基于無人機(jī)載光電吊艙的半主動(dòng)激光制導(dǎo)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏志強(qiáng)，徐書文，劉 芬

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015；2. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

0 引 言

為提升半主動(dòng)激光制導(dǎo)精度，采用低成本制導(dǎo)模擬系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試非常重要[1-2]。本文給出一種基于無人機(jī)載光電吊艙的半主動(dòng)激光制導(dǎo)模擬系統(tǒng)，采用無人機(jī)模擬飛行彈體及其控制系統(tǒng)，裝載激光光斑跟蹤器的光電吊艙模擬導(dǎo)引頭，由激光目標(biāo)指示對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射，通過捕獲跟蹤激光光斑，實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)激光制導(dǎo)模擬測(cè)試及訓(xùn)練，獲得相關(guān)制導(dǎo)脫靶量數(shù)據(jù)、導(dǎo)引修正數(shù)據(jù)。該方法重復(fù)性好，對(duì)目標(biāo)及場(chǎng)地環(huán)境的要求低，效費(fèi)比高，使用方便。

1 系統(tǒng)總體簡(jiǎn)介

無人機(jī)載光電吊艙集可見光電視、紅外熱像儀以及激光光斑跟蹤器于一體，可實(shí)現(xiàn)晝夜工作。由地面或機(jī)載激光目標(biāo)指示器按照一定編碼方式向目標(biāo)發(fā)射激光光束，通過可見光電視或紅外熱像儀光學(xué)成像載荷搜索目標(biāo)，使模擬導(dǎo)引頭快速捕獲激光光斑；通過調(diào)節(jié)光電吊艙方位、俯仰角，將光斑引入激光光斑跟蹤器視場(chǎng)中心，鎖定跟蹤目標(biāo)；同時(shí)，地面操控人員根據(jù)光電吊艙反饋的方位、俯仰角、激光光斑脫靶量以及無人機(jī)飛行狀態(tài)信息，判斷無人機(jī)飛行姿態(tài)，送出修正指令，確保模擬導(dǎo)引頭始終將光斑中心控制在允許的角度偏差范圍內(nèi)，并按一定導(dǎo)引規(guī)律控制無人機(jī)飛向目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)激光制導(dǎo)模擬。為確保飛行安全，當(dāng)無人機(jī)抵近目標(biāo)上空一定距離后，結(jié)束制導(dǎo)模擬工作，操控?zé)o人機(jī)重新拉高升空，準(zhǔn)備下次模擬測(cè)試或回收無人機(jī)，結(jié)束本次飛行任務(wù)。系統(tǒng)總體示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體示意圖

2 光電吊艙設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

光電吊艙由光電轉(zhuǎn)塔、減振機(jī)構(gòu)等組成，由操控臺(tái)進(jìn)行操控。光電吊艙搭載激光光斑跟蹤器、可見光電視以及紅外熱像儀光學(xué)成像載荷，并配有主控單元、視頻跟蹤、圖像存儲(chǔ)單元以及穩(wěn)定平臺(tái)等。其組成如圖2所示。

圖2 光電吊艙組成框圖

光電吊艙通過可見光電視、紅外熱像儀等光學(xué)成像載荷可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的搜索，實(shí)時(shí)、清晰地獲取目標(biāo)的可見光或紅外圖像；激光光斑跟蹤器探測(cè)敏感激光目標(biāo)指示器照射到目標(biāo)后漫反射回來的回波信號(hào)，解算激光光斑相對(duì)四象限探測(cè)器視軸的脫靶量。

穩(wěn)定平臺(tái)基于兩框架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高精度視軸穩(wěn)定控制，保證光學(xué)成像載荷在擾動(dòng)情況下仍能保持瞄準(zhǔn)線在慣性空間的穩(wěn)定，確保目標(biāo)視頻圖像清晰穩(wěn)定。

圖像存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)紅外及可見光視頻記錄、壓縮存儲(chǔ)及文件管理、實(shí)時(shí)傳輸、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存等功能。視頻跟蹤單元實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的檢測(cè)、識(shí)別與跟蹤。

主控單元根據(jù)操控端指令，完成光電吊艙與無人機(jī)間信息交互和光電吊艙內(nèi)部各單元間的任務(wù)調(diào)度、信息傳遞等。

減振機(jī)構(gòu)可對(duì)載機(jī)的擾動(dòng)進(jìn)行抑制。操控站實(shí)現(xiàn)對(duì)光電吊艙的運(yùn)動(dòng)控制、光學(xué)載荷控制、視頻顯示、設(shè)備狀態(tài)顯示以及視頻存儲(chǔ)等功能。

3 激光光斑跟蹤器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

激光光斑跟蹤器主要由光學(xué)系統(tǒng)、APD四象限探測(cè)器、主控及電源等模塊組成。表1為激光光斑跟蹤器的技術(shù)指標(biāo)。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

激光光斑跟蹤器信號(hào)處理模塊的工作原理如圖3所示。各模塊功能如下：主控模塊實(shí)現(xiàn)控制指令接收，使系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)采樣、信號(hào)處理、角度輸出等工作任務(wù)；光學(xué)系統(tǒng)接收目標(biāo)激光回波信號(hào)并匯聚到APD四象限探測(cè)器光敏面上；APD探測(cè)器實(shí)現(xiàn)激光光斑中心探測(cè)，即實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行AD采樣，識(shí)別激光編碼并計(jì)算激光光斑與光軸的偏差角；電源模塊提供所需的二次電源。

圖3 激光光斑跟蹤器信號(hào)處理工作原理

工作原理如下：激光回波信號(hào)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)及APD探測(cè)器后，由光信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖電壓信號(hào)，經(jīng)過放大后進(jìn)入可變?cè)鲆娣糯箅娐?，?duì)4路信號(hào)一方面通過峰值保持電路對(duì)脈沖電壓信號(hào)進(jìn)行峰值保持、脈沖展寬處理并送入AD采樣電路；另一方面，對(duì)4路信號(hào)進(jìn)行和差比較整形，產(chǎn)生同步信號(hào)并送入處理器，實(shí)現(xiàn)激光編碼類型識(shí)別。處理器對(duì)AD采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、對(duì)放大器進(jìn)行增益控制，對(duì)偏置電壓電路進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)有效脈沖信號(hào)探測(cè)以及目標(biāo)偏差角計(jì)算等[3]。

激光光斑跟蹤器數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示：開機(jī)后完成自檢與初步設(shè)置，隨后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待觸發(fā)信號(hào)；加載編碼和檢測(cè)到脈沖信號(hào)都可觸發(fā)中斷信號(hào)，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理狀態(tài)。

圖4 激光光斑跟蹤器數(shù)據(jù)處理流程

和差比幅電路對(duì)APD四象限探測(cè)獲取的四路電壓信號(hào)進(jìn)行偏差角解算，原理如圖5所示。

圖5 APD四象限探測(cè)器和差測(cè)角原理

設(shè)目標(biāo)反射的光學(xué)信號(hào)在APD四象限探測(cè)器上形成半徑為r的圓形光斑，設(shè)光斑能量分布均勻，光斑中心坐標(biāo)為(x,y)。假設(shè)A，B，C，D四個(gè)象限接收到的目標(biāo)信號(hào)電壓分別為UA，UB，UC，UD，ku為比例因子，取決于光學(xué)系統(tǒng)的焦距、光斑半徑、能量分布以及四象限探測(cè)半徑等。忽略探測(cè)器象限間隔所引起光斑損失，則和差電路輸出的目標(biāo)偏差角可表示為[4-6]

將該值轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定平臺(tái)方位、俯仰方向的伺服指令，即可將激光光斑中心始終與光軸保持在一定的角度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。這里，只有光斑在四象限中心一定區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)才能輸出目標(biāo)指向角的量化值。超出這一區(qū)域，只能輸出目標(biāo)所在象限。能輸出目標(biāo)指向角的區(qū)域?yàn)榫€性區(qū)，只能輸出目標(biāo)所在象限的區(qū)域?yàn)樗阉鲄^(qū)。本文激光光斑跟蹤器的搜索區(qū)為±6°，線性區(qū)為±1°。

激光光斑跟蹤器具備對(duì)精確頻率碼、變間隔碼、偽隨機(jī)碼及其他自定義碼型的解碼識(shí)別能力。識(shí)別解碼流程如圖6所示。

圖6 激光解碼流程

4 測(cè)試與驗(yàn)證

將光電吊艙置于一定高度，模擬巡飛中的無人機(jī)載體及導(dǎo)引頭。激光目標(biāo)指示器以20 Hz基頻對(duì)模擬車輛目標(biāo)按給定編碼方式進(jìn)行照射。

設(shè)激光目標(biāo)指示器光束發(fā)散角為0.5 mrad，1 km外目標(biāo)上形成的激光光斑直徑約為0.5 m。通過光電吊艙可見光電視對(duì)指定目標(biāo)進(jìn)行搜索，以便光斑快速進(jìn)入激光光斑跟蹤器的搜索區(qū)、線性區(qū)，使其快速敏感到激光光斑中心。通過調(diào)整光電吊艙方位和俯仰角，逐漸減少跟蹤誤差。進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤后，模擬導(dǎo)引頭對(duì)光斑跟蹤精度在0.3 mrad以內(nèi)，工作穩(wěn)定可靠，滿足實(shí)際需要。

5 結(jié) 語

半主動(dòng)激光制導(dǎo)模擬系統(tǒng)可應(yīng)用于模擬訓(xùn)練，獲取測(cè)試數(shù)據(jù)。本文提出了一種低成本半主動(dòng)激光制導(dǎo)模擬系統(tǒng)方案，介紹了模擬系統(tǒng)光電吊艙、激光光斑跟蹤器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，通過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。