制導(dǎo)技術(shù)之光電制導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索

周?？　〉詢?yōu)　郭鑫

摘? 要 對(duì)制導(dǎo)技術(shù)課程中的光電制導(dǎo)部分進(jìn)行重難點(diǎn)分析，針對(duì)重難點(diǎn)內(nèi)容，提出由三種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成的光電制導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案，然后詳細(xì)介紹每一種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成、功能、設(shè)備以及可開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，完成對(duì)光電制導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的初步探索。

關(guān)鍵詞 制導(dǎo)技術(shù);光電制導(dǎo);實(shí)驗(yàn)平臺(tái);實(shí)驗(yàn)室;實(shí)驗(yàn)設(shè)備;數(shù)字化資源庫(kù)

中圖分類號(hào)：G482? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）04-0008-03

1 前言

制導(dǎo)技術(shù)課程是陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)本科學(xué)員的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是專業(yè)課程體系中的核心與關(guān)鍵內(nèi)容。制導(dǎo)技術(shù)是裝備的核心與靈魂，涉及原理復(fù)雜、內(nèi)容抽象，理解掌握難度大，單純依托講授式教學(xué)很難達(dá)到良好的教學(xué)效果，因此迫切需要建設(shè)配套的實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件，為教學(xué)模式改革創(chuàng)新提供手段，實(shí)現(xiàn)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，幫助學(xué)員更好地理解掌握制導(dǎo)技術(shù)相關(guān)內(nèi)容，顯著改善教學(xué)效果，提升人才培養(yǎng)整體質(zhì)量。

2 分析總結(jié)光電制導(dǎo)重難點(diǎn)內(nèi)容

光電制導(dǎo)包括光學(xué)尋的制導(dǎo)和光電遙控制導(dǎo)兩大類。光學(xué)尋的制導(dǎo)根據(jù)光源、波段不同分為紅外點(diǎn)源尋的、紅外成像尋的、電視尋的、激光半主動(dòng)尋的等四種制導(dǎo)方式。光學(xué)遙控制導(dǎo)根據(jù)指令的形成位置及指令的傳輸方式不同，分為有線指令、激光指令、激光波束制導(dǎo)等三種制導(dǎo)方式，其中有線指令制導(dǎo)中又包括重要的光纖圖像傳輸。下面對(duì)各自的重難點(diǎn)內(nèi)容分別進(jìn)行分析總結(jié)。

光學(xué)（紅外、激光、電視）尋的制導(dǎo)? 光學(xué)尋的制導(dǎo)是用制導(dǎo)武器上的設(shè)備接收目標(biāo)輻射或反射的光波形成點(diǎn)源信號(hào)或圖像信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤和對(duì)制導(dǎo)武器的控制，是彈的重要制導(dǎo)方式，因光源、波段不同而各有特點(diǎn)。光學(xué)尋的制導(dǎo)技術(shù)分為光學(xué)點(diǎn)源信號(hào)尋的制導(dǎo)和光學(xué)圖像尋的制導(dǎo)兩種。光學(xué)點(diǎn)源尋的中紅外點(diǎn)源和激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)廣泛應(yīng)用;光學(xué)圖像尋的中電視尋的和紅外成像尋的制導(dǎo)廣泛應(yīng)用并發(fā)展很快。

光學(xué)尋的制導(dǎo)中光學(xué)尋的器是核心，難點(diǎn)在尋的器的穩(wěn)定、跟蹤與搜索。除了共性的尋的器外，下面分析四種制導(dǎo)技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)做準(zhǔn)備。

1）紅外點(diǎn)源尋的制導(dǎo)。除了共性的尋的器外，紅外點(diǎn)源尋的制導(dǎo)中的重點(diǎn)是紅外探測(cè)器、光學(xué)調(diào)制盤及光電弱信號(hào)探測(cè)。這部分難點(diǎn)內(nèi)容是典型光電探測(cè)器原理、光學(xué)調(diào)制盤工作原理、有源濾波器原理等。

2）紅外成像尋的制導(dǎo)。實(shí)現(xiàn)紅外成像尋的制導(dǎo)的關(guān)鍵在于尋的器中的紅外攝像頭和圖像跟蹤處理器。這部分難點(diǎn)內(nèi)容是光機(jī)掃描型攝像頭和凝視型攝像頭原理，線陣CCD像傳感器的驅(qū)動(dòng)原理，熱像儀原理，圖像處理、目標(biāo)識(shí)別和跟蹤等。

3）電視尋的制導(dǎo)。重點(diǎn)內(nèi)容是電視尋的器的結(jié)構(gòu)，電視攝像機(jī)的原理，圖像處理、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤，攝像管，CCD，攝像器件的使用及其信號(hào)處理方法;難點(diǎn)內(nèi)容是光電信號(hào)的采樣和保持、攝像機(jī)信號(hào)應(yīng)用原理、模擬/數(shù)字電視信號(hào)提取等。

4）激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)。重點(diǎn)內(nèi)容是激光尋的器結(jié)構(gòu)、激光目標(biāo)指示器及四象限探測(cè)器;難點(diǎn)內(nèi)容是四象限式光電定向，激光編碼、激光器系統(tǒng)、激光測(cè)距儀、聲光調(diào)制器、光外差原理等。

光電遙控制導(dǎo)? 光學(xué)遙控制導(dǎo)是用彈外的光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)和彈進(jìn)行測(cè)量，提供目標(biāo)和彈的坐標(biāo)信息，根據(jù)導(dǎo)引規(guī)律形成相應(yīng)的指令，在遠(yuǎn)距離上通過(guò)有線或無(wú)線傳到彈上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，將彈引向目標(biāo)或預(yù)定區(qū)域的一種制導(dǎo)技術(shù)，包括有線制導(dǎo)、激光指令制導(dǎo)、激光波束制導(dǎo)等三種制導(dǎo)技術(shù)。三者的共同點(diǎn)是均要依靠制導(dǎo)站向彈傳送信息，這種信息是指令或者引導(dǎo)波束;三者的不同點(diǎn)是指令的形成位置不同，前兩種在制導(dǎo)站，后一種在彈上。前兩種雖然指令都在制導(dǎo)站形成，但是傳輸指令的方式不同，一個(gè)通過(guò)導(dǎo)線或光纖傳輸，一個(gè)通過(guò)激光傳輸。

1）有線指令制導(dǎo)，如第一代、第二代反坦克彈制導(dǎo)，重點(diǎn)內(nèi)容有可見(jiàn)光瞄準(zhǔn)具、電視/紅外測(cè)角儀、制導(dǎo)電子箱。

2）激光指令制導(dǎo)，整個(gè)制導(dǎo)過(guò)程包括電視測(cè)角和激光傳輸指令兩部分，重點(diǎn)內(nèi)容是電視測(cè)角儀、激光發(fā)射機(jī)、激光編碼、激光接收機(jī)、解調(diào)器、制導(dǎo)電子箱原理等。

3）激光波束制導(dǎo)，包括瞄準(zhǔn)與跟蹤、激光發(fā)射與編碼、彈上接收與譯碼、角誤差指令形成與控制四個(gè)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)內(nèi)容是激光器系統(tǒng)、光束調(diào)制編碼、四象限探測(cè)器等。

光纖圖像傳輸? 與電纜通信、微波通信等電通信方式相比，光纖通信具有很多優(yōu)越性，因此非常適用于彈的制導(dǎo)。光纖傳輸指令制導(dǎo)的彈，一方面通過(guò)光纖，將彈頭部拍攝的目標(biāo)和場(chǎng)景圖像及其他數(shù)據(jù)送回制導(dǎo)站，顯示在監(jiān)視器上;另一方面，制導(dǎo)站通過(guò)光纖傳輸各種信號(hào)指令給彈，正確導(dǎo)引彈飛向目標(biāo)。因此，光纖信息傳輸是重點(diǎn)知識(shí)。

3 光電制導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案

根據(jù)制導(dǎo)技術(shù)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容要求和人才培養(yǎng)需求，以及制導(dǎo)武器光學(xué)尋的制導(dǎo)的應(yīng)用與發(fā)展情況，分析光學(xué)尋的制導(dǎo)的重難點(diǎn)內(nèi)容，光電制導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室主要由光學(xué)尋的制導(dǎo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、光電遙控制導(dǎo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、光纖圖像傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等部分組成，體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)室具體包含光電信號(hào)產(chǎn)生捕捉與識(shí)別實(shí)驗(yàn)設(shè)備、光電信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)設(shè)備、圖像信息處理實(shí)驗(yàn)設(shè)備等，基本功能框圖如圖2所示。光電信號(hào)產(chǎn)生模塊具備產(chǎn)生紅外、電視、激光等光電信號(hào)的功能;光電信號(hào)傳輸模塊通過(guò)光纖等方式，構(gòu)建光電信號(hào)（圖像）的傳輸通道;光電信號(hào)捕捉與識(shí)別用于捕捉接收到的光信號(hào)并進(jìn)行識(shí)別，篩選出有用的光電信號(hào);圖像信息處理則對(duì)輸入的圖像信號(hào)進(jìn)行處理，輸出處理結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)室可以開(kāi)展光電信號(hào)產(chǎn)生、傳輸、捕捉與識(shí)別、圖像信息處理等實(shí)驗(yàn);也可將光電測(cè)角儀、光電導(dǎo)引頭等被試品接入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展電視、紅外、激光等光電測(cè)角儀或光電導(dǎo)引頭工作原理（包括光學(xué)成像、光學(xué)調(diào)制、光電探測(cè)、信號(hào)處理、目標(biāo)跟蹤等）的演示實(shí)驗(yàn);還能在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，視情引入相應(yīng)的被試品，進(jìn)一步設(shè)計(jì)形成光電制導(dǎo)系統(tǒng)，開(kāi)設(shè)光電制導(dǎo)系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)、性能改進(jìn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

光學(xué)尋的制導(dǎo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)? 擬建設(shè)形成以下四種實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，系統(tǒng)組成圖如圖3所示。

1）尋的器數(shù)字化資源庫(kù)。建成涵蓋國(guó)內(nèi)外的各類典型尋的器數(shù)字化資源庫(kù)，以典型尋的器作為對(duì)象，按實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸建立數(shù)字化三維模型，并能通過(guò)交互式應(yīng)用程序在教學(xué)計(jì)算機(jī)、虛擬訓(xùn)練器材等設(shè)備上實(shí)現(xiàn)外觀展示、組裝拆解、工作原理演示、模擬操作等功能，并能夠按需要生成外觀圖、結(jié)構(gòu)分解圖、三維視頻動(dòng)畫(huà)等教學(xué)應(yīng)用資源。

2）光電技術(shù)創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，支持研究典型光電探測(cè)器的應(yīng)用技術(shù)及工作原理，可以進(jìn)行光電探測(cè)器光譜響應(yīng)的測(cè)量、光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試、光電探測(cè)器探測(cè)度的測(cè)量、光學(xué)調(diào)制盤輸出信號(hào)的分析、低噪聲放大器、有源濾波器等實(shí)驗(yàn)。

3）彩色面陣CCD綜合實(shí)驗(yàn)儀，著重開(kāi)展面陣CCD的驅(qū)動(dòng)原理及應(yīng)用方法實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)員對(duì)CCD工作原理及實(shí)際應(yīng)用的認(rèn)識(shí);同時(shí)設(shè)置圖像處理方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)員對(duì)如何進(jìn)行圖像處理有一定的認(rèn)識(shí)，更好地理解如何對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行增強(qiáng)、如何提取有效信息等。

4）激光物理與技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行激光特性參數(shù)測(cè)量系列實(shí)驗(yàn)、激光應(yīng)用技術(shù)系列實(shí)驗(yàn)，滿足四象限式光電定向原理、激光編碼、激光器系統(tǒng)、激光測(cè)距、聲光調(diào)制、光外差原理等實(shí)驗(yàn)要求。

光電遙控制導(dǎo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)? 光學(xué)遙控制導(dǎo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圍繞有線制導(dǎo)、激光指令制導(dǎo)、激光波束制導(dǎo)等三種制導(dǎo)方式實(shí)驗(yàn)需要開(kāi)展建設(shè)，相關(guān)設(shè)備主要由三部分組成：對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)跟蹤裝置、遙控信息的形成與傳輸裝置、彈上的接收及控制裝置（圖4）。

1）目標(biāo)觀察跟蹤裝置，用于對(duì)可見(jiàn)光目標(biāo)或紅外信標(biāo)搜索捕獲和跟蹤，設(shè)備有可見(jiàn)光瞄準(zhǔn)具、電視測(cè)角儀、紅外測(cè)角儀。

2）遙控信息的形成與傳輸裝置。遙控信息的形成包括遙控指令和遙控激光波束的形成，傳輸裝置包括導(dǎo)線、光纖和激光傳輸，設(shè)備有激光器、制導(dǎo)電子箱模擬器、光調(diào)制及解調(diào)綜合實(shí)驗(yàn)儀。

3）接收與控制裝置。接收包括接收指令和接收激光波束兩種，控制裝置通過(guò)接入舵機(jī)實(shí)物或仿真模型實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)三種光電遙控制導(dǎo)方式，在共享激光物理與技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，再配置光調(diào)制及解調(diào)綜合實(shí)驗(yàn)儀，可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有波形產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)，幅度、脈沖調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)，光學(xué)調(diào)制盤實(shí)驗(yàn)等，旨在原理驗(yàn)證及相關(guān)現(xiàn)象演示，便于學(xué)員理解實(shí)驗(yàn)原理。開(kāi)設(shè)的主要實(shí)驗(yàn)如圖5所示。

光纖圖像傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)? 針對(duì)實(shí)驗(yàn)要求建設(shè)光纖通信與光纖技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)組成如圖6所示，包括光端機(jī)模塊、模擬信號(hào)源模塊、數(shù)字信號(hào)源模塊、串口通信模塊、電話接口單元模塊、數(shù)字端機(jī)模塊等部分。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由七個(gè)部分組成：光纖和光纜、通信用光器件（有源和無(wú)源器件）、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)（光發(fā)、光收端機(jī)）、模擬光纖通信系統(tǒng)、光纖通信新技術(shù)、光纖通信網(wǎng)絡(luò)?？砷_(kāi)展光纖通信系統(tǒng)電接口、光源及光調(diào)制解調(diào)、模擬信號(hào)光纖傳輸、數(shù)字信號(hào)光纖傳輸、光纖通信網(wǎng)絡(luò)及新技術(shù)等系列實(shí)驗(yàn)。

光纖圖像傳輸系統(tǒng)（模擬信號(hào)直接調(diào)制方法下的視頻信號(hào)光纖傳輸）如圖7所示，主要由攝像頭（電視信號(hào)發(fā)生器）、視頻監(jiān)視器（小型電視機(jī)）和模擬光纖通信系統(tǒng)組成。通過(guò)觀察視頻信號(hào)的光纖傳輸，測(cè)試光纖傳輸模擬信號(hào)的性能。攝像頭產(chǎn)生視頻信號(hào)（模擬信號(hào)），經(jīng)過(guò)模擬調(diào)制送入光發(fā)端機(jī)，經(jīng)光纖傳輸后，由光收端機(jī)檢測(cè)到視頻信號(hào)并輸出到監(jiān)視器端，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)光纖傳輸視頻信號(hào)的效果以及特點(diǎn)，圖像效果越好，說(shuō)明光纖傳輸模擬信號(hào)的性能就越好越穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室是從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和學(xué)術(shù)交流的重要場(chǎng)所，是培養(yǎng)人才創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的重要基礎(chǔ)，因此，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是高等院校建設(shè)的重要組成部分。本文通過(guò)分析光電制導(dǎo)的重難點(diǎn)內(nèi)容，提出制導(dǎo)技術(shù)之光電實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案，接下來(lái)需要更進(jìn)一步地進(jìn)行調(diào)研分析研究，緊緊圍繞人才培養(yǎng)、關(guān)鍵技術(shù)研究和服務(wù)部隊(duì)練兵備戰(zhàn)總體目標(biāo)實(shí)施建設(shè)，主要目標(biāo)是滿足制導(dǎo)技術(shù)有關(guān)課程教學(xué)與關(guān)鍵技術(shù)研究需要，為核心課程教學(xué)、制導(dǎo)技術(shù)相關(guān)課題研究、制導(dǎo)武器裝備運(yùn)用與效能評(píng)估等提供實(shí)驗(yàn)條件。

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作者：周海俊，陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，講師，研究方向?yàn)橹茖?dǎo)技術(shù);翟優(yōu)，陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，講師，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù);郭鑫，陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，講師，研究方向?yàn)殡娬炯夹g(shù)（050003）。