四象限激光探測器在動力陀螺中的應(yīng)用研究

梁雪巖

摘 要：半自動激光探測和導(dǎo)體制造始于20世紀(jì)60年代，是一種新型的制導(dǎo)技術(shù)。四象限激光探測器應(yīng)用于經(jīng)典動力陀螺儀，檢測激光脈沖信號，完成激光目標(biāo)捕獲和目標(biāo)偏差信號計算。它不僅解決了體積小、重量輕、成本低的問題，而且還繼承了激光探測與動力陀螺的優(yōu)越性，解決了抗干擾、去耦和精度等關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：激光 探測器 動力陀螺

中圖分類號：TN24 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0014-02

1 激光導(dǎo)引裝置簡介

激光引導(dǎo)裝置主要由動力陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)和電子電路組成。

動力陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)主要有兩個功能：一是穩(wěn)定光軸；另一種是接收控制信號以驅(qū)動光軸跟蹤目標(biāo)視軸。穩(wěn)定系統(tǒng)主要由動力陀螺儀，光學(xué)系統(tǒng)和四象限激光探測器組成。

電子電路主要有兩個功能：一是激光信號解碼和偏差信號解；另一種是計算陀螺儀驅(qū)動信號，進動陀螺儀使光軸接近于彈軸并減小偏移角。

激光導(dǎo)向裝置的工作原理如下：激光導(dǎo)向裝置采用動態(tài)陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)，陀螺系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和四象限激光探測器同時固定連接和偏轉(zhuǎn)，激光光束通過光學(xué)系統(tǒng)將其集中到四象限激光探測器以形成激光脈沖。在通過激光信號解碼信號并且求解偏差信號之后，提取目標(biāo)位置，并通過控制算法將其轉(zhuǎn)換為與視線的角速度成比例的信號，并輸出到陀螺儀線圈組件。驅(qū)動陀螺儀指向目標(biāo)，使光軸接近目標(biāo)軸。

2 動力陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)

內(nèi)框架型和外框架型是動態(tài)陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)的兩種典型結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子的內(nèi)或外安裝框架結(jié)構(gòu)。典型的動力陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)包括光學(xué)陀螺轉(zhuǎn)子，繞線組件和探測組件。光學(xué)陀螺轉(zhuǎn)子安裝在具有兩個自由度的萬向節(jié)上，由一對桿永磁轉(zhuǎn)子和一個光學(xué)會聚系統(tǒng)組成；陀螺轉(zhuǎn)子由繞線組件驅(qū)動，以高速旋轉(zhuǎn)，帶來大的角動量矩。由此，光軸被穩(wěn)定，同時利用了由繞線組件中的進動線圈產(chǎn)生的磁場與磁鋼之間的相互作用，使得陀螺轉(zhuǎn)子部件在某個方向上被進動并且 以一定的角速度來實現(xiàn)目標(biāo)跟蹤。

3 四象限激光探測

3.1 四象限激光探測原理

四象限檢測器屬于光電二極管檢測器，這四個器件完全相同且獨立。檢測原理是：當(dāng)激光束從目標(biāo)折回并由光學(xué)系統(tǒng)收集時，在四個檢測器的光敏表面上形成光斑。四個檢測器分別產(chǎn)生電流。當(dāng)探測器的中心與光點的中心重合時，四個檢測器的光斑面積相等。因此，四個檢測器輸出的電流是相同的。當(dāng)探測器的中心與光斑的中心不一致時，四個檢測器的輸出是電流不同。根據(jù)四個檢測器的當(dāng)前電流變化，可以計算目標(biāo)在光敏表面上的坐標(biāo)位置，從而通過電流值來檢測目標(biāo)的坐標(biāo)位置。

因為在工程實踐中，光斑面積和探測器尺寸等主要參數(shù)不同，計算點坐標(biāo)的公式為：

檢測器中心處的光點的偏差，映射激光目標(biāo)在引導(dǎo)裝置的視場內(nèi)的角度偏差。利用該激光檢測原理，獲得光敏表面上光點的偏移誤差，并獲得目標(biāo)的角度誤差。

3.2 設(shè)計中的幾點注意

四象限光學(xué)系統(tǒng)是散焦非成像系統(tǒng)。位置信息由落在四個探測器上的能量計算。位置分辨精度的重要因素是光斑的能量分布，因此散焦光斑的均勻性、對稱性有更高的要求。

散焦光學(xué)系統(tǒng)是根據(jù)視場要求、光敏表面的大小和激光目標(biāo)的特性設(shè)計的。重點有兩個方面：首先，研究光敏表面位置精度與激光光斑區(qū)域之間的關(guān)系，確保光敏表面的激光光斑區(qū)域通過設(shè)計固化；第二是使用光學(xué)濾波器設(shè)計來考慮無用的雜散光，減少系統(tǒng)干擾。

根據(jù)經(jīng)驗，光敏表面面積與光斑面積的最佳比例為4∶1。在設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時，必須考慮光斑的散焦量可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語

四象限激光探測器應(yīng)用于經(jīng)典動力陀螺儀，不僅解決了體積小，重量輕，成本低的問題，而且還繼承了激光探測和動力陀螺的優(yōu)越性，解決了抗干擾、去耦、精度等關(guān)鍵技術(shù)是激光探測系統(tǒng)的新發(fā)展方向。

參考文獻

[1] 郭戰(zhàn)兵.便攜式紅外尋的防空導(dǎo)彈——紅外導(dǎo)引頭[J].上海航天，1998（4）：51-61.

[2] 甘子怡.淺議激光的原理及應(yīng)用[J].中國高新區(qū)，2017（15）：40.

[3] 顏世剛，齊亞峰.艦炮建模仿真應(yīng)用研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2019，40（2）：10.