側向散射激光駕束制導系統(tǒng)的制導視場研究

高凱悅， 賀 偉， 張 森， 趙雷磊， 劉麗娜， 張坤鈺

(西安郵電大學，西安 710000)

0 引言

激光制導技術是目前戰(zhàn)場上應用廣泛的制導方式，激光駕束制導[1]作為激光制導技術之一，具有制導設備簡單、抗干擾能力強和精度高等不可忽視的優(yōu)點。傳統(tǒng)激光駕束制導系統(tǒng)的地面發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射經(jīng)過編碼的光束，光束中心始終指向目標，當導彈偏離中心時，彈尾接收機和解算裝置檢測出飛行誤差，控制導彈沿中心線飛行[2]。在這種制導方式下，發(fā)動機產(chǎn)生的尾煙和飛行軌跡上的微粒物質會對接收機接收信號造成影響。

關于側向散射激光駕束系統(tǒng)，國外的相關研究者提出一種在導彈上設置后視接收機和前視接收機的方法。在該方法中，利用不同位置接收機檢測到激光信號的時間間隔來計算導彈在制導視場中的位置。目前，更多的研究傾向于導彈整體結構設計，并未對激光發(fā)射部分以及制導視場設計做出詳細說明。在本文涉及的側向散射激光駕束制導系統(tǒng)[3-4]中，接收機被均勻分布在彈體側面，激光在發(fā)射端經(jīng)過編碼調制，形成一定的視場，接收機接收經(jīng)過大氣散射的編碼激光信號，很好地克服了發(fā)動機尾煙等干擾。但傳統(tǒng)激光駕束制導原有的制導視場已經(jīng)不再適用于該種制導方式。針對這一問題，本文在分析現(xiàn)有編碼技術的基礎上，針對側向散射激光駕束制導的特點，對其制導視場進行研究，并提出一種新型設計方案。

1 側向散射激光駕束制導原理

側向散射激光駕束系統(tǒng)的激光發(fā)射單元向空中發(fā)射經(jīng)過編碼調制的激光，偏離到導彈飛行路徑的側面，同時進行上下和左右方向的掃描。該激光束被引導形成一個具有特定圖案的制導視場[5]。側向散射激光駕束制導如圖1所示，導彈在掃描形成的制導視場中飛行，分布在彈體上的接收機探測經(jīng)過大氣散射[6]的激光信號。彈載計算機對被探測到的激光信號進行處理，得到導彈在制導視場中的位置信息，從而控制導彈飛行，擊中目標。

圖1 側向散射激光駕束制導示意圖

制導視場作為連接地面單元與導彈的橋梁，是由激光發(fā)射單元發(fā)射經(jīng)過編碼的激光信號，在空間中形成的。而制導視場中的激光信號經(jīng)過對應的編碼后，包含了位置和方向信息，接收機對接收信號進行解算，就可以得出導彈在制導視場中的位置。利用彈體側面的接收機進行散射激光接收，相當于建立一個從發(fā)射裝置到導彈的間接通信路徑。在其制導過程中，關鍵是要保證導彈準確收到信息，得出自身偏離目標的距離和方向。因此對其進行研究顯得尤為重要。

2 制導視場設計原理

制導視場是由地面發(fā)射單元發(fā)射的激光束進行掃描形成的，其中激光束經(jīng)過特定的編碼調制，含有位置信息[7]。因此，為了準確獲得激光中包含的位置信息，必須先完成制導視場的設計與位置解算。

激光調制[8]是對激光的一些物理特性進行調制，例如激光能量、脈沖寬度、脈沖間隔和波長及相位等參量，通過調制使激光帶有一定的信息，常用的編碼類型有脈沖間隔、脈沖寬度、脈沖幅值和激光波長等[9]，這種激光編碼技術通常用來進行激光告警以及抗干擾等[10]。本文將這種技術當作一種發(fā)射器發(fā)射激光脈沖的時間規(guī)律。

國內研究較為深入的激光編碼包括精確頻率碼、脈沖調制碼、二間隔碼、等差型編碼、偽隨機碼、脈沖寬度編碼等[11]。美國對激光編碼技術研究較為成熟，在20世紀60年代中期研究了脈沖重復頻率(PRF)編碼，20世紀70年代后對脈沖間隔調制(PIM)編碼進行了研究[12-14]。

2.1 PIM編碼

在幾種編碼類型中，PIM編碼[15]是目前使用較多的類型，有技術相對成熟、可實現(xiàn)編碼數(shù)量多、實現(xiàn)條件簡單等優(yōu)點。從導彈發(fā)射到擊中目標的時間一般只有20～30 s，復雜的編碼技術很難在短時間內進行解碼，其實時性大大降低。鑒于此，考慮到地面激光發(fā)射設備的復雜性和成本問題，受其本身硬件條件限制，本文采用使用最廣泛、最簡單的PIM編碼來控制激光脈沖發(fā)射。使用這種編碼，僅需對激光發(fā)射器的發(fā)射間隔和角度進行設置，并不需要很復雜的硬件設備。

PIM編碼通過空間內相鄰兩個激光脈沖的時間間隔來實現(xiàn)編碼，不同的時間間隔代表不同的碼字[16-17]。同時，若改變編碼位數(shù)或編碼脈沖間隔時間值，則可以實現(xiàn)多種編碼的輸出。在具體實現(xiàn)中，需要提前設置編碼位數(shù)和碼型，存于對應的寄存器中。時鐘信號驅動循環(huán)移位，將對應PIM編碼以脈沖串的形式循環(huán)發(fā)送[18]。脈沖間隔編碼原理如圖2所示，其中，BIT1～BITn非0即1，但不可能全為0。該種編碼是通過調制空間相鄰的兩個激光脈沖的時間間隔來完成編碼的，讓某個應該產(chǎn)生激光的脈沖不發(fā)射，其脈沖形式如圖2和圖3所示。

圖2 脈沖間隔編碼原理示意圖

圖3 脈沖間隔編碼示意圖

如果當前碼元值為1，就發(fā)射激光脈沖，如果為0，就不發(fā)射激光脈沖[19]。美國的Joint Laser Designator就是采用該基于脈沖間隔編碼的方法。在空間上相鄰脈沖的不同時間間隔順序不同，代表不同的碼字，通過識別一個間隔對，即檢測到3個脈沖，就可以確定是否為制導信號[20]。

2.2 解碼部分

為了更加方便地對導彈位置進行計算，激光序號值與實際空間位置坐標之間存在一定的對應關系。在計算出導彈位置坐標后，依照對應關系，便可以得出導彈在空間中的實際位置。在側向散射激光駕束制導方式下，是通過激光在空中的散射來傳遞位置信息的。經(jīng)過調制編碼，激光束帶有位置信息。同時,接收單元根據(jù)激光束帶有的信息，按照提前確定的解碼數(shù)學模型，得到導彈在制導視場中的位置坐標。

導彈在空中位置的確定需要一定的參考系。本文采用“十”字形掃描的制導視場，把空間位置映射至笛卡爾坐標系中，轉化為幾何關系來確定位置。產(chǎn)生該圖案的具體過程如下。

1) 參數(shù)設定。

制導視場由水平掃描和垂直掃描形成，目標位于坐標原點，如圖4所示，掃描過程共產(chǎn)生102個間隔，其中，以200 μs為基準間隔及縱橫坐標轉換間隔，每個間隔為5 μs，205～450 μs為橫坐標50個間隔，460～705 μs為縱坐標50個間隔。

圖4 制導視場示意圖

2) 位置確定。

在系統(tǒng)中，導彈彈體側面共有4個接收機，結構上均分360°圓周布局。在收到彈載計算機的啟動指令后，其接收經(jīng)過散射的激光，連續(xù)3次探測和識別出與約定碼型周期相同的激光回波信號，即兩個周期，說明導彈已經(jīng)位于制導視場內。此時，接收機上的光電探測器將接收到的激光信號進行轉換，將初步處理后的電信號再進一步處理。為了更加簡潔明了地對制導視場進行闡述，將其簡化，以非旋轉彈為例，如圖5所示。

圖5 制導視場簡化示意圖

在圖5中，目標為坐標系原點，C1，C2，C3和C4分別為導彈的4個接收窗口。位于彈體側面的每個接收機都有相對應的直線方程，即

y=-x+b

(1)

y=x+b

(2)

其中:x和y分別為橫軸和縱軸對應的掃描點序號值;b為常數(shù)，由探測到的激光掃描點序號值確定。窗口C1和C3對應的數(shù)學模型為式(1)，窗口C2和C4對應的數(shù)學模型為式(2)。

各個窗口應用接收到的散射回波的掃描點的序號值及對應的測量窗口，確定制導視場中心到以此兩窗口所確定的直線的距離。當一個掃描幀完成后，需要得到制導視場中心到兩條互相垂直的直線的距離，并根據(jù)序號差值范圍將距離值轉換為坐標值，該坐標值即為制導視場中導彈的位置坐標。

具體計算過程為：激光器水平掃描之后，若C2窗口探測到的激光掃描點序號為5，轉換為坐標值(-21，0)，C4窗口探測到的激光掃描點序號為13，轉換為坐標值(-13，0)；將上述坐標值代入對應窗口的直線方程，得出

y=x+21

(3)

y=-x-13

。

(4)

求解上式交點坐標，得(-17，4)，即導彈在制導視場中的坐標為(-17，4)。根據(jù)實際需求設置制導視場大小與激光脈沖間隔之間的對應關系，在得到坐標值后，將其代入對應關系，便可以計算出導彈的實際位置。

3 結論

本文對側向散射激光駕束制導的制導視場進行研究。在設計上，采用PIM編碼來控制激光脈沖發(fā)射，該種編碼技術相對成熟、可實現(xiàn)編碼數(shù)量多、實現(xiàn)條件簡單；在檢測上，將導彈在空間中的位置映射至坐標系中，轉化為幾何關系進行計算，快速確定導彈在制導視場中的位置。本文為相關方向的研究提供了思路，但其解碼部分的數(shù)學模型仍待進一步完善。