在高精度要求下的激光導(dǎo)引頭改進(jìn)設(shè)計(jì)探究

雷 欣

（西安歐亞學(xué)院，陜西西安 710065）

0 引言

由于激光的單色性好，光束的發(fā)散角小，抗自然干擾能力強(qiáng)，同時(shí)敵方很難對(duì)武器系統(tǒng)實(shí)施有效干擾，因而它具有其它制導(dǎo)體制無(wú)法匹敵的優(yōu)點(diǎn)。激光制導(dǎo)能與紅外、雷達(dá)、GPS 等結(jié)合可實(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(chǎng)環(huán)境，從而發(fā)揮了全天候作戰(zhàn)的優(yōu)勢(shì)。

由于自然界的物體發(fā)出單色性好的激光非常少見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)激光被動(dòng)制導(dǎo)幾乎是不可能的。因此，激光被動(dòng)制導(dǎo)不能被制導(dǎo)武器系統(tǒng)選用，而需要有導(dǎo)彈以外的激光照射器發(fā)射激光束照射到目標(biāo)上，利用導(dǎo)引頭接收目標(biāo)的激光反射光制導(dǎo)導(dǎo)彈，這就是激光半主動(dòng)制導(dǎo)，所需要的導(dǎo)引頭，就是激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭（以下簡(jiǎn)稱導(dǎo)引頭系統(tǒng)）。

目前激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭與激光照射器分開(kāi)配置于兩地，激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭隨導(dǎo)彈飛行，激光照射器置于彈外。另外，激光主動(dòng)制導(dǎo)是將激光照射器和導(dǎo)引頭都裝在導(dǎo)彈的頭部上，由激光照射器發(fā)射激光束照射目標(biāo)，導(dǎo)引頭接收目標(biāo)反射激光信號(hào)，再通過(guò)彈上制導(dǎo)控制系統(tǒng)將導(dǎo)彈引向目標(biāo)。這就是激光主動(dòng)制導(dǎo)。這種制導(dǎo)體制有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是導(dǎo)彈的頭部體積過(guò)大，在結(jié)構(gòu)上幾乎就是無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此激光制導(dǎo)武器，一般地，都不選擇激光主動(dòng)制導(dǎo)，而是選擇激光半主動(dòng)制導(dǎo)。

1 導(dǎo)引頭系統(tǒng)組成

1.1 導(dǎo)引頭系統(tǒng)工作表現(xiàn)

激光半主動(dòng)制導(dǎo)系統(tǒng)工作過(guò)程：激光照射器作為信號(hào)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)反射激光信號(hào)，并跟蹤目標(biāo)上出現(xiàn)的激光光斑，制導(dǎo)導(dǎo)彈飛向激光光斑（或光點(diǎn)），直至命中目標(biāo)。

激光半主動(dòng)制導(dǎo)廣泛應(yīng)用于各種制導(dǎo)武器系統(tǒng)，例如，射程2km～20km 的激光制導(dǎo)炸彈、激光制導(dǎo)炮彈、激光制導(dǎo)導(dǎo)彈以及射程小于10km 的反坦克導(dǎo)彈等。

本激光半主動(dòng)引頭系統(tǒng)擬采用外框架平臺(tái)式結(jié)構(gòu)（性能指標(biāo)高），如果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后用地面、他機(jī)的激光照射器照射目標(biāo)，目標(biāo)激光的反射光通過(guò)裝在穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)上的導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入激光探測(cè)器，激光探測(cè)器的輸出信號(hào)，送給信號(hào)處理器，其輸出與導(dǎo)引頭光軸偏離目標(biāo)線的偏差角成比例的信號(hào)，此信號(hào)通過(guò)跟蹤控制器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與目標(biāo)視線角速率成比例的信號(hào)，送給導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀，制導(dǎo)導(dǎo)彈；該信號(hào)轉(zhuǎn)換器的另一路的輸出信號(hào)送給平臺(tái)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，即導(dǎo)引頭光軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以減小導(dǎo)引頭光軸偏離目標(biāo)線的誤差角，即實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)引頭光軸對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤。

1.2 激光探測(cè)器信號(hào)的提取

現(xiàn)在的激光探測(cè)器已經(jīng)有雙四象限、單四象限、三象限和二象限等多種形式探測(cè)器組件。例如有的末制導(dǎo)炮彈采用雙四象限探測(cè)器。雙四象限探測(cè)器再配合自動(dòng)駕駛儀等動(dòng)力裝置，可以很方便、可靠的完成導(dǎo)彈制導(dǎo)任務(wù)。位于導(dǎo)引頭最前端的雙四象限探測(cè)器以及自動(dòng)增益控制，將是對(duì)捕獲目標(biāo)、判斷目標(biāo)位置、分析目標(biāo)狀態(tài)信息等的重要組成部分。

1.3 導(dǎo)引頭系統(tǒng)組成定義

導(dǎo)引頭由導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)、激光探測(cè)器、信號(hào)處理器、跟蹤控制器、信臺(tái)號(hào)轉(zhuǎn)換器組成。導(dǎo)引頭系統(tǒng)由導(dǎo)引頭、平臺(tái)系統(tǒng)組成。平臺(tái)系統(tǒng)由平及其框架、控制器、力矩電機(jī)、速率傳感器、角度傳感器等組成，見(jiàn)圖1 所示。圖中，

q —目標(biāo)視線角度；

△q —目標(biāo)視線與導(dǎo)引頭光軸的偏差角；

U —目標(biāo)視線角速度信號(hào)。

1.4 導(dǎo)引頭系統(tǒng)特點(diǎn)

a.雙四象限激光探測(cè)器

雙四象限激光探測(cè)器分外區(qū)和內(nèi)區(qū)，見(jiàn)圖1 所示。

外區(qū)為非線性區(qū)，視場(chǎng)：±18°；

內(nèi)區(qū)為線性區(qū)，視場(chǎng)：±3°；

b.由信號(hào)處理器、跟蹤補(bǔ)償器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器等所組成的目標(biāo)跟蹤器，其主要功用是實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)跟蹤；

c.平臺(tái)系統(tǒng)，主要功用是使導(dǎo)引頭穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

雙四象限激光探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)：外區(qū)為非線性區(qū)，即為開(kāi)關(guān)區(qū)（有無(wú)信號(hào)區(qū)），視場(chǎng)大，便于捕獲目標(biāo)，同時(shí)開(kāi)關(guān)區(qū)的信號(hào)量值大，能使導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)中心線快速跟蹤目標(biāo)。內(nèi)區(qū)為線性區(qū)，視場(chǎng)小，能使導(dǎo)引頭中心線慢速、穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，以便提高跟蹤精度。

激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭是集光、機(jī)、電于一體的高技術(shù)制導(dǎo)裝置，國(guó)內(nèi)外都在競(jìng)相開(kāi)展激光制導(dǎo)開(kāi)發(fā)研究，以求獲得高技術(shù)產(chǎn)品服務(wù)于制導(dǎo)武器系統(tǒng)，使得武器系統(tǒng)指標(biāo)有大幅度提升。

1.5 導(dǎo)引頭系統(tǒng)工作原理

導(dǎo)引頭系統(tǒng)由導(dǎo)引頭和平臺(tái)系統(tǒng)組成。圖1 開(kāi)關(guān)K1 置于1 的位置，平臺(tái)帶動(dòng)導(dǎo)引頭光軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使光軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，并消除光軸偏離目標(biāo)的角偏差△q；開(kāi)關(guān)K1 置于2 的位置，給平臺(tái)系統(tǒng)加搜索信號(hào)，可使平臺(tái)軸相對(duì)彈軸上下、左右轉(zhuǎn)動(dòng)到所需要的位置，以及完成對(duì)目標(biāo)的搜索。

導(dǎo)引頭要完成測(cè)量光軸偏離目標(biāo)角偏差△q，并將其變成角偏差電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理、補(bǔ)償和變換，形成控制信號(hào)U送給平臺(tái)系統(tǒng)，使平臺(tái)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以便消除角偏差角△q，即實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

2 導(dǎo)引頭系統(tǒng)參考指標(biāo)

a.雙四象限傳感器，分外區(qū)和內(nèi)區(qū)，外區(qū)為非線性區(qū)，為開(kāi)關(guān)區(qū)，內(nèi)區(qū)為線性區(qū)；

b.非線性區(qū)：±18°，線性區(qū)：±3°；

c.導(dǎo)引頭跟蹤角速度

非線性區(qū)最大跟蹤角速度：12.0°／s；

非線性區(qū)最小跟蹤角速度：6.0°／s；

線性區(qū)最大跟蹤角速度：3.0°／s；

d.導(dǎo)引頭穩(wěn)定跟蹤精度：0.05°；

e.導(dǎo)引頭框架角：±18°。

3 導(dǎo)引頭系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)引頭工作狀態(tài)

3.1.1 導(dǎo)彈發(fā)射后，導(dǎo)引頭系統(tǒng)處于機(jī)械鎖定狀態(tài)，即導(dǎo)引頭鎖定到彈軸上；

3.1.3 當(dāng)激光探測(cè)器收到激光脈沖信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理器、補(bǔ)償器和轉(zhuǎn)換器，使開(kāi)關(guān)K1 自動(dòng)置于1 的位置，由搜索狀態(tài)轉(zhuǎn)換成跟蹤狀態(tài)，導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)，直到命中目標(biāo)。

3.2 導(dǎo)引頭工作過(guò)程

3.2.1 目標(biāo)在外四象限內(nèi)（開(kāi)關(guān)通道），導(dǎo)引頭系統(tǒng)以12.0°/s 角速度跟蹤目標(biāo)，這樣一來(lái)，能使目標(biāo)的光斑快速地由外四象限進(jìn)入內(nèi)四象限（線性通道）內(nèi)；

3.2.2 目標(biāo)由外四象限向內(nèi)四象限過(guò)渡時(shí)，外四象限處于半封閉狀態(tài)。當(dāng)完全進(jìn)入線性通道的瞬間，開(kāi)關(guān)通道無(wú)信號(hào)，線性通道跟蹤角速度6.0°/s；

3.2.3 在外四象限過(guò)渡內(nèi)四象限以后，開(kāi)關(guān)區(qū)不工作，線性區(qū)工作；

3.2.4 線性通道，最大跟蹤角速度3.0°/s。

3.3 非線性區(qū)信號(hào)處理

3.3.1 和差處理和輸出信號(hào)形成

X 軸向上，為正方向；

Y 軸向右，為正方向；

A、B、C、D 代表探測(cè)器外區(qū)；

E、F、G、H 代表探測(cè)器內(nèi)區(qū)。

3.3.2 目標(biāo)光斑落到A 區(qū)

3.4 線性區(qū)信號(hào)處理

3.4.1 線性區(qū)信號(hào)

線性區(qū)，見(jiàn)圖1 的內(nèi)區(qū)（E、F、G、H），為方便起見(jiàn)，線性區(qū)的表示仍用A、B、C、D 表示。得到目標(biāo)的信號(hào)值與在激光探測(cè)器中的面積成正比。

3.4.2 信號(hào)提取

3.4.3 線性區(qū)信號(hào)處理

按目標(biāo)在內(nèi)四象限沿X、Y 方向的偏移量進(jìn)行和差處理

偏移量的總和

UH ＝A ＋B ＋C ＋D

由此可知，用數(shù)字型信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算非常容易。

3.5 導(dǎo)引頭增益控制

為了提高跟蹤目標(biāo)的質(zhì)量和速度，可以調(diào)整導(dǎo)引頭信號(hào)處

理器的增益K 之值，即增益控制。如果采用數(shù)字信號(hào)處理器，可以實(shí)現(xiàn)增益K 的任意特性。線性通道可以設(shè)置增益控制，開(kāi)關(guān)通道不設(shè)置增益控制。

總之，通過(guò)導(dǎo)引頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以看出，系統(tǒng)組成比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)精度高，并且能發(fā)揮全天候作戰(zhàn)的優(yōu)勢(shì)。所以激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭在各種激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)中能得到廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)具有雙四象限探測(cè)器、平臺(tái)式穩(wěn)定跟蹤方案的激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭組成方案的分析介紹，給出了這種導(dǎo)引頭的應(yīng)用的廣闊前景。這種導(dǎo)引頭的特點(diǎn)是組成簡(jiǎn)單，抗自然干擾和人工干擾能力強(qiáng)，精度高，從而能夠發(fā)揮了全天候作戰(zhàn)的優(yōu)勢(shì)。

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