全捷聯激光半主動導引頭線性視場研究

張　鑫，杜智遠，喬彥峰，劉　慧，白　楊，朱明超，劉立剛，賈宏光

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;

2.中國人民解放軍92493部隊，遼寧 葫蘆島 125001；

3.中國科學院大學，北京 100049)

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全捷聯激光半主動導引頭線性視場研究

張鑫1,3*，杜智遠2，喬彥峰1，劉慧1，白楊1，朱明超1，劉立剛1，賈宏光1

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;

2.中國人民解放軍92493部隊，遼寧 葫蘆島 125001；

3.中國科學院大學，北京 100049)

摘要：針對全捷聯半主動導引頭大線性視場的要求，分析了四象限光電系統線性視場與目標距離的關系。首先根據系統參數計算不同能見度、不同目標反射率下的目標距離與導引頭接收光功率關系；通過建立光學系統的仿真模型，利用光線追跡方法獲得不同視場對應的探測器光敏面光斑功率分布；最后結合探測器靈敏度閾值，得到線性視場與接收激光功率的關系：隨著目標距離減小，線性視場從0°增大到光學設計理論值。實驗測試結果表明，線性視場隨著接收功率增大，從0°增大到±9°，與理論分析一致。因此，全捷聯半主動激光制導系統設計應該考慮導引頭線性視場變化規(guī)律。

關鍵詞:捷聯導引頭；激光半主動；四象限探測器；線性視場

Study on linear field of strapdown semi-active laser seeker

ZHANG Xin1,3*, DU Zhi-yuan2, QIAO Yan-feng1, LIU Hui1, BAI Yang1,

ZHU Ming-chao1, LIU Li-gang1, JIA Hong-guang1

1引言

捷聯導引頭包括半捷聯結構和全捷聯結構，半捷聯結構與常規(guī)框架結構相比，由于不需要速率陀螺，在成本、體積和質量方面具有較大優(yōu)勢，近年來已經得到了廣泛應用，而全捷聯結構在半捷聯結構基礎上，又省去了萬向節(jié)、角位置驅動器和傳感器，沒有任何活動部件，成本、體積和質量方面進一步減小，在導引制導領域有著重大的研究潛力和應用價值[1-2]。激光半主動制導作為技術成熟、應用廣泛、精度極高的一種制導方法，將其應用到全捷聯制導技術中已經成為國內外研究機構的研究熱點[3-4]。美國埃爾比特公司推出了大視場全捷聯激光半主動導引頭[5]，美國空軍學院也在積極研發(fā)低成本高性能全捷聯大視場激光半主動導引頭[6]。全捷聯導引頭沒有萬向節(jié)框架，光學系統視場即為導引頭最大視場范圍，所以要求光學系統具有大視場，國內外研究機構對大視場激光四象限光學系統進行了研究[7-9]，目前國內已經公開報道的最大接收視場能夠做到±15°，但是最大線性視場僅為±6°[10]。美國洛馬公司應用光學彌散和二元光學技術成功研制了±15°大視場激光導引頭[11]，但是并未深入討論視場線性區(qū)與非線性區(qū)關系，而線性視場范圍對于制導控制策略和打擊精度都極為重要[12]。事實上，當目標光斑離軸視場較大時，由于目標較遠或者天氣等不利因素影響，探測器的某一個或者兩個象限接收的激光功率過低，導致無法正確獲得目標方位，而當導彈接近目標時，接收到的激光功率增大，又能夠正確獲得目標方位，此種情況下，導引頭視場的線性區(qū)是隨距離等條件變化的，深入研究導引頭視場的線性區(qū)變化規(guī)律，能夠有效指導設計導彈制導控制策略。

本文利用Lighttools光學軟件建立一種大線性視場導引頭光學系統光線追跡模型，分析不同視場下四象限探測器(QD)光敏面上的光斑功率分布，研究了導引頭線性視場與接收激光功率之間的關系，得出了導引頭線性視場隨著目標距離的減小而增大的結論，并通過實驗驗證了該結論。

2四象限探測器接收功率

2.1　探測器接收功率

激光半主動導引頭四象限探測器光敏面接收功率為[13]

(1)

式中：D為光學系統孔徑，RM為目標距離，PL為激光照射器峰值功率，ρT為目標反射率，TR為光學系統透過率，TA為大氣透過率，cosθ為目標表面法線與激光接收方向夾角。

實際應用中，激光照射器和導引頭光學系統都是確定的，目標表面法線與激光接收方向夾角取決于彈道特性，這里只分析兩種典型天氣條件下和兩種不同目標反射率條件下，四象限探測器光敏面接收功率隨著目標距離的變化情況。光學系統孔徑為25 mm，典型激光照射器照射下，計算結果如圖1中曲線所示，方形曲線表示能見度20 km、目標反射率0.4條件下接收功率隨目標距離的變化關系；圓形曲線表示能見度8 km、目標反射率0.4條件下接收功率隨目標距離的變化關系；正三角形曲線表示能見度20 km、目標反射率0.1條件下接收功率隨目標距離的變化關系；倒三角形曲線表示能見度8 km、目標反射率0.1條件下接收功率隨目標距離的變化關系。隨著目標距離減小，探測器接收功率迅速增大。

圖1　四象限探測器光敏面接收功率與目標距離關系 Fig.1　Relationship between QD received power and target distance

2.2　探測器光敏面功率分布

四象限探測器光敏面由4個面積相等的90°扇形光敏面組成，如圖2白色大圓區(qū)域所示，灰色小圓區(qū)域表示激光光斑。光斑同時覆蓋4個光敏面區(qū)域且無溢出，可準確計算出光斑中心位置，光斑此時所處區(qū)域稱為光敏面線性區(qū)，對應的光學接收視場稱為線性視場。光斑中心計算要求每個區(qū)域的接收功率都要大于靈敏度閾值功率，需要分析光敏面上的光斑分布，由于光敏面和光斑的圓對稱性，只分析光敏面1/8扇形區(qū)域光斑分布即可，選擇圖2中0°方向和45°方向之間的區(qū)域，在此區(qū)域內，光斑偏離中心位置時，第三象限光敏面的光斑面積最小，且光斑中心偏離同樣距離時，向0°方向偏離時第三象限光敏面的光斑面積相對最大，向45°方向偏離時第三象限光敏面的光斑面積相對最小，所以只需分析0°方向和45°方向的光斑偏離，其他方向對應的某象限最小光斑面積在二者之間。

圖2　四象限探測器上的光斑 Fig.2　Light spot on the QD

由于實際設計的光學系統有像差存在，光斑不均勻且光斑形狀也隨位置變化，需要通過光學建模，采用光線追跡方法分析光斑在光敏面上的功率分布。圖3為Lighttools 光學軟件中導引頭光學系統模型，光學系統從左至右依次為頭罩、窄帶濾光片、透鏡組、探測器窗口和探測器光敏面。

圖3　光學系統仿真 Fig.3　Simulation of the optical system

采用蒙特卡洛法追跡1 000萬條光線，隨機誤差小于1%，在0°方向和45°方向分別從0°視場間隔1°依次分析到12.5°視場，圖4(a)為0°視場光斑功率分布，圖4(b)為0°方向12.5°視場光斑功率分布，圖4(c)為45°方向12.5°視場光斑功率分布。

圖4　不同方向、不同視場光斑功率分布情況 Fig.4　Spots power distribution for different directions and fields

從圖4中可以看出，光學系統設計光斑并不是理想均勻的，而且當視場較大時，光斑呈橢圓分布，所以光斑在4個象限光敏面的功率分布必須通過光學仿真分析，對光敏面接收的光斑進行功率歸一化計算，分別得出第三象限光敏面在0°方向和45°方向接收的光功率百分比與視場的關系，如圖5中曲線所示，可以看出，第三象限即最小光斑面積象限接收功率百分比隨視場增大近似呈線性減小，0°方向減小最慢，12.5°時第三象限功率所占百分比為4.5%，45°方向減小最快， 12.5°時第三象限功率所占百分比為2.2%。

圖5　不同視場下最小光斑面積象限接收功率的百分比 Fig.5　Percentage of received minimum power on QD

2.3　探測器閾值靈敏度

探測器噪聲[14-15]由光敏面噪聲和放大器噪聲組成，其中光敏面噪聲包括散粒噪聲和通道電阻熱噪聲，放大器噪聲包括反饋電阻熱噪聲和跨阻放大器電流噪聲。各項噪聲都是相互獨立的隨機噪聲，總噪聲等于各項噪聲平方和的方根。根據探測器光敏面參數和放大器參數，計算得到探測器噪聲的理論值為42 nA。

閾值信噪比由導引頭探測概率和虛警率決定，本系統要求探測概率大于98%，虛警率小于10%，計算得到閾值信噪比為6.3。

探測器閾值靈敏度等于探測器噪聲乘以閾值信噪比，探測器閾值靈敏度為264 nA，探測器光敏面光電響應率為0.4 A/W，計算得到探測閾值靈敏度功率理論值為0.66 μW。

3導引頭線性視場與作用距離關系

圖6　不同能見度、不同目標反射率對應的線性視場 Fig.6　Linear field for different visibility and target reflectivity

通過上一節(jié)分析，可計算出最小光斑功率象限在不同目標距離、不同視場條件下的接收功率，此功率值若大于閾值靈敏度功率，則可準確計算出光斑中心位置，即光斑落在光敏面的線性區(qū)內，若此功率值小于閾值靈敏度功率，則光斑落在光敏面的線性區(qū)外，所以光敏面線性區(qū)范圍與目標距離相關，且目標距離越小，光敏面線性區(qū)越大。本系統的探測閾值靈敏度功率理論值為0.66 μW，得出光敏面的線性區(qū)范圍，圖6中(a)、(b)、(c)、(d)分別表示能見度20 km和目標反射率0.4、能見度8 km和目標反射率0.4、能見度20 km和目標反射率0.1、能見度8 km和目標反射率0.1條件下接收系統線性視場與目標距離關系，且不同方向的線性視場不同，方塊曲線表示探測器0°方向，圓圈曲線表示探測器45°方向，探測器其他方向的線性區(qū)落在這兩條曲線之間。

從圖中可以看出，能見度20 km和目標反射率0.4條件下，導引頭在彈目距3 km時，線性視場為±7°~±8°，彈目距1.6 km時，線性視場達到光學設計值±12.5°；能見度8 km和目標反射率0.4條件下，導引頭在彈目距2.8 km，線性視場為±0.1°~±0.5°，彈目距1 km時，線性視場達到光學設計值±12.5°；能見度20 km和目標反射率0.1條件下，導引頭在彈目距2.4 km時，線性視場為±0.1°~±0.5°，彈目距0.7 km時，線性視場達到光學設計值±12.5°；能見度8 km和目標反射率0.1條件下，導引頭在彈目距1.7 km時，線性視場為±0.1°~±2.2°，彈目距0.7 km時，線性視場達到光學設計值±12.5°。

導引頭線性視場隨著目標距離的減小而增大，視場上限是光學設計理論視場。不同大氣能見度和不同目標反射率條件下，由于接收激光功率不同,相同距離的線性視場不同。

4實驗與討論

測試實驗中采用光敏面直徑為10 mm的四象限探測器，光學系統的理論線性視場為±10°，實驗裝置示意圖如圖7所示。

圖7　實驗系統原理框圖 Fig.7　Principle diagram of testing system

脈沖激光器發(fā)射激光經過可調衰減片照射在透射散射屏上，用來模擬激光散射目標，用擋光艙罩住激光光路，防止激光雜散光干擾測試。導引頭安裝在10 m外的二維角度調整臺上，初始位置對準透射散射屏。調解衰減片可模擬不同強度的激光散射目標，調整導引頭角度可測量此條件下的線性視場范圍。

首先測試探測器噪聲，4個象限噪聲特性基本相同，其中一個象限的測得結果如圖9所示，噪聲電壓標準差為3.6 mV 。結合激光信號的脈沖時域特性，實測中將信號檢測閾值信噪比設為3，此信噪比在實驗室環(huán)境下可以準確無誤地檢測到激光信號，則4個象限閾值靈敏度電壓均為10.8 mV。

圖8　探測器噪聲電壓 Fig.8　Noise voltage of the QD

探測器接收總功率電壓在40 mV左右時，開始能夠檢測信號并提取光斑中心位置，即開始獲得線性視場。邊緣線性視場時接收光功率最小的象限接收功率約為總功率2%左右，則接收總功率達到500 mV左右時，線性視場可接近理論設計值。

線性視場實際測試結果如圖8曲線所示，橫坐標為探測器光敏面輸出的總電壓，對應接收到的激光總功率，縱坐標為對應的線性視場范圍。從圖中可以看出，線性視場范圍隨著光敏面接收到的總功率增加而增加，從0°增加到±9°，相同接收功率下，0°方向線性視場大于45°方向線性視場。實測結果與理論分析相符。

圖9　線性視場與總接收功率關系 Fig.9　Relationship between Linear field and total received power

5結論

本文研究一種大線性視場激光導引頭光電探測系統，分析了不同視場下四象限探測器光敏面上的光斑功率分布，將接收能量最少的象限接收功率與探測靈敏度閾值相比較，得出了導引頭線性視場隨天氣條件、目標特性和目標距離的變化關系，即導引頭線性視場隨接收功率增大而增大，導引頭線性視場隨著目標距離縮小，從接近0°擴大到接近光學理論最大視場。實驗測試中，線性視場隨著接收功率的增加從0°增大到±9°，驗證了該結論的正確性，可用于指導半主動激光制導系統設計。

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張　鑫(1985—)，男，吉林德惠人，助理研究員，2009年于天津大學獲得碩士學位，主要從事光學技術、激光技術方面的研究。E-mail:xin_tju@163.com

杜智遠(1976—)，男，山東萊州人，碩士，主要從事光電測量與控制方面的研究。E-mail:51077993@qq.com

喬彥峰(1962—)，男，吉林長春人，研究員，博士生導師，1985年于東南大學獲得學士學位，主要從事光電測量與控制方面的研究。E-mail:YanFengQiao@ciomp.ac.cn

劉　慧(1983—),男,山西朔州人,副研究員，2011年于中國科學院大學獲得博士學位，主要從事光電平臺精密伺服控制等方面的研究。E-mail:liuh6009@163.com

朱明超(1980—),男,吉林長春人,副研究員,2011年于吉林大學獲得博士學位,主要從事慣性穩(wěn)定平臺運動學、動力學與控制方面的研究。E-mail:mingchaozhu@gmail.com

劉立剛(1987—),男,吉林松原人,研究實習員,2013年于哈爾濱工程大學獲得碩士學位,主要從事光電平臺精密伺服控制方面的研究。Email:liuligang0304@163.com

賈宏光(1971—)，男，黑龍江五常人，研究員，博士生導師，2000年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事光機電系統微小型化與精確制導技術的研究。E-mail:jiahg@ciomp.ac.cn

(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,

ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;

2.No.92493Troop,theChinesePeople′sLiberationArmy,Huludao125001,China;

3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract:Considering the requirement on the wide linear field of the strapdown semi-active laser seeker, the relationship of linear field for four-quadrant detecting(QD) photoelectric system and target distance was analyzed. First, according to the system parameters, the relationship of target distance on different visibility, different target reflectivity and the received power for the laser seeker was calculated. Then by ray tracing method, the power distribution on quadrant detector for different field was found. Finally, the relationship of linear field and the received power was obtained. Linear field increased from zero to the theoretical value of optical design with the target distance decreasing. Experimental results indicate that linear field increases from 0° to ±9° with the received power increasing, which agrees well with the result of theoretic computation. The change law of the linear field should be considered for stapdown semi-active laser system design.

Key words:strapdown seeker;semi-active laser;four-quadrant detecting(QD);linear field

作者簡介：

*Corresponding author, E-mail:xin_tju@163.com

中圖分類號：TN29

文獻標識碼:A

doi:10.3788/CO.20150803.0415

文章編號2095-1531(2015)03-0415-07

基金項目：中國科學院知識創(chuàng)新工程國防科技創(chuàng)新資助項目(No.YYYJ-1122)

收稿日期:2014-12-23；

修訂日期:2015-02-21