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全捷联激光半主动导引头线性视场研究

张鑫 杜智远 乔彦峰 刘慧 白杨 朱明超 刘立刚 贾宏光

张鑫, 杜智远, 乔彦峰, 刘慧, 白杨, 朱明超, 刘立刚, 贾宏光. 全捷联激光半主动导引头线性视场研究[J]. 中国光学, 2015, 8(3): 415-421. doi: 10.3788/CO.20150803.0415
引用本文: 张鑫, 杜智远, 乔彦峰, 刘慧, 白杨, 朱明超, 刘立刚, 贾宏光. 全捷联激光半主动导引头线性视场研究[J]. 中国光学, 2015, 8(3): 415-421. doi: 10.3788/CO.20150803.0415
ZHANG Xin, DU Zhi-yuan, QIAO Yan-feng, LIU Hui, BAI Yang, ZHU Ming-chao, LIU Li-gang, JIA Hong-guang. Study on linear field of strapdown semi-active laser seeker[J]. Chinese Optics, 2015, 8(3): 415-421. doi: 10.3788/CO.20150803.0415
Citation: ZHANG Xin, DU Zhi-yuan, QIAO Yan-feng, LIU Hui, BAI Yang, ZHU Ming-chao, LIU Li-gang, JIA Hong-guang. Study on linear field of strapdown semi-active laser seeker[J]. Chinese Optics, 2015, 8(3): 415-421. doi: 10.3788/CO.20150803.0415

全捷联激光半主动导引头线性视场研究

doi: 10.3788/CO.20150803.0415
基金项目: 中国科学院知识创新工程国防科技创新资助项目(No.YYYJ-1122)
详细信息
    通讯作者: 张 鑫(1985-),男,吉林德惠人,助理研究员,2009年于天津大学获得硕士学位,主要从事光学技术、激光技术方面的研究。E-mail:xin_tju@163.com杜智远(1976-),男,山东莱州人,硕士,主要从事光电测量与控制方面的研究。E-mail:51077993@qq.com乔彦峰(1962-),男,吉林长春人,研究员,博士生导师,1985年于东南大学获得学士学位,主要从事光电测量与控制方面的研究。E-mail:YanFengQiao@ciomp.ac.cn刘 慧(1983-),男,山西朔州人,副研究员,2011年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事光电平台精密伺服控制等方面的研究。E-mail:liuh6009@163.com白 杨(1983-),女,辽宁鞍山人,副研究员,2011年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事软件工程、图像处理等方面的研究。E-mail:baiy776@163.com朱明超(1980-),男,吉林长春人,副研究员,2011年于吉林大学获得博士学位,主要从事惯性稳定平台运动学、动力学与控制方面的研究。E-mail:mingchaozhu@gmail.com刘立刚(1987-),男,吉林松原人,研究实习员,2013年于哈尔滨工程大学获得硕士学位,主要从事光电平台精密伺服控制方面的研究。Email:liuligang0304@163.com贾宏光(1971-),男,黑龙江五常人,研究员,博士生导师,2000年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光机电系统微小型化与精确制导技术的研究。E-mail:jiahg@ciomp.ac.cn
  • 中图分类号: TN29

Study on linear field of strapdown semi-active laser seeker

  • 摘要: 针对全捷联半主动导引头大线性视场的要求,分析了四象限光电系统线性视场与目标距离的关系。首先根据系统参数计算不同能见度、不同目标反射率下的目标距离与导引头接收光功率关系;通过建立光学系统的仿真模型,利用光线追迹方法获得不同视场对应的探测器光敏面光斑功率分布;最后结合探测器灵敏度阈值,得到线性视场与接收激光功率的关系:随着目标距离减小,线性视场从0°增大到光学设计理论值。实验测试结果表明,线性视场随着接收功率增大,从0°增大到±9°,与理论分析一致。因此,全捷联半主动激光制导系统设计应该考虑导引头线性视场变化规律。
  • 图  1  四象限探测器光敏面接收功率与目标距离关系

    Figure  1.  Relationship between QD received power and target distance

    图  2  四象限探测器上的光斑

    Figure  2.  Light spot on the QD

    图  3  光学系统仿真

    Figure  3.  Simulation of the optical system

    图  4  不同方向、不同视场光斑功率分布情况

    Figure  4.  Spots power distribution for different directions and fields

    图  5  不同视场下最小光斑面积象限接收功率的百分比

    Figure  5.  Percentage of received minimum power on QD

    图  6  不同能见度、不同目标反射率对应的线性视场

    Figure  6.  Linear field for different visibility and target reflectivity

    图  7  实验系统原理框图

    Figure  7.  Principle diagram of testing system

    图  9  线性视场与总接收功率关系

    Figure  9.  Relationship between Linear field and total received power

    图  8  探测器噪声电压

    Figure  8.  Noise voltage of the QD

  • [1]

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出版历程
  • 收稿日期:  2014-12-23
  • 录用日期:  2015-02-21
  • 刊出日期:  2015-01-25

全捷联激光半主动导引头线性视场研究

doi: 10.3788/CO.20150803.0415
    基金项目:  中国科学院知识创新工程国防科技创新资助项目(No.YYYJ-1122)
    通讯作者: 张 鑫(1985-),男,吉林德惠人,助理研究员,2009年于天津大学获得硕士学位,主要从事光学技术、激光技术方面的研究。E-mail:xin_tju@163.com杜智远(1976-),男,山东莱州人,硕士,主要从事光电测量与控制方面的研究。E-mail:51077993@qq.com乔彦峰(1962-),男,吉林长春人,研究员,博士生导师,1985年于东南大学获得学士学位,主要从事光电测量与控制方面的研究。E-mail:YanFengQiao@ciomp.ac.cn刘 慧(1983-),男,山西朔州人,副研究员,2011年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事光电平台精密伺服控制等方面的研究。E-mail:liuh6009@163.com白 杨(1983-),女,辽宁鞍山人,副研究员,2011年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事软件工程、图像处理等方面的研究。E-mail:baiy776@163.com朱明超(1980-),男,吉林长春人,副研究员,2011年于吉林大学获得博士学位,主要从事惯性稳定平台运动学、动力学与控制方面的研究。E-mail:mingchaozhu@gmail.com刘立刚(1987-),男,吉林松原人,研究实习员,2013年于哈尔滨工程大学获得硕士学位,主要从事光电平台精密伺服控制方面的研究。Email:liuligang0304@163.com贾宏光(1971-),男,黑龙江五常人,研究员,博士生导师,2000年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光机电系统微小型化与精确制导技术的研究。E-mail:jiahg@ciomp.ac.cn
  • 中图分类号: TN29

摘要: 针对全捷联半主动导引头大线性视场的要求,分析了四象限光电系统线性视场与目标距离的关系。首先根据系统参数计算不同能见度、不同目标反射率下的目标距离与导引头接收光功率关系;通过建立光学系统的仿真模型,利用光线追迹方法获得不同视场对应的探测器光敏面光斑功率分布;最后结合探测器灵敏度阈值,得到线性视场与接收激光功率的关系:随着目标距离减小,线性视场从0°增大到光学设计理论值。实验测试结果表明,线性视场随着接收功率增大,从0°增大到±9°,与理论分析一致。因此,全捷联半主动激光制导系统设计应该考虑导引头线性视场变化规律。

English Abstract

张鑫, 杜智远, 乔彦峰, 刘慧, 白杨, 朱明超, 刘立刚, 贾宏光. 全捷联激光半主动导引头线性视场研究[J]. 中国光学, 2015, 8(3): 415-421. doi: 10.3788/CO.20150803.0415
引用本文: 张鑫, 杜智远, 乔彦峰, 刘慧, 白杨, 朱明超, 刘立刚, 贾宏光. 全捷联激光半主动导引头线性视场研究[J]. 中国光学, 2015, 8(3): 415-421. doi: 10.3788/CO.20150803.0415
ZHANG Xin, DU Zhi-yuan, QIAO Yan-feng, LIU Hui, BAI Yang, ZHU Ming-chao, LIU Li-gang, JIA Hong-guang. Study on linear field of strapdown semi-active laser seeker[J]. Chinese Optics, 2015, 8(3): 415-421. doi: 10.3788/CO.20150803.0415
Citation: ZHANG Xin, DU Zhi-yuan, QIAO Yan-feng, LIU Hui, BAI Yang, ZHU Ming-chao, LIU Li-gang, JIA Hong-guang. Study on linear field of strapdown semi-active laser seeker[J]. Chinese Optics, 2015, 8(3): 415-421. doi: 10.3788/CO.20150803.0415
    • 捷联导引头包括半捷联结构和全捷联结构,半捷联结构与常规框架结构相比,由于不需要速率陀螺,在成本、体积和质量方面具有较大优势,近年来已经得到了广泛应用,而全捷联结构在半捷联结构基础上,又省去了万向节、角位置驱动器和传感器,没有任何活动部件,成本、体积和质量方面进一步减小,在导引制导领域有着重大的研究潜力和应用价值[1, 2]。激光半主动制导作为技术成熟、应用广泛、精度极高的一种制导方法,将其应用到全捷联制导技术中已经成为国内外研究机构的研究热点[3, 4]。美国埃尔比特公司推出了大视场全捷联激光半主动导引头[5],美国空军学院也在积极研发低成本高性能全捷联大视场激光半主动导引头[6]。全捷联导引头没有万向节框架,光学系统视场即为导引头最大视场范围,所以要求光学系统具有大视场,国内外研究机构对大视场激光四象限光学系统进行了研究[7, 8, 9],目前国内已经公开报道的最大接收视场能够做到±15°,但是最大线性视场仅为±6°[10]。美国洛马公司应用光学弥散和二元光学技术成功研制了±15°大视场激光导引头[11],但是并未深入讨论视场线性区与非线性区关系,而线性视场范围对于制导控制策略和打击精度都极为重要[12]。事实上,当目标光斑离轴视场较大时,由于目标较远或者天气等不利因素影响,探测器的某一个或者两个象限接收的激光功率过低,导致无法正确获得目标方位,而当导弹接近目标时,接收到的激光功率增大,又能够正确获得目标方位,此种情况下,导引头视场的线性区是随距离等条件变化的,深入研究导引头视场的线性区变化规律,能够有效指导设计导弹制导控制策略。

      本文利用Lighttools光学软件建立一种大线性视场导引头光学系统光线追迹模型,分析不同视场下四象限探测器(QD)光敏面上的光斑功率分布,研究了导引头线性视场与接收激光功率之间的关系,得出了导引头线性视场随着目标距离的减小而增大的结论,并通过实验验证了该结论。

    • 激光半主动导引头四象限探测器光敏面接收功率为[13] 式中:D为光学系统孔径,RM为目标距离,PL为激光照射器峰值功率,ρT为目标反射率,TR为光学系统透过率,TA为大气透过率,cosθ为目标表面法线与激光接收方向夹角。

      实际应用中,激光照射器和导引头光学系统都是确定的,目标表面法线与激光接收方向夹角取决于弹道特性,这里只分析两种典型天气条件下和两种不同目标反射率条件下,四象限探测器光敏面接收功率随着目标距离的变化情况。光学系统孔径为25 mm,典型激光照射器照射下,计算结果如图 1中曲线所示,方形曲线表示能见度20 km、目标反射率0.4条件下接收功率随目标距离的变化关系;圆形曲线表示能见度8 km、目标反射率0.4条件下接收功率随目标距离的变化关系;正三角形曲线表示能见度20 km、目标反射率0.1条件下接收功率随目标距离的变化关系;倒三角形曲线表示能见度8 km、目标反射率0.1条件下接收功率随目标距离的变化关系。随着目标距离减小,探测器接收功率迅速增大。

      图  1  四象限探测器光敏面接收功率与目标距离关系

      Figure 1.  Relationship between QD received power and target distance

    • 四象限探测器光敏面由4个面积相等的90°扇形光敏面组成,如图 2白色大圆区域所示,灰色小圆区域表示激光光斑。光斑同时覆盖4个光敏面区域且无溢出,可准确计算出光斑中心位置,光斑此时所处区域称为光敏面线性区,对应的光学接收视场称为线性视场。光斑中心计算要求每个区域的接收功率都要大于灵敏度阈值功率,需要分析光敏面上的光斑分布,由于光敏面和光斑的圆对称性,只分析光敏面1/8扇形区域光斑分布即可,选择图 2中0°方向和45°方向之间的区域,在此区域内,光斑偏离中心位置时,第三象限光敏面的光斑面积最小,且光斑中心偏离同样距离时,向0°方向偏离时第三象限光敏面的光斑面积相对最大,向45°方向偏离时第三象限光敏面的光斑面积相对最小,所以只需分析0°方向和45°方向的光斑偏离,其他方向对应的某象限最小光斑面积在二者之间。

      图  2  四象限探测器上的光斑

      Figure 2.  Light spot on the QD

      由于实际设计的光学系统有像差存在,光斑不均匀且光斑形状也随位置变化,需要通过光学建模,采用光线追迹方法分析光斑在光敏面上的功率分布。图 3为Lighttools 光学软件中导引头光学系统模型,光学系统从左至右依次为头罩、窄带滤光片、透镜组、探测器窗口和探测器光敏面。

      图  3  光学系统仿真

      Figure 3.  Simulation of the optical system

      采用蒙特卡洛法追迹1 000万条光线,随机误差小于1%,在0°方向和45°方向分别从0°视场间隔1°依次分析到12.5°视场,图 4(a)为0°视场光斑功率分布,图 4(b)为0°方向12.5°视场光斑功率分布,图 4(c)为45°方向12.5°视场光斑功率分布。

      图  4  不同方向、不同视场光斑功率分布情况

      Figure 4.  Spots power distribution for different directions and fields

      图 4中可以看出,光学系统设计光斑并不是理想均匀的,而且当视场较大时,光斑呈椭圆分布,所以光斑在4个象限光敏面的功率分布必须通过光学仿真分析,对光敏面接收的光斑进行功率归一化计算,分别得出第三象限光敏面在0°方向和45°方向接收的光功率百分比与视场的关系,如图 5中曲线所示,可以看出,第三象限即最小光斑面积象限接收功率百分比随视场增大近似呈线性减小,0°方向减小最慢,12.5°时第三象限功率所占百分比为4.5%,45°方向减小最快,12.5°时第三象限功率所占百分比为2.2%。

      图  5  不同视场下最小光斑面积象限接收功率的百分比

      Figure 5.  Percentage of received minimum power on QD

    • 探测器噪声[14, 15]由光敏面噪声和放大器噪声组成,其中光敏面噪声包括散粒噪声和通道电阻热噪声,放大器噪声包括反馈电阻热噪声和跨阻放大器电流噪声。各项噪声都是相互独立的随机噪声,总噪声等于各项噪声平方和的方根。根据探测器光敏面参数和放大器参数,计算得到探测器噪声的理论值为42 nA。

      阈值信噪比由导引头探测概率和虚警率决定,本系统要求探测概率大于98%,虚警率小于10%,计算得到阈值信噪比为6.3。

      探测器阈值灵敏度等于探测器噪声乘以阈值信噪比,探测器阈值灵敏度为264 nA,探测器光敏面光电响应率为0.4 A/W,计算得到探测阈值灵敏度功率理论值为0.66 μW。

    • 通过上一节分析,可计算出最小光斑功率象限在不同目标距离、不同视场条件下的接收功率,此功率值若大于阈值灵敏度功率,则可准确计算出光斑中心位置,即光斑落在光敏面的线性区内,若此功率值小于阈值灵敏度功率,则光斑落在光敏面的线性区外,所以光敏面线性区范围与目标距离相关,且目标距离越小,光敏面线性区越大。本系统的探测阈值灵敏度功率理论值为0.66 μW,得出光敏面的线性区范围,图 6(a)(b)(c)(d)分别表示能见度20 km和目标反射率0.4、能见度8 km和目标反射率0.4、能见度20 km和目标反射率0.1、能见度8 km和目标反射率0.1条件下接收系统线性视场与目标距离关系,且不同方向的线性视场不同,方块曲线表示探测器0°方向,圆圈曲线表示探测器45°方向,探测器其他方向的线性区落在这两条曲线之间。

      图  6  不同能见度、不同目标反射率对应的线性视场

      Figure 6.  Linear field for different visibility and target reflectivity

      从图中可以看出,能见度20 km和目标反射率0.4条件下,导引头在弹目距3 km时,线性视场为±7°~±8°,弹目距1.6 km时,线性视场达到光学设计值±12.5°;能见度8 km和目标反射率0.4条件下,导引头在弹目距2.8 km,线性视场为±0.1°~±0.5°,弹目距1 km时,线性视场达到光学设计值±12.5°;能见度20 km和目标反射率0.1条件下,导引头在弹目距2.4 km时,线性视场为±0.1°~±0.5°,弹目距0.7 km时,线性视场达到光学设计值±12.5°;能见度8 km和目标反射率0.1条件下,导引头在弹目距1.7 km时,线性视场为±0.1°~±2.2°,弹目距0.7 km时,线性视场达到光学设计值±12.5°。

      导引头线性视场随着目标距离的减小而增大,视场上限是光学设计理论视场。不同大气能见度和不同目标反射率条件下,由于接收激光功率不同,相同距离的线性视场不同。

    • 测试实验中采用光敏面直径为10 mm的四象限探测器,光学系统的理论线性视场为±10°,实验装置示意图如图 7所示。

      图  7  实验系统原理框图

      Figure 7.  Principle diagram of testing system

      脉冲激光器发射激光经过可调衰减片照射在透射散射屏上,用来模拟激光散射目标,用挡光舱罩住激光光路,防止激光杂散光干扰测试。导引头安装在10 m外的二维角度调整台上,初始位置对准透射散射屏。调解衰减片可模拟不同强度的激光散射目标,调整导引头角度可测量此条件下的线性视场范围。

      首先测试探测器噪声,4个象限噪声特性基本相同,其中一个象限的测得结果如图 9所示,噪声电压标准差为3.6 mV 。结合激光信号的脉冲时域特性,实测中将信号检测阈值信噪比设为3,此信噪比在实验室环境下可以准确无误地检测到激光信号,则4个象限阈值灵敏度电压均为10.8 mV。

      图  9  线性视场与总接收功率关系

      Figure 9.  Relationship between Linear field and total received power

      探测器接收总功率电压在40 mV左右时,开始能够检测信号并提取光斑中心位置,即开始获得线性视场。边缘线性视场时接收光功率最小的象限接收功率约为总功率2%左右,则接收总功率达到500 mV左右时,线性视场可接近理论设计值。

      线性视场实际测试结果如图 8曲线所示,横坐标为探测器光敏面输出的总电压,对应接收到的激光总功率,纵坐标为对应的线性视场范围。从图中可以看出,线性视场范围随着光敏面接收到的总功率增加而增加,从0°增加到±9°,相同接收功率下,0°方向线性视场大于45°方向线性视场。实测结果与理论分析相符。

      图  8  探测器噪声电压

      Figure 8.  Noise voltage of the QD

    • 本文研究一种大线性视场激光导引头光电探测系统,分析了不同视场下四象限探测器光敏面上的光斑功率分布,将接收能量最少的象限接收功率与探测灵敏度阈值相比较,得出了导引头线性视场随天气条件、目标特性和目标距离的变化关系,即导引头线性视场随接收功率增大而增大,导引头线性视场随着目标距离缩小,从接近0°扩大到接近光学理论最大视场。实验测试中,线性视场随着接收功率的增加从0°增大到±9°,验证了该结论的正确性,可用于指导半主动激光制导系统设计。

参考文献 (1)

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