彭晶晶， 陳蕙心， 黃紅云， 賀煒煒

(上海無線電設(shè)備研究所， 上海 200090)

0 引言

激光制導(dǎo)武器以其制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)勢逐步占據(jù)了局部戰(zhàn)爭中重要的地位，受到了越來越廣泛的重視。隨著激光精確制導(dǎo)技術(shù)越來越多地應(yīng)用于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)之中，激光半主動導(dǎo)引頭的研制需求不斷提高。

如何全面真實地檢驗激光半主動導(dǎo)引頭的性能指標，是導(dǎo)引頭研制生產(chǎn)過程中面臨的重要問題。外場實驗利用實體目標模擬的方式耗資巨大，而激光目標模擬器可為激光半主動導(dǎo)引頭提供激光編碼回波信號，用以探測導(dǎo)引頭的靈敏度、編碼識別、跟蹤角速度及動態(tài)輸入輸出特性等性能指標，并對導(dǎo)引頭總體性能參數(shù)做出科學(xué)評價。

通過總結(jié)激光半主動導(dǎo)引頭研發(fā)過程中遇到的測試需求，本文提出了一套可調(diào)式激光目標模擬信號源的設(shè)計方法，通過調(diào)節(jié)其輸出能量值和光斑的大小來為導(dǎo)引頭提供制導(dǎo)信息源，力求滿足導(dǎo)引頭調(diào)試、測試、半實物仿真時對模擬信號源的需求。

1 激光半主動導(dǎo)引頭測試系統(tǒng)

激光半主動導(dǎo)引頭測試時，將導(dǎo)引頭安裝在轉(zhuǎn)臺固定基座上，激光目標模擬器的出光口安裝在轉(zhuǎn)臺支架上，確保導(dǎo)引頭的光軸中心與激光目標模擬器出光口中心保持一致，如圖1所示。

激光目標模擬器發(fā)出的平行光束與導(dǎo)引頭光軸之間的夾角即為導(dǎo)引頭光軸與彈目視線之間的夾角。測控中心通過轉(zhuǎn)臺控制器控制轉(zhuǎn)臺支架轉(zhuǎn)動，帶動激光目標模擬器相對導(dǎo)引頭的視線角運動，來模擬彈目視線與導(dǎo)引頭測量軸線的空間相對方位關(guān)系[1]，完成導(dǎo)引頭瞬時視場、跟蹤范圍、跟蹤速度等各項指標的測試。通過控制激光目標模擬器出光能量的大小，可實時實戰(zhàn)過程中導(dǎo)引頭接收到的激光能量大小，驗證導(dǎo)引頭的靈敏度、動態(tài)范圍以及動態(tài)仿真功能。通過設(shè)置激光目標模擬器出光周期以及編碼方式，驗證導(dǎo)引頭精確編碼跟蹤功能。通過設(shè)置激光目標模擬器出光波門信號，驗證導(dǎo)引頭的波門控制功能。

激光目標模擬器也可用到半實物仿真系統(tǒng)中，結(jié)合三軸轉(zhuǎn)臺控制器模擬實際飛行環(huán)境，完成對激光導(dǎo)彈制導(dǎo)精度驗證。

2 激光目標模擬器功能及組成

激光目標模擬器作為激光半主動導(dǎo)引頭調(diào)試、測試及半實物仿真時的重要測試儀器，其主要功能是產(chǎn)生激光半主動導(dǎo)引頭測試、仿真過程中與光學(xué)接收機相關(guān)的各種測試輸入信號，可以輸出標準模擬光脈沖信號、精確頻率編碼光脈沖信號、激光照射同步電脈沖信號等，并模擬不同峰值功率的光脈沖信號。同時，激光目標模擬器可通過RS232通訊接口與上位機通信，以完成對導(dǎo)引頭的自動化測試。

激光目標模擬器針對1 064 nm波長設(shè)計，主要由激光目標模擬系統(tǒng)、光源控制系統(tǒng)和光學(xué)準直系統(tǒng)組成，組成框圖如圖1所示。其中，激光目標模擬系統(tǒng)可提供具有一定能量和光斑大小可變的激光目標光束，光源控制系統(tǒng)控制目標通道和激光器生成彈接近過程中激光光斑尺寸和能量變化情況，光學(xué)準直系統(tǒng)可將激光光束變?yōu)槠叫泄夂筝敵?，進而為導(dǎo)引頭提供遠距離且真實的激光回波信號[2]。

3 激光目標模擬器關(guān)鍵模塊設(shè)計

在激光目標模擬器的設(shè)計過程中，比較關(guān)鍵的是激光脈沖信號的產(chǎn)生、激光信號功率的調(diào)整、激光信號的擴束功能以及光源的工作管理。

(1) 激光脈沖信號發(fā)生模塊

激光脈沖信號發(fā)生模塊采用激光二極管設(shè)計1 064 nm半導(dǎo)體光源驅(qū)動電路產(chǎn)生標準1 064 nm波長脈沖光源信號，激光二極管是一種高功率密度并具有極高量子效率的器件，輸出激光功率強弱由注入電流的大小決定，通過儲能電容器對激光二極管快速放電控制激光脈寬寬度，同時通過對放電電流采樣反饋控制儲能電容的儲能電壓，從而達到穩(wěn)定輸出驅(qū)動電流的效果。同時，激光二極管管殼內(nèi)集成半導(dǎo)體熱電致冷器，通過光源控制模塊控制外部溫控電路，保證激光二極管輸出的波長和功率穩(wěn)定。

(2) 激光信號功率調(diào)整模塊

激光模擬器模擬的是激光導(dǎo)引頭接收的激光目標回波信號，因此需要了解實戰(zhàn)過程中回波信號情況。在激光制導(dǎo)武器的整個工作過程中,激光在大氣中傳輸?shù)墓饴穲D如圖3所示[1]。

導(dǎo)引頭探測到的激光回波信號能量與激光目標指示器發(fā)出的激光能量關(guān)系如式(1)所示。

(1)

式中：Pr為導(dǎo)引頭探測到的目標回波信號的能量；Pt為激光目標指示器發(fā)射的激光能量;ηr為導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)透射率;ρ為地面目標的漫反射系數(shù);Ar為導(dǎo)引頭接收孔徑的面積;θ為激光回波信號與目標表面法線間的夾角;Rr為導(dǎo)引頭與目標之間的距離；Rt為激光器與目標的距離，exp[-jγ(λ)(Rt+Rr)]為對應(yīng)波長的雙程透過率；γ(λ)為對應(yīng)λ波長的大氣消光系數(shù)[3]。

根據(jù)式(1)，在一定的作戰(zhàn)模式下，Pt、ρ、Ar的值都是確定的，而γ(λ)的值受氣象條件、能見度、飛行距離、海拔高度等因素影響[3]。大氣消光系數(shù)γ(λ)與散射系數(shù)σ和吸收系數(shù)κ的關(guān)系為

γ(λ)=σ+κ

(2)

根據(jù)激光導(dǎo)引頭的盲距設(shè)計要求，由式(1)和式(2)計算出激光導(dǎo)引頭的盲距處的接收功率，將大于導(dǎo)引頭在盲距處的接收功率為激光目標模擬源最強輸出功率，用以測試導(dǎo)引頭的飽和功率。激光信號功率調(diào)整模塊通過多級光學(xué)衰減器驅(qū)動電路為光學(xué)衰減器提供一定功率的電信號來控制輸出功率衰減值，使輸出功率動態(tài)范圍不小于60 dB，高精度電壓控制電路以及大電流驅(qū)動電路，確保光學(xué)衰減器的衰減控制精度和衰減范圍，以測試導(dǎo)引頭的靈敏度和動態(tài)范圍。

導(dǎo)引頭隨著彈目距離的拉近，接收到的回波能量呈指數(shù)型的增長。通過大量打靶試驗的數(shù)據(jù)可以得到多個數(shù)據(jù)模型作為激光目標模擬器的仿真模型輸入，以測試導(dǎo)引頭的動態(tài)仿真性能。同時，為滿足多種導(dǎo)引頭的測試需求，激光目標模擬源最強輸出功率可在一定范圍內(nèi)控制改變。

(3) 可變光學(xué)擴束系統(tǒng)

光學(xué)擴束系統(tǒng)主要功能是將激光光束轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄馔渡渲料到y(tǒng)出光處，使之與被測光學(xué)系統(tǒng)相耦合，從而使被測系統(tǒng)觀察到等效于無窮遠處清晰均勻的目標圖像。

激光目標模擬器中，模擬光源輸出的1 064 nm激光信號經(jīng)光纖將輸出到光學(xué)準直擴束鏡頭，將激光光斑擴大成直徑不小于激光半主動導(dǎo)引頭接收光學(xué)鏡頭直徑的平行光。

同時，通過步進電機改變焦距，使輸出激光光束的直徑可根據(jù)測試導(dǎo)引頭接收口徑的大小在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

(4) 光源控制模塊

激光目標模擬器具有多種工作模式，按導(dǎo)引頭作戰(zhàn)模式可分為機照模式、地照模式；按照導(dǎo)引頭測試需求可分測試模式和仿真模式。測試模式時，激光目標模擬器輸出的光脈沖信號功率周期等參數(shù)可通過控制接口設(shè)定；仿真模式時，激光目標模擬器根據(jù)選擇的仿真曲線自動輸出時間-功率變化曲線接近實際飛行狀態(tài)光脈沖信號；機照模式時，激光目標模擬器輸出時序嚴格控制的激光發(fā)射同步信號，可以對導(dǎo)引頭進行更全面地模擬測試。以上功能均通過光源控制模塊完成。

控制電路采用TI公司高性價比DSP芯片TMS320F2812結(jié)合外圍電路完成光源溫度控制、光衰減器控制、信號編碼控制、同步信號控制功能。TMS320F2812芯片含SARAM存儲器18 K，片內(nèi)flash存儲器128 K，運行速度最高可達160 MIPS，同時包含SCI串行通信接口，可實現(xiàn)與上位機的串口通訊。

(5) 激光目標模擬器硬件組成

激光目標模擬器的硬件電路主要包括激光二極管、光源驅(qū)動電路、可調(diào)光學(xué)衰減器、光衰驅(qū)動電路、光學(xué)擴束控制電路、同步信號產(chǎn)生電路、光源控制電路、光學(xué)擴束準直鏡頭等，硬件組成示意圖如圖4所示。

(6) 激光目標模擬器軟件

依據(jù)激光半主動導(dǎo)引頭的測試時序，確定激光目標模擬器的工作流程，并進行軟件開發(fā)工作。激光目標模擬器上電系統(tǒng)檢查后，接收上位機的串口指令進行相應(yīng)的處理，輸出相應(yīng)的激光脈沖信號。

激光目標模擬器的軟件包括控制軟件和通訊軟件。通訊軟件通過Labview軟件開發(fā)，裝在工控機中實現(xiàn)對激光目標模擬器的遠程控制?？刂栖浖贒SP數(shù)據(jù)處理技術(shù)，采用C語言開發(fā)，主要負責(zé)從接收的串口指令中提取工作模式等參數(shù)設(shè)置信息，并控制程序測試流程，向硬件層發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，并將測試結(jié)果傳送到通訊軟件，控制軟件流程圖如圖5所示。

4 實際應(yīng)用

依據(jù)此設(shè)計方案開展激光目標模擬器的研制，并通過了實驗驗證，輸出功率周期等指標滿足設(shè)計要求，已應(yīng)用到多個激光半主動導(dǎo)引頭研制生產(chǎn)中，圖6、圖7為激光半主動導(dǎo)引頭測試仿真與實際靶試過程中接收能量對比圖。

圖6為激光半主動導(dǎo)引頭測試仿真過程中接收目標能量示意圖，橫坐標為仿真時間，縱坐標為接收能量歸一化值。

圖7為激光半主動導(dǎo)引頭實際彈道試驗過程中接收目標能量示意圖，橫坐標為時間，縱坐標為接收能量歸一化值。

由圖可見，使用激光目標模擬器仿真的導(dǎo)引頭接收能量圖與真實靶試時導(dǎo)引頭接收能量圖變化趨勢相似。因此，該激光目標模擬器實際試驗與設(shè)計相符，可滿足激光半主動導(dǎo)引頭的動態(tài)仿真測試要求。

5 結(jié)論

本文闡述了激光目標模擬器的功能及原理，提出了一種通用激光目標模擬器設(shè)計技術(shù)，可以模擬真實作戰(zhàn)環(huán)境下的激光目標回波信號，更好地完成對激光導(dǎo)引頭的功能及性能驗證，可應(yīng)用于多種型號激光半主動導(dǎo)引頭的研制、測試、驗收以及仿真試驗中，提高導(dǎo)引頭的研制生產(chǎn)效率和精度，同時節(jié)約測試成本。