基于激光導引頭的四象限光電探測器檢測電路研究

匡冬權

（總裝備部駐沈陽地區軍事代表室，遼寧 沈陽 11000;沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

激光制導技術的研究始于上世紀六十年代，典型的激光半主動制導武器系統主要由帶激光半主動導引頭的導彈（炸彈、炮彈）及發射平臺和激光目標指示器構成[1]。激光半主動制導的基本原理是通過激光器發射經編碼的激光信號并照射目標，保持跟蹤照射目標，裝在彈上的導引頭不斷接收目標反射的激光信號，計算處理目標與導彈的相對位置，進而控制導彈飛行，直至精確命中目標。與雷達、紅外、電視等制導方式相比，激光制導具有很高的制導精度和較強的抗干擾能力、可實現有限的發射后不管、能主動導引攻擊、成本相對較低等優點；與激光駕束和及激光指令制導等遙控制導體制相比，具有發射點與照射點配置靈活，無需全程照射目標，射程不受限制等優點。因此激光半主動制導技術受到世界各先進國家的重視。

現代戰爭強調的就是精確打擊，而制導系統是導彈的大腦，導引頭是制導系統獲取外界信息的必要途徑，它的性能好壞直接影響到激光制導武器的打擊效果。通過對本課題的研究可以對半主動激光制導導引頭的組成原理有較深入的了解，并提出相應的改進方案，對提高激光制導武器的戰場生存能力和打擊能力有重要意義。

選用激光半主動制導體制可以使導彈的射程更遠（達6 km以上），可以采用曲射彈道攻擊坦克較為薄弱的頂裝甲；在整個射擊過程中，只需在最后8s用激光照射器照射目標，減少了照射器暴露的機會；在有其它照射器協助的情況下，可間接射擊。

激光半主動尋的制導武器系統一般由彈體（如導彈、炸彈、炮彈等）、彈體的載體（如飛機、坦克、艦船等）和激光目標指示器三部分組成。當執行戰斗任務時，安裝有激光照射源的載體在空中或地面向攻擊目標發射激光束，當安裝在導彈上的導引頭捕獲到從目標反射回來的激光束后，就直奔目標而去并將其摧毀。

隨著紅外煙幕、紅外誘餌彈及紅外干擾機等多種干擾手段的出現與發展，傳統的紅外尋的制導武器逐漸失去了原有的作戰威力，有時甚至根本不起作用[2]。為改變這一狀況，各國均在努力改進制導武器的性能并積極探索新的制導方法。激光半主動尋的制導就是由彈外的激光束照射在目標上，并由彈上的激光尋的器利用目標反射的激光，實現對目標的跟蹤和對彈的控制，從而將彈導向目標的一種精確制導方法，是一種十分重要且有較強抗干擾能力的制導體制，20世紀90年代發生的幾起局部戰爭表明，激光半主動尋的制導武器已成為現代戰場的主戰武器之一。

1 課題背景和意義

在激光半主動尋的制導中，激光導引頭經常使用的有雙四元、單四元、三元和二元等多種形式象限探測器組件；如俄羅斯紅土地末制導炮彈采用雙四象限探測器。四象限探測器再配合自動駕駛儀等動力裝置，可以很方便可靠的完成制導、跟蹤任務。位于導引頭最前端的四象限光電探測器和自動增益控制放大電路的電路設計是整個導引頭設計的關鍵，是捕獲目標、判斷目標位置、分析目標狀態的第一手信息的重要部分。實際工程運用中常常把四象限光電探測器和自動增益控制放大電路制作成帶自動增益控制的象限光電放大器組件，封裝在同一小型的金屬殼體內，以提高整個導引頭的光電探測系統的靈敏度和可靠性。本文主要是在分析四象限光電探測器工作原理的基礎之上，利用單片機仿真。

2 導引頭的工作原理及過程

2.1 制導規律

所謂制導規律，是指在制導過程中，調節彈的飛行參數所遵循的某種規律。選擇的制導規律不同，控制的最終結果、所適應的使用條件、要求的彈體過載及導引頭機構的復雜程度都會不同[5]。對制導規律一般有如下幾個要求：（1）保證系統有足夠的制導準確度；（2）導彈的整個飛行彈道，特別是攻擊區內，理想彈道曲率應盡量小，保證所需的導彈過載??；（3）保證飛行的穩定性，導彈的運動對目標運動參數的變化不敏感；（4）制導設備盡可能簡單。

在導彈飛行過程中，制導規律決定導彈和目標或導彈、目標和指導站之間的運動學關系。一般制導規律有以下幾種：

（1）姿態追蹤法制導

在采用這種制導規律時，要求彈體軸線指向目標。因此，姿態追蹤的導引頭所要測量的是彈軸與目標視線的夾角，只要導引頭與彈體固連，其光學軸與彈體軸線一致，就能夠測量這一誤差角。

（2）速度追蹤法制導

它要求彈的速度向量指向目標。這與姿態追蹤制導不同，速度追蹤導引頭測量的是彈的速度向量與目標視線之間的夾角。為了測量這個角度，首先需要建立速度向量的測量基準，在彈的飛行過程中，導引頭的這一測量基準軸要隨彈的速度方向而變化。這通常是利用風標來實現的。速度追蹤的導引頭依靠萬向支架與彈體相連，并由風標將其軸線穩定在彈道風的方向，及彈的空速方向。

（3）比例導引制導

在激光制導導彈和制導炮彈中，比例導引制導用得最為普遍。它要求彈的橫向加速度與目標視線角速度成正比，及彈的速度向量的旋轉角速度與視線角速度成比例。比例導引制導導引頭的首要任務是要跟蹤目標并測量出目標視線的旋轉角速度。這通常是靠螺來穩定導引頭的瞄準軸，并用萬向支架與導彈連接來實現的。

2.2 導引頭工作原理

激光制導武器的核心器件便是激光導引頭。激光導引頭利用目標反射的激光,實現對目標的跟蹤和控制,直至導彈命中目標。

激光尋的制導是由彈外或彈上的激光束照射在目標上，彈上的激光導引頭利用目標反射的激光，實現對目標的跟蹤。導引頭的主要功能是：接收由激光器發射經目標漫反射后的激光回波信號，并獲得誤差信號；按制導規律測定某參量，送入控制系統，搜索和跟蹤目標。為完成這兩項任務，導引頭由兩個主要部分組成：位標器和電子艙。它屬于專業涉及面寬、系統復雜、技術密集度高的光、機、電緊密結合的彈載末端精確制導部件。

激光制導炮彈的射程一般在3~20km之間。從激光照射器的性能和對抗的角度出發，它不可能在全程內一直照射，所以必須在離目標一定距離時導引頭才開始工作。因此，它屬于末端制導。報道表明只要這一距離大于2km,就能有效擊中目標。

2.3 半主動激光制導原理

激光制導，就是以激光為信息載體，把導彈，炮彈或炸彈引向目標而實施精確打擊的先進技術。精準是激光制導武器的鮮明特點，由于激光的單色性好，光束的發散角小，敵方很難對制導系統實施有效干擾，因而它具有了其它制導方式無法匹敵的優勢。所以，當激光制導武器攻擊固定或活動目標時，精度一般在1m以內，命中率極高。激光制導武器甚至還可以從通氣孔進入，炸毀地下目標，令敵方防不勝防。激光制導與紅外，雷達，GPS等實現復合制導，則更有利于提高制導精度和應付各種復雜的戰場環境，從而發揮全天候作戰的優勢。

激光制導方式有半主動尋的式，全主動尋的式和波束式（架束式）三種。目前激光制導武器中大都采用半主動激光制導方式，即導引頭（它安裝在彈上，被用來自動跟蹤目標并測量彈的飛行誤差）與激光照射裝置分開配置于兩地，前者隨彈飛行，后者置于彈外。激光照射器用來指示目標，故又稱激光目標指示器。導引頭通過接收目標反射的激光照射器照射的激光或直接接收照射激光，引導導彈飛向目標。

半主動式激光制導。半主動式激光回波制導系統的工作過程是：激光發射機作為信號源裝在地面、車船或飛機上，發射激光束為制導武器指示目標，彈上的激光導引頭接收目標反射的激光信號，并跟蹤目標上出現的激光光斑，引導戰斗部飛向激光光斑，最終命中目標。半主動式回波制導廣泛應用于各種武器的制導系統中，如激光制導炸彈、激光制導導彈、激光制導炮彈等，是所有制導武器中制導精度最高的。

全主動式激光制導。這種制導方式是將激光照射器和目標尋的器都裝在彈上，由激光照射器發射激光，目標尋的器接收目標反射回的激光信號，再通過彈上控制系統將彈體引向目標。

波束式激光制導。激光波束制導又叫激光駕束制導，其工作過程是：激光照射器先捕捉并跟蹤目標，給出目標所在方向的角度信息，然后經火控計算機控制彈體發射架，以最佳角度發射導彈，使它進入激光波束中（進人波束的方向要盡可能與激光束軸線的方向一致）。彈體在飛行過程中，彈上激光接收機接收到激光器直接照射到彈上的激光信號，從中處理出制導所需的誤差量，即彈體軸線與激光束軸線的偏離方向和大小，并將這個誤差里送入彈的控制系統，由控制系統控制彈的飛行方向和姿態，始終保持彈與激光照射光束的重合，最終將戰斗部引導于目標上。此種制導方式就像讓導彈騎在激光束上滑行一樣，所以俗稱“駕束制導”。

激光半主動制導屬于尋的制導。典型的激光半主動制導武器系統主要由帶激光半主動導引頭的導彈（炸彈，炮彈）及發射平臺和激光目標指示器構成。激光半主動制導的基本原理是：用激光器發射激光束照射目標，裝于彈體上的激光接收裝置則接收照射的激光信號或目標反射的激光信號，算出彈體偏高照射或反射激光束的程度，不斷調整飛行軌跡，使戰斗部沿著照射或反射激光前進，最終命中目標。

3 四象限光電檢測電路

圖1 四象限光電檢測電路

本課題用了光電耦合器作為傳感器。光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉換器件。它由發光源和受光器兩部分組成。把發光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內，彼此間用透明絕緣體隔離。發光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集成電路型等。模擬開關使用4066，相關器的參考信號是來自激光目標指示器的同步脈沖，是值為0、1的數字量，控制模擬開關的關閉和導通。濾波器電阻為10K，電容為0.05uF，每路檢測電路的輸出信號基本上是直流信號，經過后面的ADC調理電路作一定的幅度調整和電平平移后進入ADC轉換為數字信號。

光學系統和四象限光電探測器都放在陀螺裝置里面，四象限光電探測器裝在陀螺軸上，陀螺軸和光學系統的光軸重合。目標上的激光光斑漫反射信號經過陀螺裝置上的光學系統匯聚后成像在四象限光電探測器上，四象限光電探測器將激光信號轉換為電信號，根據四個象限的信號輸出可以得到目標像點的離軸誤差。探測器輸出的光電信號經過放大和調理后進入模數轉換器(ADC)轉換成數字量，再送入CPU中處理。CPU解算數字化后的光電信號可以得到目標(激光光斑)的方位信息，并據此控制陀螺進動，使得陀螺軸對準目標上的激光光斑，這樣實現了對目標的實時動態跟蹤。

在半主動激光導引頭中的四象限光電探測器相關檢測電路是至關重要的。為提高導引頭檢測電路的抗干擾能力，抑制噪聲干擾，設計中，使用相關檢測電路，可以大幅提高信號的信噪比。

激光目標指示器發出的激光是脈沖編碼的。為提高導引頭檢測電路的抗干擾能力，導引頭根據激光目標指示器的編碼同步信號來檢測激光反射光斑信號，提取出有用的激光制導編碼和幅度信息，抑制背景干擾。本課題中，根據信號特點，使用相關檢測技術可以大幅提高信號的信噪比。圖2(a)是本課題使用的相關檢測電路，前面的模擬開關是相關器，后面的RC電路是積分器。同步相關脈沖(參考信號)來自目標指示器，是與激光目標指示器信號形狀和周期相同、具有一定相移的信號。探測到的激光制導脈沖信號，Vs=Af(t-t0)Vn,參考信號fr(t)=f(t)。參考信號控制模擬開關s的開和關，經過開關后的信號再經過積分器濾波 (如圖3)，得到的直流信號就是激光脈沖信號的幅度，而噪聲干擾被大幅度的衰減了。圖2（b）是相關器的數學模型，模擬開關可以看作是一個乘法器，參考信號Vr是值為0和1的脈沖，經過開關后的信號V's是輸入信號Vs和參考信號Vr的乘積

圖2 相關檢測

圖3 濾波器（積分器）

圖4 f(t)函數

用一個矩形波函數f(t)(如圖4)來表示信號Vs和Vr,

其中，V(t)是噪聲和干擾，f(t)是一個純數學函數，f(t-t0)表示信號經過電路后有了一定的相位延遲。

將f(t)作傅立葉級數展開，得到

相關器的信號輸出信號V's=Vs·Vr=Af(t-t0)·F(t)+Vn(t)·f(t)，將（4）帶入得到:

相關器的輸出信號經過積分器 (實際上是一個濾波器)后，交流成分被濾去，留下直流成分:

這個值與激光信號幅度A成正比。而噪聲和非直流干擾由于與參考信號Vr不相關，與Vr相乘后是交流成分，經過濾波器后就被濾去了。

濾波器的R和C參數要選擇得當。對于本課題來說，濾波器要盡可能的濾掉相關運算后輸出來的交流成分;同時又要考慮系統的響應，激光目標指示器發射的激光制導脈沖重頻為40Hz，所以濾波器的帶寬應該在40Hz以上，且40Hz以內信號的相移要非常小。

4 總體設計

單片機是整個導引頭搜索與跟蹤控制系統的核心，單片機根據采集到的光電信號，判斷是否找到目標并計算出目標的方位坐標。因為單片機只能處理數字量，而光電探測器采集到的光電信號為模擬量，因此模數轉換是必需的。本課題中，采用AT89C51單片機作為控制芯片，模數轉換采用ADC0808。其中，P1口用于接收四路光電信號。

程序開始后先進行初始化，對器件進行設置、定義變量。變量主要用于保存模數轉換的結果，計算的中間結果，一些標志位等。器件設置主要是端口設置、ADC設置、中斷設置等。

初始化完畢后，進行模數轉換，根據轉換的結果判斷導引頭是否搜索到目標以及目標所在的方位。

圖5 程序主流程

程序開始后先進行初始化，對器件進行設置、定義變量。變量主要用于保存模數轉換的結果，計算的中間結果，一些標志位等。器件設置主要是端口設置、ADC設置、中斷設置等。

初始化完畢后，進行模數轉換，根據轉換的結果判斷導引頭是否搜索到目標以及目標所在的方位。

5 結束語

通過實驗板的實驗以及用軟件仿真得到了預期的效果。能夠完成由計算機生成場景，通過投影儀投到漫反射屏上，激光目標指示器則發射激光制導脈沖，投射到漫反射屏場景中的目標上，導引頭能夠捕獲和跟蹤目標上反射的激光光斑，引導導引頭實時動態指向目標。