半主動激光制導能量傳輸與模擬技術

劉克儉，苗錫奎，徐晨陽，王 燁，張軍強,*，楊 斌，孫婷婷*

(1.中國人民公安大學 遙感中心，北京 100038；2.中國洛陽電子裝備試驗中心 光電對抗測試評估技術重點實驗室， 河南 洛陽 471000；3.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；4.長光禹辰信息技術與裝備(青島)有限公司，山東 青島 266000)

1 引 言

半主動激光制導武器以其制導精度高、抗干擾能力強、環境氣候適應能力強、結構簡單、成本低、通用性強的優勢一直在局部戰爭中占據重要地位，從20世紀60年代開始就得到了廣泛的應用?，F役裝備中半主動激光制導武器的典型代表為[1]：美國的Paveway和俄羅斯的KAB-1500L激光制導炸彈；美國Hellfire、AGM-65E、法國AS-30L和俄羅斯X-25ML激光制導導彈；美國銅斑蛇、俄羅斯紅土地、以色列火球等激光制導炮彈；以及美國BAE公司的AKPWS-II[2]和洛克希德馬丁公司的DAGR激光制導火箭彈等。半主動激光制導武器主要由半主動激光導引頭、彈體、制導控制系統和目標激光指示器等部分組成。激光照射器指向并照射目標，導引頭接收目標漫反射激光回波能量，測量出體視線角，并根據制導控制律計算舵偏角指令，控制彈體向目標飛去，最終命中目標。

檢測激光制導武器的精度一般可采用實彈打靶法、半實物仿真法與數值仿真法等。據美國大西洋導彈測試基地的統計，美國軍方超過90%的武器系統的鑒定、評估數據來自于半實物仿真的結果。通過半實物仿真能夠有效評估干擾效果，并縮短武器研發與試驗周期，降低研發與試驗費用，是武器研發試驗中一種極其有效的方法[3-5]。常用的半主動激光制導回波能量模擬主要有漫反射法與注入法。漫反射法能夠較真實地模擬出激光在目標表面的漫反射特性，但所需條件設備復雜、試驗場地要求苛刻且成本較高；注入法可通過建立制導過程的準確數學模型，利用可調衰減激光器產生導引頭接收到的激光回波信號。該方法簡單便捷、成本低，適用范圍廣。

本文主要從半主動激光制導系統工作過程中的能量傳輸鏈路出發，分析并建立激光能量傳輸衰減模型，設計注入式激光模擬器總體架構、光纖耦合、勻光與準直系統，并對其進行了測試及導引頭制導應用驗證。

2 激光制導系統能量傳遞過程建模

2.1 激光制導武器工作過程

半主動激光制導系統主要由機載/地面激光照射器、激光傳遞散射場、目標與激光導引頭等組成[6]，如圖1所示。半主動激光制導武器工作過程受多種因素影響，較為復雜。導引頭與激光照射器配置于兩地，激光照射器發出激光編碼脈沖。在激光光束通過大氣傳輸到達目標過程中會發生不同程度散射與衰減。此外，根據目標漫反射率與照射空間角等不同，激光在目標表面也會發生不同程度漫發射，這些漫反射激光回波再次經過大氣傳輸后被導引頭接收，激光導引頭按預置編碼控制波門開關，若與照射器預設編碼一致，則激光四象限探測器能探測出漫反射激光經導引頭光學系統后的能量，并根據和差法計算出光斑重心位置(即體視線角)，并將其輸出給制導控制系統完成導彈制導。

圖1 半主動激光制導系統原理圖Fig.1 Schematic of semi-active laser guidance system

2.2 激光能量傳輸建模

激光導引頭入瞳處的能量是機載照射器、大氣傳輸及目標反射之間的函數，可以用式(1)表示[7-10]。

(1)

式中，Et為激光照射器的脈沖激光能量，ρ為目標反射率，τaR1為激光照射路程R1上的大氣激光透過率，τaR2為導引頭與目標之間路程R2上的大氣激光透過率，φ為照射器目標視線與目標表面法線的夾角，ε為導引頭光軸與目標表面法線的夾角，Erd為導引頭入瞳處的激光能量密度。

由式(1)可知，激光能量傳輸非常復雜，受多種因素影響，大氣激光透過率除了與傳播路徑長度有關，還與大氣中各成分濃度有很大關系。單程大氣斜程傳輸的大氣透過率為：

(2)

式中，θ是天頂角，k1是地面大氣粒子散射系數，k2是粒子散射標高的倒數，k3是地面大氣分子散射系數，k4是分子散射標高的倒數，它們是與大氣能見度、激光波長有關的量。

當激光在接近地面的大氣層中傳播時，大氣成分、密度等可認為是均勻的，大氣透過率模型可簡化為：

τR1=e-κR1.

(3)

以上為理想狀態下1.06 μm激光在大氣中的傳輸模型。而在實際作戰環境中，存在著各種煙霧、降雨、干擾煙劑等因素。這種局部透過率同樣對激光傳輸起到較大的衰減作用。

降雨狀態下，雨滴尺寸遠遠大于激光波長，其散射系數為降雨強度的函數，降雨引起的衰減系數為[11]：

βr=0.21J0.74,

(4)

此時的激光透過率為：

τr=e-βrR,

其中，R為距離，單位km；J為降雨強度，單位mm/h。

戰場煙劑是一種局部的人造大氣環境，它通常是不均勻且短暫的，激光束通過戰場煙劑的透過率是波長和路徑長度的函數：

τs=e-μCR,

(5)

式中：μ是煙劑消光系數，單位m2/g；C是煙劑濃度，單位μg/m3；R是路徑長度，單位km。表1為幾種典型煙劑的消光系數。

表1 典型煙劑的消光系數

云霧對光波的傳輸也有較大衰減作用，其中卷云的透過率為：

τc=e-0.14L2,

(6)

式中，L為云的厚度，單位km。

激光能量傳輸是大氣傳輸過程與戰場實際作戰場景的串行復合，在半主動激光制導過程能量建模與仿真中，需要分析典型作戰場景中各種傳輸環節，設置多種典型參數，再將各傳輸環節進行串聯處理，如公式(7)所示。

τt=τrτsτc.

(7)

3 激光目標回波能量模擬器設計

3.1 總體方案

激光能量模擬器用于模擬制導過程中不同大氣環境、不同距離下激光導引頭接收到的回波激光能量[12]，主要由激光器單元、驅動電源單元、衰減系統單元、控制系統單元、光纖耦合系統、勻光系統和準直系統等組成。其中，激光器具有大動態范圍能量輸出可調功能；控制單位可以控制激光器輸出，能根據大氣環境和作用距離的變化調整能量輸出；光學耦合系統把激光器輸出激光耦合到光纖中；通過光纖傳輸后由勻光系統進行勻光，最后又經過平行光管進行準直，來模擬遠處目標反射能量，并將其直接輸出給激光導引頭。

圖2 激光能量模擬器總體方案圖Fig.2 Overall scheme diagram of laser energy simulator

3.2 激光器單元

激光器選用DPS-A激光器，為側面泵浦電光調Q式激光器，屬于主動調Q范疇，可產生高峰值功率的脈沖激光，具有結構緊湊，高能量，高峰值功率等優勢。LD側面泵浦源工作在脈沖模式下，能發射較高的單脈沖能量，采用主動的電光調Q方式將脈沖寬度壓縮至納秒范圍內，并且具有可控性。驅動電源中LD電路部分為LD提供高峰值的脈沖電流，實現1 064 nm激光的運轉，Q開關驅動電路用以控制調Q開關，實現納秒級高峰值功率的短脈沖激光，溫度控制器通過控制電路，控制發熱元件的工作溫度，確保激光穩定輸出，同時使諧振腔在恒定溫度范圍內，增強激光器的環境適應性，實現外場環境下的正常運轉。

3.3 激光衰減系統

衰減系統由精密電動位移臺和偏振光學元件組成，高性能偏振光學組件放置在精密光學機械夾上，如圖3所示。

輸入激光經過第一片偏振片由部分偏振光變成偏振光，偏振光穿過半波片時，出射光仍為偏振光，只不過偏振光的振動面旋轉了一定角度(2θ)。此旋轉角的大小取決于入射光振動平面與晶體光軸間的夾角θ。偏振光學元件使用布儒斯特角薄膜偏振器調節，通過分光元件將光束分為P光和S光，一個旋轉石英λ/2波片放置在入射偏振光束上，用來改變P光和S光的比例，從而調節輸出光束能量。這兩束光的強度比例可以在不改變其它參數的情況下連續變化。為不影響衰減后的輸出特性，在激光頭前端放置反射型衰減裝置，衰減后部分激光漫反射到吸收體上，圖3為衰減系統內部結構示意圖。

圖3 衰減系統內部結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of internal structure of the attenuation system

3.4 光學耦合系統

圖4 耦合透鏡圖Fig.4 Coupled lens diagram

光學耦合系統主要作用為將出射激光耦合到光纖中。設計參數如下:激光光斑為6 mm，光纖芯徑為200 μm，NA數為0.39。根據耦合要求，光學系統光斑直徑要小于200 μm，聚焦后光學系統匯聚角要小于46°。設計光學系統焦距為10 mm，光束匯聚角度為33.34°，小于46°，滿足設計要求[13-15]，設計耦合透鏡組如圖4所示，相應的耦合透鏡點列圖如圖4所示，相應的耦合透鏡點列圖如圖5所示。

圖5 耦合透鏡點列圖Fig.5 Spot diagram of coupling lens

3.5 勻光準直系統

勻光準直系統主要由積分球與離軸拋物面組成。由于光纖出射光束不均勻，無法進行直接準直，需要由積分球進行勻光，再在出射口放置小孔光闌，模擬點光源，最后由離軸拋物面進行準直出射，其結構如圖6所示。采用離軸的勻光準直方案有兩個優點，第一可以作為多波段目標模擬器通用方案；二是在裝調測試階段，可以采用可見光波段進行測試。

圖6 勻光準直系統圖Fig.6 Uniform light collimation system

圖7 勻光準直系統光路圖Fig.7 Optical path map of uniform light collimation system

積分球的內徑為30 mm，材質為PTFE，出口處采用小孔光闌攔光，兩者結合可以模擬點光源。拋面鏡是口徑為100 mm的離軸拋面反射鏡，焦距為250 mm，光路圖和點斑圖分別如圖7、圖8所示。

圖8 勻光準直系統點斑圖Fig.8 Spot pattern of uniform light collimation system

4 測量實驗與結果

4.1 激光模擬器測試實驗

依據激光能量傳遞鏈公式，按照圖2構建激光模擬器，如圖9所示。激光模擬器采用級聯能量控制，1號電機控制mJ級的能量變化，2號電機控制μJ級的能量變化，兩者相互配合完成能量模擬。在測試的能量值中取出幾個特征點進行擬合，如圖10所示，可以看出能量的擬合程度很高。如果通過電機將旋轉角度和時間聯系在一起可以很好地完成曲線的穩定擬合。表2給出了能量模擬參數。

圖9 激光模擬器設計圖Fig.9 Design diagram of laser simulator

圖10 特征點與標準曲線擬合Fig.10 Fitting curves of feature points and standard curves

表2 半主動激光導引頭測角結果

由試驗結果可知，模擬相對誤差小于3.0%，表明該系統可以模擬不同距離下目標激光回波能量。

4.2 導引頭標定測試實驗

將激光模擬器與五軸飛行轉臺應用在激光導引頭標定實驗中，將激光模擬器的勻光與準直系統安裝到二軸仿真轉臺上，激光頭安裝于三軸轉臺內框中，通過二軸轉臺模擬不同角度目標回波，激光模擬器用以模擬不同距離目標回波，兩者結合，可以模擬制導過程中任意角度任意距離目標激光回波信號[16-18]。此系統可以標定激光導引頭零位誤差、線性度等參數，相關實驗系統及結果如圖11～圖13和表3所示。

圖11 激光制導半物理仿真系統Fig.11 Laser-guided semi-physical simulation system

圖12 導引頭標定擬合后殘差Fig.12 Residual after seeker calibration fitting

圖13 半主動激光導引頭精度Fig.13 Semi-active laser seeker accuracy

表3 半主動激光導引頭測角結果

從圖12～圖13和表3中可以看出，所研制的半主動激光能量模擬器可以很好地模擬目標回波能量，對導引頭起到很好的標定作用，線性角度范圍內殘差小于0.08°，測角精度小于0.45 mrad。

4.3 末制導半物理仿真實驗

圖14 半物理仿真導引頭實測曲線Fig.14 Measured curves of semi-physical simulation seeker

在以上試驗系統的基礎上，增加彈道仿真計算機、彈載計算機、電動舵機等設備即可構成激光末制導半物理仿真系統，彈道仿真計算機用以計算彈目距離，并根據作戰使用場景設置局部天氣狀況，計算后將結果一并輸出給激光模擬器，模擬整個制導系統的攻擊過程。圖14～圖15是某具體條件下導引頭實測仿真曲線及其誤差值。

圖15 導引頭體視線角誤差Fig.15 Angle error of body line of sight for seeker

由圖14、15可知，激光目標模擬器能夠較好地模擬出制導過程中體視線角的能量變化，導引頭能夠精確跟蹤目標模擬器輸出激光，體視線角跟蹤誤差均小于0.2°，滿足激光末制導系統要求。

5 結 論

本文為模擬實戰環境下半主動激光制導的目標回波能量，設計并研制了注入式激光能量模擬系統。建立了激光在大氣中傳輸發生散射與衰減的模型，選用DPS-A激光器和布儒斯特角薄膜偏振器衰減激光，設計了光纖耦合與勻光準直系統，并進行了激光回波能量模擬實驗、導引頭標定與激光末制導試驗。試驗結果表明：激光回波能量精度小于3.0%，導引頭線性角度范圍內殘差小于0.08°，測角精度小于0.45 mrad，末制導過程體視線角跟蹤誤差小于0.2°。該系統可模擬多種實戰環境中激光能量傳輸情況，且精度高，能夠滿足激光制導半物理仿真要求。