劉克儉，苗錫奎，徐晨陽(yáng)，王 燁，張軍強(qiáng),*，楊 斌，孫婷婷*

(1.中國(guó)人民公安大學(xué) 遙感中心，北京 100038；2.中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心 光電對(duì)抗測(cè)試評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 洛陽(yáng) 471000；3.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；4.長(zhǎng)光禹辰信息技術(shù)與裝備(青島)有限公司，山東 青島 266000)

1 引 言

半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器以其制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境氣候適應(yīng)能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、通用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)一直在局部戰(zhàn)爭(zhēng)中占據(jù)重要地位，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始就得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)役裝備中半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器的典型代表為[1]：美國(guó)的Paveway和俄羅斯的KAB-1500L激光制導(dǎo)炸彈；美國(guó)Hellfire、AGM-65E、法國(guó)AS-30L和俄羅斯X-25ML激光制導(dǎo)導(dǎo)彈；美國(guó)銅斑蛇、俄羅斯紅土地、以色列火球等激光制導(dǎo)炮彈；以及美國(guó)BAE公司的AKPWS-II[2]和洛克希德馬丁公司的DAGR激光制導(dǎo)火箭彈等。半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器主要由半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭、彈體、制導(dǎo)控制系統(tǒng)和目標(biāo)激光指示器等部分組成。激光照射器指向并照射目標(biāo)，導(dǎo)引頭接收目標(biāo)漫反射激光回波能量，測(cè)量出體視線角，并根據(jù)制導(dǎo)控制律計(jì)算舵偏角指令，控制彈體向目標(biāo)飛去，最終命中目標(biāo)。

檢測(cè)激光制導(dǎo)武器的精度一般可采用實(shí)彈打靶法、半實(shí)物仿真法與數(shù)值仿真法等。據(jù)美國(guó)大西洋導(dǎo)彈測(cè)試基地的統(tǒng)計(jì)，美國(guó)軍方超過(guò)90%的武器系統(tǒng)的鑒定、評(píng)估數(shù)據(jù)來(lái)自于半實(shí)物仿真的結(jié)果。通過(guò)半實(shí)物仿真能夠有效評(píng)估干擾效果，并縮短武器研發(fā)與試驗(yàn)周期，降低研發(fā)與試驗(yàn)費(fèi)用，是武器研發(fā)試驗(yàn)中一種極其有效的方法[3-5]。常用的半主動(dòng)激光制導(dǎo)回波能量模擬主要有漫反射法與注入法。漫反射法能夠較真實(shí)地模擬出激光在目標(biāo)表面的漫反射特性，但所需條件設(shè)備復(fù)雜、試驗(yàn)場(chǎng)地要求苛刻且成本較高；注入法可通過(guò)建立制導(dǎo)過(guò)程的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，利用可調(diào)衰減激光器產(chǎn)生導(dǎo)引頭接收到的激光回波信號(hào)。該方法簡(jiǎn)單便捷、成本低，適用范圍廣。

本文主要從半主動(dòng)激光制導(dǎo)系統(tǒng)工作過(guò)程中的能量傳輸鏈路出發(fā)，分析并建立激光能量傳輸衰減模型，設(shè)計(jì)注入式激光模擬器總體架構(gòu)、光纖耦合、勻光與準(zhǔn)直系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試及導(dǎo)引頭制導(dǎo)應(yīng)用驗(yàn)證。

2 激光制導(dǎo)系統(tǒng)能量傳遞過(guò)程建模

2.1 激光制導(dǎo)武器工作過(guò)程

半主動(dòng)激光制導(dǎo)系統(tǒng)主要由機(jī)載/地面激光照射器、激光傳遞散射場(chǎng)、目標(biāo)與激光導(dǎo)引頭等組成[6]，如圖1所示。半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器工作過(guò)程受多種因素影響，較為復(fù)雜。導(dǎo)引頭與激光照射器配置于兩地，激光照射器發(fā)出激光編碼脈沖。在激光光束通過(guò)大氣傳輸?shù)竭_(dá)目標(biāo)過(guò)程中會(huì)發(fā)生不同程度散射與衰減。此外，根據(jù)目標(biāo)漫反射率與照射空間角等不同，激光在目標(biāo)表面也會(huì)發(fā)生不同程度漫發(fā)射，這些漫反射激光回波再次經(jīng)過(guò)大氣傳輸后被導(dǎo)引頭接收，激光導(dǎo)引頭按預(yù)置編碼控制波門(mén)開(kāi)關(guān)，若與照射器預(yù)設(shè)編碼一致，則激光四象限探測(cè)器能探測(cè)出漫反射激光經(jīng)導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)后的能量，并根據(jù)和差法計(jì)算出光斑重心位置(即體視線角)，并將其輸出給制導(dǎo)控制系統(tǒng)完成導(dǎo)彈制導(dǎo)。

圖1 半主動(dòng)激光制導(dǎo)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of semi-active laser guidance system

2.2 激光能量傳輸建模

激光導(dǎo)引頭入瞳處的能量是機(jī)載照射器、大氣傳輸及目標(biāo)反射之間的函數(shù)，可以用式(1)表示[7-10]。

(1)

式中，Et為激光照射器的脈沖激光能量，ρ為目標(biāo)反射率，τaR1為激光照射路程R1上的大氣激光透過(guò)率，τaR2為導(dǎo)引頭與目標(biāo)之間路程R2上的大氣激光透過(guò)率，φ為照射器目標(biāo)視線與目標(biāo)表面法線的夾角，ε為導(dǎo)引頭光軸與目標(biāo)表面法線的夾角，Erd為導(dǎo)引頭入瞳處的激光能量密度。

由式(1)可知，激光能量傳輸非常復(fù)雜，受多種因素影響，大氣激光透過(guò)率除了與傳播路徑長(zhǎng)度有關(guān)，還與大氣中各成分濃度有很大關(guān)系。單程大氣斜程傳輸?shù)拇髿馔高^(guò)率為：

(2)

式中，θ是天頂角，k1是地面大氣粒子散射系數(shù)，k2是粒子散射標(biāo)高的倒數(shù)，k3是地面大氣分子散射系數(shù)，k4是分子散射標(biāo)高的倒數(shù)，它們是與大氣能見(jiàn)度、激光波長(zhǎng)有關(guān)的量。

當(dāng)激光在接近地面的大氣層中傳播時(shí)，大氣成分、密度等可認(rèn)為是均勻的，大氣透過(guò)率模型可簡(jiǎn)化為：

τR1=e-κR1.

(3)

以上為理想狀態(tài)下1.06 μm激光在大氣中的傳輸模型。而在實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境中，存在著各種煙霧、降雨、干擾煙劑等因素。這種局部透過(guò)率同樣對(duì)激光傳輸起到較大的衰減作用。

降雨?duì)顟B(tài)下，雨滴尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光波長(zhǎng)，其散射系數(shù)為降雨強(qiáng)度的函數(shù)，降雨引起的衰減系數(shù)為[11]：

βr=0.21J0.74,

(4)

此時(shí)的激光透過(guò)率為：

τr=e-βrR,

其中，R為距離，單位km；J為降雨強(qiáng)度，單位mm/h。

戰(zhàn)場(chǎng)煙劑是一種局部的人造大氣環(huán)境，它通常是不均勻且短暫的，激光束通過(guò)戰(zhàn)場(chǎng)煙劑的透過(guò)率是波長(zhǎng)和路徑長(zhǎng)度的函數(shù)：

τs=e-μCR,

(5)

式中：μ是煙劑消光系數(shù)，單位m2/g；C是煙劑濃度，單位μg/m3；R是路徑長(zhǎng)度，單位km。表1為幾種典型煙劑的消光系數(shù)。

表1 典型煙劑的消光系數(shù)

云霧對(duì)光波的傳輸也有較大衰減作用，其中卷云的透過(guò)率為：

τc=e-0.14L2,

(6)

式中，L為云的厚度，單位km。

激光能量傳輸是大氣傳輸過(guò)程與戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際作戰(zhàn)場(chǎng)景的串行復(fù)合，在半主動(dòng)激光制導(dǎo)過(guò)程能量建模與仿真中，需要分析典型作戰(zhàn)場(chǎng)景中各種傳輸環(huán)節(jié)，設(shè)置多種典型參數(shù)，再將各傳輸環(huán)節(jié)進(jìn)行串聯(lián)處理，如公式(7)所示。

τt=τrτsτc.

(7)

3 激光目標(biāo)回波能量模擬器設(shè)計(jì)

3.1 總體方案

激光能量模擬器用于模擬制導(dǎo)過(guò)程中不同大氣環(huán)境、不同距離下激光導(dǎo)引頭接收到的回波激光能量[12]，主要由激光器單元、驅(qū)動(dòng)電源單元、衰減系統(tǒng)單元、控制系統(tǒng)單元、光纖耦合系統(tǒng)、勻光系統(tǒng)和準(zhǔn)直系統(tǒng)等組成。其中，激光器具有大動(dòng)態(tài)范圍能量輸出可調(diào)功能；控制單位可以控制激光器輸出，能根據(jù)大氣環(huán)境和作用距離的變化調(diào)整能量輸出；光學(xué)耦合系統(tǒng)把激光器輸出激光耦合到光纖中；通過(guò)光纖傳輸后由勻光系統(tǒng)進(jìn)行勻光，最后又經(jīng)過(guò)平行光管進(jìn)行準(zhǔn)直，來(lái)模擬遠(yuǎn)處目標(biāo)反射能量，并將其直接輸出給激光導(dǎo)引頭。

圖2 激光能量模擬器總體方案圖Fig.2 Overall scheme diagram of laser energy simulator

3.2 激光器單元

激光器選用DPS-A激光器，為側(cè)面泵浦電光調(diào)Q式激光器，屬于主動(dòng)調(diào)Q范疇，可產(chǎn)生高峰值功率的脈沖激光，具有結(jié)構(gòu)緊湊，高能量，高峰值功率等優(yōu)勢(shì)。LD側(cè)面泵浦源工作在脈沖模式下，能發(fā)射較高的單脈沖能量，采用主動(dòng)的電光調(diào)Q方式將脈沖寬度壓縮至納秒范圍內(nèi)，并且具有可控性。驅(qū)動(dòng)電源中LD電路部分為L(zhǎng)D提供高峰值的脈沖電流，實(shí)現(xiàn)1 064 nm激光的運(yùn)轉(zhuǎn)，Q開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路用以控制調(diào)Q開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)高峰值功率的短脈沖激光，溫度控制器通過(guò)控制電路，控制發(fā)熱元件的工作溫度，確保激光穩(wěn)定輸出，同時(shí)使諧振腔在恒定溫度范圍內(nèi)，增強(qiáng)激光器的環(huán)境適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)環(huán)境下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 激光衰減系統(tǒng)

衰減系統(tǒng)由精密電動(dòng)位移臺(tái)和偏振光學(xué)元件組成，高性能偏振光學(xué)組件放置在精密光學(xué)機(jī)械夾上，如圖3所示。

輸入激光經(jīng)過(guò)第一片偏振片由部分偏振光變成偏振光，偏振光穿過(guò)半波片時(shí)，出射光仍為偏振光，只不過(guò)偏振光的振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)了一定角度(2θ)。此旋轉(zhuǎn)角的大小取決于入射光振動(dòng)平面與晶體光軸間的夾角θ。偏振光學(xué)元件使用布儒斯特角薄膜偏振器調(diào)節(jié)，通過(guò)分光元件將光束分為P光和S光，一個(gè)旋轉(zhuǎn)石英λ/2波片放置在入射偏振光束上，用來(lái)改變P光和S光的比例，從而調(diào)節(jié)輸出光束能量。這兩束光的強(qiáng)度比例可以在不改變其它參數(shù)的情況下連續(xù)變化。為不影響衰減后的輸出特性，在激光頭前端放置反射型衰減裝置，衰減后部分激光漫反射到吸收體上，圖3為衰減系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 衰減系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of internal structure of the attenuation system

3.4 光學(xué)耦合系統(tǒng)

圖4 耦合透鏡圖Fig.4 Coupled lens diagram

光學(xué)耦合系統(tǒng)主要作用為將出射激光耦合到光纖中。設(shè)計(jì)參數(shù)如下:激光光斑為6 mm，光纖芯徑為200 μm，NA數(shù)為0.39。根據(jù)耦合要求，光學(xué)系統(tǒng)光斑直徑要小于200 μm，聚焦后光學(xué)系統(tǒng)匯聚角要小于46°。設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)焦距為10 mm，光束匯聚角度為33.34°，小于46°，滿足設(shè)計(jì)要求[13-15]，設(shè)計(jì)耦合透鏡組如圖4所示，相應(yīng)的耦合透鏡點(diǎn)列圖如圖4所示，相應(yīng)的耦合透鏡點(diǎn)列圖如圖5所示。

圖5 耦合透鏡點(diǎn)列圖Fig.5 Spot diagram of coupling lens

3.5 勻光準(zhǔn)直系統(tǒng)

勻光準(zhǔn)直系統(tǒng)主要由積分球與離軸拋物面組成。由于光纖出射光束不均勻，無(wú)法進(jìn)行直接準(zhǔn)直，需要由積分球進(jìn)行勻光，再在出射口放置小孔光闌，模擬點(diǎn)光源，最后由離軸拋物面進(jìn)行準(zhǔn)直出射，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。采用離軸的勻光準(zhǔn)直方案有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一可以作為多波段目標(biāo)模擬器通用方案；二是在裝調(diào)測(cè)試階段，可以采用可見(jiàn)光波段進(jìn)行測(cè)試。

圖6 勻光準(zhǔn)直系統(tǒng)圖Fig.6 Uniform light collimation system

圖7 勻光準(zhǔn)直系統(tǒng)光路圖Fig.7 Optical path map of uniform light collimation system

積分球的內(nèi)徑為30 mm，材質(zhì)為PTFE，出口處采用小孔光闌攔光，兩者結(jié)合可以模擬點(diǎn)光源。拋面鏡是口徑為100 mm的離軸拋面反射鏡，焦距為250 mm，光路圖和點(diǎn)斑圖分別如圖7、圖8所示。

圖8 勻光準(zhǔn)直系統(tǒng)點(diǎn)斑圖Fig.8 Spot pattern of uniform light collimation system

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4.1 激光模擬器測(cè)試實(shí)驗(yàn)

依據(jù)激光能量傳遞鏈公式，按照?qǐng)D2構(gòu)建激光模擬器，如圖9所示。激光模擬器采用級(jí)聯(lián)能量控制，1號(hào)電機(jī)控制mJ級(jí)的能量變化，2號(hào)電機(jī)控制μJ級(jí)的能量變化，兩者相互配合完成能量模擬。在測(cè)試的能量值中取出幾個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行擬合，如圖10所示，可以看出能量的擬合程度很高。如果通過(guò)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)角度和時(shí)間聯(lián)系在一起可以很好地完成曲線的穩(wěn)定擬合。表2給出了能量模擬參數(shù)。

圖9 激光模擬器設(shè)計(jì)圖Fig.9 Design diagram of laser simulator

圖10 特征點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合Fig.10 Fitting curves of feature points and standard curves

表2 半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭測(cè)角結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，模擬相對(duì)誤差小于3.0%，表明該系統(tǒng)可以模擬不同距離下目標(biāo)激光回波能量。

4.2 導(dǎo)引頭標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)

將激光模擬器與五軸飛行轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)用在激光導(dǎo)引頭標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，將激光模擬器的勻光與準(zhǔn)直系統(tǒng)安裝到二軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)上，激光頭安裝于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框中，通過(guò)二軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬不同角度目標(biāo)回波，激光模擬器用以模擬不同距離目標(biāo)回波，兩者結(jié)合，可以模擬制導(dǎo)過(guò)程中任意角度任意距離目標(biāo)激光回波信號(hào)[16-18]。此系統(tǒng)可以標(biāo)定激光導(dǎo)引頭零位誤差、線性度等參數(shù)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及結(jié)果如圖11～圖13和表3所示。

圖11 激光制導(dǎo)半物理仿真系統(tǒng)Fig.11 Laser-guided semi-physical simulation system

圖12 導(dǎo)引頭標(biāo)定擬合后殘差Fig.12 Residual after seeker calibration fitting

圖13 半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭精度Fig.13 Semi-active laser seeker accuracy

表3 半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭測(cè)角結(jié)果

從圖12～圖13和表3中可以看出，所研制的半主動(dòng)激光能量模擬器可以很好地模擬目標(biāo)回波能量，對(duì)導(dǎo)引頭起到很好的標(biāo)定作用，線性角度范圍內(nèi)殘差小于0.08°，測(cè)角精度小于0.45 mrad。

4.3 末制導(dǎo)半物理仿真實(shí)驗(yàn)

圖14 半物理仿真導(dǎo)引頭實(shí)測(cè)曲線Fig.14 Measured curves of semi-physical simulation seeker

在以上試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加彈道仿真計(jì)算機(jī)、彈載計(jì)算機(jī)、電動(dòng)舵機(jī)等設(shè)備即可構(gòu)成激光末制導(dǎo)半物理仿真系統(tǒng)，彈道仿真計(jì)算機(jī)用以計(jì)算彈目距離，并根據(jù)作戰(zhàn)使用場(chǎng)景設(shè)置局部天氣狀況，計(jì)算后將結(jié)果一并輸出給激光模擬器，模擬整個(gè)制導(dǎo)系統(tǒng)的攻擊過(guò)程。圖14～圖15是某具體條件下導(dǎo)引頭實(shí)測(cè)仿真曲線及其誤差值。

圖15 導(dǎo)引頭體視線角誤差Fig.15 Angle error of body line of sight for seeker

由圖14、15可知，激光目標(biāo)模擬器能夠較好地模擬出制導(dǎo)過(guò)程中體視線角的能量變化，導(dǎo)引頭能夠精確跟蹤目標(biāo)模擬器輸出激光，體視線角跟蹤誤差均小于0.2°，滿足激光末制導(dǎo)系統(tǒng)要求。

5 結(jié) 論

本文為模擬實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下半主動(dòng)激光制導(dǎo)的目標(biāo)回波能量，設(shè)計(jì)并研制了注入式激光能量模擬系統(tǒng)。建立了激光在大氣中傳輸發(fā)生散射與衰減的模型，選用DPS-A激光器和布儒斯特角薄膜偏振器衰減激光，設(shè)計(jì)了光纖耦合與勻光準(zhǔn)直系統(tǒng)，并進(jìn)行了激光回波能量模擬實(shí)驗(yàn)、導(dǎo)引頭標(biāo)定與激光末制導(dǎo)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：激光回波能量精度小于3.0%，導(dǎo)引頭線性角度范圍內(nèi)殘差小于0.08°，測(cè)角精度小于0.45 mrad，末制導(dǎo)過(guò)程體視線角跟蹤誤差小于0.2°。該系統(tǒng)可模擬多種實(shí)戰(zhàn)環(huán)境中激光能量傳輸情況，且精度高，能夠滿足激光制導(dǎo)半物理仿真要求。