基于LitghtTools的激光四象限探測(cè)系統(tǒng)仿真

李福巍，張運(yùn)強(qiáng),2，王鵬輝,2，潘國(guó)慶,2

（1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471099；2.航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471099）

引言

激光四象限探測(cè)系統(tǒng)是激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的核心器件，可應(yīng)用于多種激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)中。激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的工作原理是位于彈體之外的激光目標(biāo)指示器照射目標(biāo)，彈上的激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)反射的激光信號(hào)，并根據(jù)此信號(hào)解算出目標(biāo)信息，再由彈上計(jì)算機(jī)綜合彈體姿態(tài)信號(hào)并按照給定的制導(dǎo)形式處理成制導(dǎo)信號(hào)，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使武器跟蹤目標(biāo)。其優(yōu)點(diǎn)是制導(dǎo)精度高，抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，武器系統(tǒng)成本低。如美國(guó)的銅斑蛇和俄羅斯的紅土地激光制導(dǎo)炮彈均采用半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭，性能優(yōu)異。美國(guó)的海爾法激光制導(dǎo)導(dǎo)彈也采用半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭[1]。

本文利用LightTools 軟件仿真了激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭中的四象限探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行有效地評(píng)估，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)，針對(duì)激光散斑現(xiàn)象進(jìn)行了分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

另外，本文還利用LightTools 軟件對(duì)系統(tǒng)的雜散光情況進(jìn)行了分析，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的性能。目前，國(guó)際上最常用的光學(xué)設(shè)計(jì)分析軟件有Code V，LightTools，Tracepro，Zemax 等，其中LightTools 在光機(jī)系統(tǒng)一體化仿真，雜散光分析等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[2-5]。

1 LightTools仿真模型建立

1.1 四象限探測(cè)器建模

四象限探測(cè)器是探測(cè)系統(tǒng)的主要部件，四象限探測(cè)器是把4個(gè)性能相同的探測(cè)器按照直角坐標(biāo)系的要求排列成4個(gè)象限并集成在同一芯片上，中間由十字形分劃線隔開(kāi)，如圖1所示。圖1中φ為探測(cè)器光敏元的直徑，d為分劃線寬度，A、B、C、D代表4個(gè)光敏面，即4個(gè)象限。四象限探測(cè)器具有響應(yīng)頻率快，響應(yīng)波長(zhǎng)寬，靈敏度高，工作溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

圖1 四象限探測(cè)器示意圖Fig.1 Schematic of four-quadrant detector

本文仿真的四象限探測(cè)器參數(shù)如表1所示。

表1 四象限探測(cè)器參數(shù)Table1 Parameters of four-quadrant detector

1.2 光學(xué)系統(tǒng)建模

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要采用CodeV 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，該軟件與LightTools 軟件有很好的交互性，可以直接將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。鏡筒等機(jī)械結(jié)構(gòu)采用UG 等軟件進(jìn)行建模，然后再導(dǎo)入LightTools中并進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，建立的模型如圖2所示。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)模型Fig.2 Model of optical system

1.3 探測(cè)器系統(tǒng)整體建模

將光學(xué)系統(tǒng)和四象限探測(cè)器按照設(shè)計(jì)要求布置在指定位置，然后在光學(xué)系統(tǒng)前面設(shè)置光源，模擬目標(biāo)光線的入射，建立探測(cè)系統(tǒng)的整體模型，如圖3所示。

圖3 探測(cè)系統(tǒng)模型Fig.3 Model of detection system

2 系統(tǒng)仿真

2.1 和差比幅指令仿真

對(duì)于激光四象限探測(cè)系統(tǒng)，工作時(shí)光學(xué)系統(tǒng)接收并匯聚目標(biāo)漫反射的激光光束，在探測(cè)器上形成圓形光斑，光斑使每個(gè)象限都輸出一個(gè)信號(hào)，通過(guò)對(duì)各個(gè)象限輸出信號(hào)的處理可以得到目標(biāo)位置的信號(hào)。

定義4個(gè)象限輸出的信號(hào)為VA、VB、VC、VD，進(jìn)行和差比幅運(yùn)算，可以得到沿Y、Z方向的偏移量所對(duì)應(yīng)的值UY、UZ，再乘以系數(shù)K可計(jì)算出位置信息：

通過(guò)上面所建立的探測(cè)器模型，在仿真過(guò)程中將得到光斑在4個(gè)象限的分布，并可以記錄4個(gè)象限的能量，然后帶入（1）式和（2）式，計(jì)算得到系統(tǒng)的和差比幅指令輸出情況，如圖4所示。圖4（a）為通過(guò)系統(tǒng)仿真得到的成像光斑；圖4（b）為光斑落在四象限探測(cè)器上的情況。

圖4 光斑在探測(cè)器上的分布Fig.4 Distribution of light spot on detector

通過(guò)在仿真模型中探測(cè)器的每個(gè)象限上增加能量接收器，可以采集落在各個(gè)象限的能量，圖5是其中一個(gè)象限上所接受到的能量值。

圖5 一個(gè)象限上的能量值Fig.5 Energy value in one of quadrant

通過(guò)以上分析可以評(píng)估系統(tǒng)的指令輸出情況，對(duì)系統(tǒng)的整體評(píng)估提供依據(jù)。

2.2 雜散光分析

雜散光是光學(xué)系統(tǒng)中非正常光路中的光線通過(guò)若干次反射或散射落在探測(cè)器上并引起響應(yīng)的現(xiàn)象。LightTools 軟件提供了雜散光分析功能，通過(guò)對(duì)不同光學(xué)面和機(jī)械面的設(shè)置，可以較為真實(shí)地模擬光線在系統(tǒng)中的傳輸，從而進(jìn)一步分析系統(tǒng)的雜散光分布情況[8-12]。光學(xué)系統(tǒng)中的光線追跡如圖6所示。圖6（a）為擬進(jìn)行雜散光分析的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)為±15°，線性區(qū)為6°，采用三片式透射結(jié)構(gòu)；圖6（b）為30°光線入射光學(xué)系統(tǒng)的傳輸情況。由圖6可以看出，雖然光線在系統(tǒng)中進(jìn)行了多次反射和折射，但是并未有光線落在探測(cè)器上，該角度并不會(huì)產(chǎn)生雜散光。

圖6 光學(xué)系統(tǒng)中的光線追跡Fig.6 Ray tracing in optical system

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將設(shè)置不同的角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的仿真評(píng)估。當(dāng)某個(gè)角度存在雜散光時(shí)，將有光線落在探測(cè)器上。對(duì)圖6中光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，當(dāng)入射光線為16°時(shí)，有若干光線落在探測(cè)器上，如圖7所示。當(dāng)以0°光線入射時(shí)在探測(cè)器上形成的能量為0.5 W，該部分雜散光在探測(cè)器上形成的能量為3.2×10?7W。

圖7 落在探測(cè)器上的光線Fig.7 Ray falling on detector

2.3 散斑特性仿真

激光具有非常好的相干性，容易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，當(dāng)激光照射物體的漫射表面，或者通過(guò)一個(gè)透明的漫射體時(shí)會(huì)在其表面以及附近空間產(chǎn)生無(wú)規(guī)則分布的亮暗斑紋，即激光散斑[13-16]。這是一種干涉現(xiàn)象，而且散斑在各種激光系統(tǒng)中客觀存在。因此，本文利用LightTools 軟件分析了散斑效應(yīng)對(duì)指令輸出的影響。

根據(jù)散斑的特點(diǎn)，本文利用LightTools 軟件在一個(gè)均勻的光斑上疊加一些隨機(jī)的變化來(lái)模擬散斑效應(yīng)，如圖8所示。圖8（a）為軟件模擬的均勻光斑，圖8（b）和8（c）是增加了散斑效應(yīng)的光斑。

圖8 激光散斑效應(yīng)仿真Fig.8 Simulation of laser speckle effect

假設(shè)在不同幀時(shí)散斑分布是不同的，隨機(jī)模擬10幀不同散斑圖像，加載在0°視場(chǎng)的情況如圖9所示。這10幀不同的和差比幅值如圖10所示。

圖9 不同幀的散斑圖像Fig.9 Speckle images of different frames

圖10 不同幀散斑圖像的和差比幅值Fig.10 Sum-difference amplitude of different frame speckle image

由圖10可知，由于散斑的存在，明顯增加了系統(tǒng)指令的跳動(dòng)，即增加了系統(tǒng)的噪聲。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)上述方法建立LightTools仿真模型，仿真±15°視場(chǎng)范圍內(nèi)不同視場(chǎng)時(shí)系統(tǒng)輸出的和差比幅值，輸出結(jié)果如圖11所示。

圖11 軟件仿真得到的和差比幅值Fig.11 Sum-difference ratio amplitude from simulation

同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)物系統(tǒng)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如圖12所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.12 Experimental system and experimental site

實(shí)驗(yàn)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上隨轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)每轉(zhuǎn)動(dòng)1°數(shù)據(jù)采集1次，轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍為±15°，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖13所示。

對(duì)比圖11和圖13可以看出，各視場(chǎng)角輸出的和差比幅值基本一致，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

圖13 實(shí)驗(yàn)得到的和差比幅值Fig.13 Sum-difference ratio amplitude from experiment

4 結(jié)論

本文采用LitghtTools 軟件完成了一個(gè)激光四象限探測(cè)系統(tǒng)的建模，模型中包含了激光目標(biāo)模型、激光光學(xué)系統(tǒng)模型和激光四象限探測(cè)器模型。同時(shí)，依據(jù)此模型完成了±15°范圍內(nèi)的和差比幅值仿真。通過(guò)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了模型的正確性。另外，通過(guò)模型仿真還可以對(duì)系統(tǒng)的雜散光等性能進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)的優(yōu)化和改進(jìn)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。本文提出的基于LitghtTools的仿真方法準(zhǔn)確、有效，有利于進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，并縮短系統(tǒng)的研制周期。