基于激光導(dǎo)引頭的四象限光電探測器檢測電路研究

匡冬權(quán)

（總裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表室，遼寧 沈陽 11000;沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159）

激光制導(dǎo)技術(shù)的研究始于上世紀(jì)六十年代，典型的激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器系統(tǒng)主要由帶激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的導(dǎo)彈（炸彈、炮彈）及發(fā)射平臺和激光目標(biāo)指示器構(gòu)成[1]。激光半主動(dòng)制導(dǎo)的基本原理是通過激光器發(fā)射經(jīng)編碼的激光信號并照射目標(biāo)，保持跟蹤照射目標(biāo)，裝在彈上的導(dǎo)引頭不斷接收目標(biāo)反射的激光信號，計(jì)算處理目標(biāo)與導(dǎo)彈的相對位置，進(jìn)而控制導(dǎo)彈飛行，直至精確命中目標(biāo)。與雷達(dá)、紅外、電視等制導(dǎo)方式相比，激光制導(dǎo)具有很高的制導(dǎo)精度和較強(qiáng)的抗干擾能力、可實(shí)現(xiàn)有限的發(fā)射后不管、能主動(dòng)導(dǎo)引攻擊、成本相對較低等優(yōu)點(diǎn)；與激光駕束和及激光指令制導(dǎo)等遙控制導(dǎo)體制相比，具有發(fā)射點(diǎn)與照射點(diǎn)配置靈活，無需全程照射目標(biāo)，射程不受限制等優(yōu)點(diǎn)。因此激光半主動(dòng)制導(dǎo)技術(shù)受到世界各先進(jìn)國家的重視。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭強(qiáng)調(diào)的就是精確打擊，而制導(dǎo)系統(tǒng)是導(dǎo)彈的大腦，導(dǎo)引頭是制導(dǎo)系統(tǒng)獲取外界信息的必要途徑，它的性能好壞直接影響到激光制導(dǎo)武器的打擊效果。通過對本課題的研究可以對半主動(dòng)激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭的組成原理有較深入的了解，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，對提高激光制導(dǎo)武器的戰(zhàn)場生存能力和打擊能力有重要意義。

選用激光半主動(dòng)制導(dǎo)體制可以使導(dǎo)彈的射程更遠(yuǎn)（達(dá)6 km以上），可以采用曲射彈道攻擊坦克較為薄弱的頂裝甲；在整個(gè)射擊過程中，只需在最后8s用激光照射器照射目標(biāo)，減少了照射器暴露的機(jī)會(huì)；在有其它照射器協(xié)助的情況下，可間接射擊。

激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器系統(tǒng)一般由彈體（如導(dǎo)彈、炸彈、炮彈等）、彈體的載體（如飛機(jī)、坦克、艦船等）和激光目標(biāo)指示器三部分組成。當(dāng)執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)時(shí)，安裝有激光照射源的載體在空中或地面向攻擊目標(biāo)發(fā)射激光束，當(dāng)安裝在導(dǎo)彈上的導(dǎo)引頭捕獲到從目標(biāo)反射回來的激光束后，就直奔目標(biāo)而去并將其摧毀。

隨著紅外煙幕、紅外誘餌彈及紅外干擾機(jī)等多種干擾手段的出現(xiàn)與發(fā)展，傳統(tǒng)的紅外尋的制導(dǎo)武器逐漸失去了原有的作戰(zhàn)威力，有時(shí)甚至根本不起作用[2]。為改變這一狀況，各國均在努力改進(jìn)制導(dǎo)武器的性能并積極探索新的制導(dǎo)方法。激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)就是由彈外的激光束照射在目標(biāo)上，并由彈上的激光尋的器利用目標(biāo)反射的激光，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤和對彈的控制，從而將彈導(dǎo)向目標(biāo)的一種精確制導(dǎo)方法，是一種十分重要且有較強(qiáng)抗干擾能力的制導(dǎo)體制，20世紀(jì)90年代發(fā)生的幾起局部戰(zhàn)爭表明，激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器已成為現(xiàn)代戰(zhàn)場的主戰(zhàn)武器之一。

1 課題背景和意義

在激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)中，激光導(dǎo)引頭經(jīng)常使用的有雙四元、單四元、三元和二元等多種形式象限探測器組件；如俄羅斯紅土地末制導(dǎo)炮彈采用雙四象限探測器。四象限探測器再配合自動(dòng)駕駛儀等動(dòng)力裝置，可以很方便可靠的完成制導(dǎo)、跟蹤任務(wù)。位于導(dǎo)引頭最前端的四象限光電探測器和自動(dòng)增益控制放大電路的電路設(shè)計(jì)是整個(gè)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是捕獲目標(biāo)、判斷目標(biāo)位置、分析目標(biāo)狀態(tài)的第一手信息的重要部分。實(shí)際工程運(yùn)用中常常把四象限光電探測器和自動(dòng)增益控制放大電路制作成帶自動(dòng)增益控制的象限光電放大器組件，封裝在同一小型的金屬殼體內(nèi)，以提高整個(gè)導(dǎo)引頭的光電探測系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。本文主要是在分析四象限光電探測器工作原理的基礎(chǔ)之上，利用單片機(jī)仿真。

2 導(dǎo)引頭的工作原理及過程

2.1 制導(dǎo)規(guī)律

所謂制導(dǎo)規(guī)律，是指在制導(dǎo)過程中，調(diào)節(jié)彈的飛行參數(shù)所遵循的某種規(guī)律。選擇的制導(dǎo)規(guī)律不同，控制的最終結(jié)果、所適應(yīng)的使用條件、要求的彈體過載及導(dǎo)引頭機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度都會(huì)不同[5]。對制導(dǎo)規(guī)律一般有如下幾個(gè)要求：（1）保證系統(tǒng)有足夠的制導(dǎo)準(zhǔn)確度；（2）導(dǎo)彈的整個(gè)飛行彈道，特別是攻擊區(qū)內(nèi)，理想彈道曲率應(yīng)盡量小，保證所需的導(dǎo)彈過載??；（3）保證飛行的穩(wěn)定性，導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)對目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化不敏感；（4）制導(dǎo)設(shè)備盡可能簡單。

在導(dǎo)彈飛行過程中，制導(dǎo)規(guī)律決定導(dǎo)彈和目標(biāo)或?qū)?、目?biāo)和指導(dǎo)站之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。一般制導(dǎo)規(guī)律有以下幾種：

（1）姿態(tài)追蹤法制導(dǎo)

在采用這種制導(dǎo)規(guī)律時(shí)，要求彈體軸線指向目標(biāo)。因此，姿態(tài)追蹤的導(dǎo)引頭所要測量的是彈軸與目標(biāo)視線的夾角，只要導(dǎo)引頭與彈體固連，其光學(xué)軸與彈體軸線一致，就能夠測量這一誤差角。

（2）速度追蹤法制導(dǎo)

它要求彈的速度向量指向目標(biāo)。這與姿態(tài)追蹤制導(dǎo)不同，速度追蹤導(dǎo)引頭測量的是彈的速度向量與目標(biāo)視線之間的夾角。為了測量這個(gè)角度，首先需要建立速度向量的測量基準(zhǔn)，在彈的飛行過程中，導(dǎo)引頭的這一測量基準(zhǔn)軸要隨彈的速度方向而變化。這通常是利用風(fēng)標(biāo)來實(shí)現(xiàn)的。速度追蹤的導(dǎo)引頭依靠萬向支架與彈體相連，并由風(fēng)標(biāo)將其軸線穩(wěn)定在彈道風(fēng)的方向，及彈的空速方向。

（3）比例導(dǎo)引制導(dǎo)

在激光制導(dǎo)導(dǎo)彈和制導(dǎo)炮彈中，比例導(dǎo)引制導(dǎo)用得最為普遍。它要求彈的橫向加速度與目標(biāo)視線角速度成正比，及彈的速度向量的旋轉(zhuǎn)角速度與視線角速度成比例。比例導(dǎo)引制導(dǎo)導(dǎo)引頭的首要任務(wù)是要跟蹤目標(biāo)并測量出目標(biāo)視線的旋轉(zhuǎn)角速度。這通常是靠螺來穩(wěn)定導(dǎo)引頭的瞄準(zhǔn)軸，并用萬向支架與導(dǎo)彈連接來實(shí)現(xiàn)的。

2.2 導(dǎo)引頭工作原理

激光制導(dǎo)武器的核心器件便是激光導(dǎo)引頭。激光導(dǎo)引頭利用目標(biāo)反射的激光,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤和控制,直至導(dǎo)彈命中目標(biāo)。

激光尋的制導(dǎo)是由彈外或彈上的激光束照射在目標(biāo)上，彈上的激光導(dǎo)引頭利用目標(biāo)反射的激光，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。導(dǎo)引頭的主要功能是：接收由激光器發(fā)射經(jīng)目標(biāo)漫反射后的激光回波信號，并獲得誤差信號；按制導(dǎo)規(guī)律測定某參量，送入控制系統(tǒng)，搜索和跟蹤目標(biāo)。為完成這兩項(xiàng)任務(wù)，導(dǎo)引頭由兩個(gè)主要部分組成：位標(biāo)器和電子艙。它屬于專業(yè)涉及面寬、系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)密集度高的光、機(jī)、電緊密結(jié)合的彈載末端精確制導(dǎo)部件。

激光制導(dǎo)炮彈的射程一般在3~20km之間。從激光照射器的性能和對抗的角度出發(fā)，它不可能在全程內(nèi)一直照射，所以必須在離目標(biāo)一定距離時(shí)導(dǎo)引頭才開始工作。因此，它屬于末端制導(dǎo)。報(bào)道表明只要這一距離大于2km,就能有效擊中目標(biāo)。

2.3 半主動(dòng)激光制導(dǎo)原理

激光制導(dǎo)，就是以激光為信息載體，把導(dǎo)彈，炮彈或炸彈引向目標(biāo)而實(shí)施精確打擊的先進(jìn)技術(shù)。精準(zhǔn)是激光制導(dǎo)武器的鮮明特點(diǎn)，由于激光的單色性好，光束的發(fā)散角小，敵方很難對制導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)施有效干擾，因而它具有了其它制導(dǎo)方式無法匹敵的優(yōu)勢。所以，當(dāng)激光制導(dǎo)武器攻擊固定或活動(dòng)目標(biāo)時(shí)，精度一般在1m以內(nèi)，命中率極高。激光制導(dǎo)武器甚至還可以從通氣孔進(jìn)入，炸毀地下目標(biāo)，令敵方防不勝防。激光制導(dǎo)與紅外，雷達(dá)，GPS等實(shí)現(xiàn)復(fù)合制導(dǎo)，則更有利于提高制導(dǎo)精度和應(yīng)付各種復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境，從而發(fā)揮全天候作戰(zhàn)的優(yōu)勢。

激光制導(dǎo)方式有半主動(dòng)尋的式，全主動(dòng)尋的式和波束式（架束式）三種。目前激光制導(dǎo)武器中大都采用半主動(dòng)激光制導(dǎo)方式，即導(dǎo)引頭（它安裝在彈上，被用來自動(dòng)跟蹤目標(biāo)并測量彈的飛行誤差）與激光照射裝置分開配置于兩地，前者隨彈飛行，后者置于彈外。激光照射器用來指示目標(biāo)，故又稱激光目標(biāo)指示器。導(dǎo)引頭通過接收目標(biāo)反射的激光照射器照射的激光或直接接收照射激光，引導(dǎo)導(dǎo)彈飛向目標(biāo)。

半主動(dòng)式激光制導(dǎo)。半主動(dòng)式激光回波制導(dǎo)系統(tǒng)的工作過程是：激光發(fā)射機(jī)作為信號源裝在地面、車船或飛機(jī)上，發(fā)射激光束為制導(dǎo)武器指示目標(biāo)，彈上的激光導(dǎo)引頭接收目標(biāo)反射的激光信號，并跟蹤目標(biāo)上出現(xiàn)的激光光斑，引導(dǎo)戰(zhàn)斗部飛向激光光斑，最終命中目標(biāo)。半主動(dòng)式回波制導(dǎo)廣泛應(yīng)用于各種武器的制導(dǎo)系統(tǒng)中，如激光制導(dǎo)炸彈、激光制導(dǎo)導(dǎo)彈、激光制導(dǎo)炮彈等，是所有制導(dǎo)武器中制導(dǎo)精度最高的。

全主動(dòng)式激光制導(dǎo)。這種制導(dǎo)方式是將激光照射器和目標(biāo)尋的器都裝在彈上，由激光照射器發(fā)射激光，目標(biāo)尋的器接收目標(biāo)反射回的激光信號，再通過彈上控制系統(tǒng)將彈體引向目標(biāo)。

波束式激光制導(dǎo)。激光波束制導(dǎo)又叫激光駕束制導(dǎo)，其工作過程是：激光照射器先捕捉并跟蹤目標(biāo)，給出目標(biāo)所在方向的角度信息，然后經(jīng)火控計(jì)算機(jī)控制彈體發(fā)射架，以最佳角度發(fā)射導(dǎo)彈，使它進(jìn)入激光波束中（進(jìn)人波束的方向要盡可能與激光束軸線的方向一致）。彈體在飛行過程中，彈上激光接收機(jī)接收到激光器直接照射到彈上的激光信號，從中處理出制導(dǎo)所需的誤差量，即彈體軸線與激光束軸線的偏離方向和大小，并將這個(gè)誤差里送入彈的控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制彈的飛行方向和姿態(tài)，始終保持彈與激光照射光束的重合，最終將戰(zhàn)斗部引導(dǎo)于目標(biāo)上。此種制導(dǎo)方式就像讓導(dǎo)彈騎在激光束上滑行一樣，所以俗稱“駕束制導(dǎo)”。

激光半主動(dòng)制導(dǎo)屬于尋的制導(dǎo)。典型的激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器系統(tǒng)主要由帶激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的導(dǎo)彈（炸彈，炮彈）及發(fā)射平臺和激光目標(biāo)指示器構(gòu)成。激光半主動(dòng)制導(dǎo)的基本原理是：用激光器發(fā)射激光束照射目標(biāo)，裝于彈體上的激光接收裝置則接收照射的激光信號或目標(biāo)反射的激光信號，算出彈體偏高照射或反射激光束的程度，不斷調(diào)整飛行軌跡，使戰(zhàn)斗部沿著照射或反射激光前進(jìn)，最終命中目標(biāo)。

3 四象限光電檢測電路

圖1 四象限光電檢測電路

本課題用了光電耦合器作為傳感器。光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等。模擬開關(guān)使用4066，相關(guān)器的參考信號是來自激光目標(biāo)指示器的同步脈沖，是值為0、1的數(shù)字量，控制模擬開關(guān)的關(guān)閉和導(dǎo)通。濾波器電阻為10K，電容為0.05uF，每路檢測電路的輸出信號基本上是直流信號，經(jīng)過后面的ADC調(diào)理電路作一定的幅度調(diào)整和電平平移后進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

光學(xué)系統(tǒng)和四象限光電探測器都放在陀螺裝置里面，四象限光電探測器裝在陀螺軸上，陀螺軸和光學(xué)系統(tǒng)的光軸重合。目標(biāo)上的激光光斑漫反射信號經(jīng)過陀螺裝置上的光學(xué)系統(tǒng)匯聚后成像在四象限光電探測器上，四象限光電探測器將激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)四個(gè)象限的信號輸出可以得到目標(biāo)像點(diǎn)的離軸誤差。探測器輸出的光電信號經(jīng)過放大和調(diào)理后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送入CPU中處理。CPU解算數(shù)字化后的光電信號可以得到目標(biāo)(激光光斑)的方位信息，并據(jù)此控制陀螺進(jìn)動(dòng)，使得陀螺軸對準(zhǔn)目標(biāo)上的激光光斑，這樣實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤。

在半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭中的四象限光電探測器相關(guān)檢測電路是至關(guān)重要的。為提高導(dǎo)引頭檢測電路的抗干擾能力，抑制噪聲干擾，設(shè)計(jì)中，使用相關(guān)檢測電路，可以大幅提高信號的信噪比。

激光目標(biāo)指示器發(fā)出的激光是脈沖編碼的。為提高導(dǎo)引頭檢測電路的抗干擾能力，導(dǎo)引頭根據(jù)激光目標(biāo)指示器的編碼同步信號來檢測激光反射光斑信號，提取出有用的激光制導(dǎo)編碼和幅度信息，抑制背景干擾。本課題中，根據(jù)信號特點(diǎn)，使用相關(guān)檢測技術(shù)可以大幅提高信號的信噪比。圖2(a)是本課題使用的相關(guān)檢測電路，前面的模擬開關(guān)是相關(guān)器，后面的RC電路是積分器。同步相關(guān)脈沖(參考信號)來自目標(biāo)指示器，是與激光目標(biāo)指示器信號形狀和周期相同、具有一定相移的信號。探測到的激光制導(dǎo)脈沖信號，Vs=Af(t-t0)Vn,參考信號fr(t)=f(t)。參考信號控制模擬開關(guān)s的開和關(guān)，經(jīng)過開關(guān)后的信號再經(jīng)過積分器濾波 (如圖3)，得到的直流信號就是激光脈沖信號的幅度，而噪聲干擾被大幅度的衰減了。圖2（b）是相關(guān)器的數(shù)學(xué)模型，模擬開關(guān)可以看作是一個(gè)乘法器，參考信號Vr是值為0和1的脈沖，經(jīng)過開關(guān)后的信號V's是輸入信號Vs和參考信號Vr的乘積

圖2 相關(guān)檢測

圖3 濾波器（積分器）

圖4 f(t)函數(shù)

用一個(gè)矩形波函數(shù)f(t)(如圖4)來表示信號Vs和Vr,

其中，V(t)是噪聲和干擾，f(t)是一個(gè)純數(shù)學(xué)函數(shù)，f(t-t0)表示信號經(jīng)過電路后有了一定的相位延遲。

將f(t)作傅立葉級數(shù)展開，得到

相關(guān)器的信號輸出信號V's=Vs·Vr=Af(t-t0)·F(t)+Vn(t)·f(t)，將（4）帶入得到:

相關(guān)器的輸出信號經(jīng)過積分器 (實(shí)際上是一個(gè)濾波器)后，交流成分被濾去，留下直流成分:

這個(gè)值與激光信號幅度A成正比。而噪聲和非直流干擾由于與參考信號Vr不相關(guān)，與Vr相乘后是交流成分，經(jīng)過濾波器后就被濾去了。

濾波器的R和C參數(shù)要選擇得當(dāng)。對于本課題來說，濾波器要盡可能的濾掉相關(guān)運(yùn)算后輸出來的交流成分;同時(shí)又要考慮系統(tǒng)的響應(yīng)，激光目標(biāo)指示器發(fā)射的激光制導(dǎo)脈沖重頻為40Hz，所以濾波器的帶寬應(yīng)該在40Hz以上，且40Hz以內(nèi)信號的相移要非常小。

4 總體設(shè)計(jì)

單片機(jī)是整個(gè)導(dǎo)引頭搜索與跟蹤控制系統(tǒng)的核心，單片機(jī)根據(jù)采集到的光電信號，判斷是否找到目標(biāo)并計(jì)算出目標(biāo)的方位坐標(biāo)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能處理數(shù)字量，而光電探測器采集到的光電信號為模擬量，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換是必需的。本課題中，采用AT89C51單片機(jī)作為控制芯片，模數(shù)轉(zhuǎn)換采用ADC0808。其中，P1口用于接收四路光電信號。

程序開始后先進(jìn)行初始化，對器件進(jìn)行設(shè)置、定義變量。變量主要用于保存模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果，計(jì)算的中間結(jié)果，一些標(biāo)志位等。器件設(shè)置主要是端口設(shè)置、ADC設(shè)置、中斷設(shè)置等。

初始化完畢后，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果判斷導(dǎo)引頭是否搜索到目標(biāo)以及目標(biāo)所在的方位。

圖5 程序主流程

程序開始后先進(jìn)行初始化，對器件進(jìn)行設(shè)置、定義變量。變量主要用于保存模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果，計(jì)算的中間結(jié)果，一些標(biāo)志位等。器件設(shè)置主要是端口設(shè)置、ADC設(shè)置、中斷設(shè)置等。

初始化完畢后，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果判斷導(dǎo)引頭是否搜索到目標(biāo)以及目標(biāo)所在的方位。

5 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)板的實(shí)驗(yàn)以及用軟件仿真得到了預(yù)期的效果。能夠完成由計(jì)算機(jī)生成場景，通過投影儀投到漫反射屏上，激光目標(biāo)指示器則發(fā)射激光制導(dǎo)脈沖，投射到漫反射屏場景中的目標(biāo)上，導(dǎo)引頭能夠捕獲和跟蹤目標(biāo)上反射的激光光斑，引導(dǎo)導(dǎo)引頭實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)指向目標(biāo)。