán)”［9］。目標(biāo)表面越光滑，則“光藍(lán)”開口越小，飛彈被投入光藍(lán)越困難，而探測距離越遠(yuǎn)（因為依據(jù)幾何光學(xué)定律，對于表面越光滑的目標(biāo)，其反射回來的激光束越規(guī)則，而且激光能量損失越小，當(dāng)飛彈導(dǎo)引頭所用光電探測器相同時，其探測靈敏度也相同，則對于反射回來激光能量或功率損失小的目標(biāo)探測的距離就越遠(yuǎn)）。目標(biāo)表面若是粗糙，則情況相反。

圖6 仿真系統(tǒng)中脈沖指示激光模擬光源的光路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Optic path of pulse－indicated laser－imitated light source in simulation system

4 散斑技術(shù)在仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

以下一組圖形（圖7）中，圖7（a）為在上述光學(xué)系統(tǒng)（圖6）中準(zhǔn)值物鏡6相對于其焦點位置進行前離焦或者后離焦時，從紅外平行光管中觀察到的激光散斑的斑紋。圖7（b）為準(zhǔn)值物鏡6位于其焦點位置時，從紅外平行光管中觀察到的激光散斑匯聚為一個很亮的光點。圖7（c）為準(zhǔn)值物鏡6位于其焦點位置附近較小距離時，從紅外平行光管中觀察到的激光散射后形成的“日冕”現(xiàn)象（一般也稱為夫朗和費環(huán)）。圖7（d）為在上述光學(xué)系統(tǒng)（圖6）中去掉準(zhǔn)值物鏡6時，從紅外平行光管中觀察到的激光散斑干涉現(xiàn)象。

圖7 準(zhǔn)值物鏡相對其焦點前、后不同位置所對應(yīng)的激光散斑的斑紋Fig.7 Patterns of laser speckles on different positions in front and back of focus in collimation objective

利用上述原理對仿真系統(tǒng)激光光斑進行調(diào)試時，也可根據(jù)其制導(dǎo)全過程及尋的器大小視場的不同，將激光光源的輻射照度值劃分為大能量和小能量2種情況分別進行調(diào)試和校準(zhǔn)，即：

1）當(dāng)彈體距離攻擊目標(biāo)較遠(yuǎn)時，彈體處于目標(biāo)搜尋階段，此時尋的器處于大視場，但是在此空域中形成散斑的激光能量較小，加之大氣傳輸?shù)挠绊懀涔怆娊邮昭b置接收的激光輻照度值就?。ㄐ∧芰浚鶕?jù)主觀成像散斑的特性，此時孔徑角較大，散斑直徑較小。

2）當(dāng)彈體距離攻擊目標(biāo)較近時，彈體處于目標(biāo)鎖定跟蹤階段，此時尋的器處于小視場，在此空域中形成散斑的激光能量較大，并受大氣傳輸?shù)挠绊戄^小，其光電接收裝置接收的激光輻照度值就大（大能量），根據(jù)主觀成像散斑的特性，此時孔徑角較小，散斑直徑較大。

3）對光學(xué)仿真系統(tǒng)中不同狀態(tài)下激光散斑的直徑大小進行調(diào)試和校準(zhǔn)時，還應(yīng)考慮產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，由于考慮到尋的器接收單元的技術(shù)特性和彈體在飛行過程中的穩(wěn)定性，一般來講，在設(shè)計時，尋的器接收單元的光敏面一般處于其光學(xué)系統(tǒng)焦平面之前的位置，即前離焦。原因是：1）可以減小整個尋的器的結(jié)構(gòu)尺寸；2）避免由于在焦平面激光能量會聚太大而擊穿接收單元；3）避免由于在接收單元光敏面上光斑直徑太小而引起彈體在整個飛行過程中（搜索、跟蹤目標(biāo)的過程中）產(chǎn)生劇烈的抖動，從而影響其制導(dǎo)精度。因此用紅外變相管（紅外平行光管）對激光散斑的直徑大小進行調(diào)試和校準(zhǔn)的過程中，當(dāng)沿光軸方向移動成像透鏡時，在視場中會看到有2個滿足光斑直徑的激光散斑，一個是由于光線會聚產(chǎn)生的，一個是由于光線發(fā)散而產(chǎn)生的，根據(jù)上述分析，應(yīng)該選擇略微發(fā)散的激光散射斑紋。

5 結(jié)束語

綜上所述，在充分分析目前國內(nèi)外在激光制導(dǎo)武器方面發(fā)展的現(xiàn)狀，并以激光半主動尋的制導(dǎo)武器（炮彈、炸彈）的制導(dǎo)模式為例，針對科研生產(chǎn)過程中產(chǎn)品調(diào)試等所用仿真系統(tǒng)現(xiàn)狀研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了利用激光散斑技術(shù)對仿真系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)進行調(diào)試和校準(zhǔn)的思路。該方法快捷有效，從理論上實現(xiàn)了仿真與實際工作環(huán)境的一致性，經(jīng)過生產(chǎn)實踐和實際靶試驗證是完全可行的［10］，具有一定的現(xiàn)實意義和參考價值。

［1］ Guo Xiuhuang.Precision system guided technique［M］.Beijing：Defence Industry Publisher，1999.郭修煌.精確制導(dǎo)技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999.

［2］ Zhang Peng，Zhou Junhong.Precision system guided theroy［M］.The Electronics Industrial Publisher，2009.張鵬，周軍紅.精確制導(dǎo)原理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］ Gao Binglong.The precision makes development trend and its characteristics of leading the weapon［J］.Machine and Electric Technique，2014（02）：158－160.高炳龍.精確制導(dǎo)武器的發(fā)展趨勢及其特點［J］.機電技術(shù)，2014（02）：158－160.

［4］ J.C丹蒂.激光斑紋及有關(guān)現(xiàn)象［M］.黃樂天，譯.北京：科學(xué)出版社，1981.

［5］ Liu Xingtang.Guided missile system control analysis，design with imitate really［M］.Xian：Northwest industrial university publisher，2006.劉興堂.導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)分析、設(shè)計與仿真［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［6］ The national defense science and technology and quality department.Calculate Training Teaching Material－The Quantity Calculate［M］.Beijing：Atomic Publisher，2002.國防科工委科技與質(zhì)量司.幾何量計量［M］.北京：原子能出版社，2002.

［7］ Mu Rangxiu.Implementation of pulse peak holding circuit based on laser spot tracber［J］.Journal of Applied Optics，2013，34（6）：1047－1050.穆讓修.基于光斑跟蹤器的脈沖峰值保持電路的實現(xiàn)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2013，34（6）：1047－1050.

［8］ Zhang Wenpan，Liu Yanfang，Yin Ruiguang.Lead weapon interference effect to imitate to really evaluate a standard preliminary study to the laser precision system［J］.Infrared and Laser Engineering，2013，42（03）：900－903.張文攀，劉艷芳，殷瑞光.對激光精確制導(dǎo)武器干擾效果仿真評估標(biāo)準(zhǔn)初探［J］.紅外與激光工程，2013，42（03）：900－903.

［9］ Zhou Fengqi.Optics system guided technique general［M］.Xian：Northwest Industrial University Publisher，2002.周鳳岐.光學(xué)制導(dǎo)技術(shù)概論［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［10］Liang Wei.The precision makes to lead weapon development and its key technique［J］.Thermodynamic Power and Conductor Control，2008，33（12）：5－7；12梁微.精確制導(dǎo)武器發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.火力與指揮控制，2008，33（12）：5－7；12.