胡紹云,周國家,魯 強(qiáng),李黎明,李海廷,周 毅

(西南技術(shù)物理研究所,四川 成都 610041)

1 引 言

激光捷聯(lián)導(dǎo)引頭在結(jié)構(gòu)上與彈體固連,光學(xué)系統(tǒng)的瞬時視場即為捷聯(lián)導(dǎo)引頭的總視場。與框架式導(dǎo)引頭相比,由于沒有隨動平臺,其總視場相對較小。為提高捷聯(lián)導(dǎo)引頭制導(dǎo)精度,需要提高其視場范圍和線性區(qū)范圍。由激光導(dǎo)引頭測角原理可知,激光導(dǎo)引頭線性區(qū)受制于激光探測器靶面尺寸和光學(xué)系統(tǒng)F數(shù),在四象限探測器靶面尺寸固定的前提下,想要從硬件上擴(kuò)展導(dǎo)引頭視場范圍和線性區(qū)范圍,必須降低光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù),當(dāng)導(dǎo)引頭設(shè)計作用距離固定時,相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)入瞳直徑也確定了,要降低光學(xué)系統(tǒng)F數(shù),只能減小光學(xué)系統(tǒng)焦距,受制于導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)像差及測角精度等因素的限制,光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)不能無限制減小,相應(yīng)的導(dǎo)引頭測角線性區(qū)范圍擴(kuò)展受限。

因此,在目前的硬件條件下,要想擴(kuò)大目前激光導(dǎo)引頭測角線性區(qū),就只能改進(jìn)或優(yōu)化軟件算法。本文提出了一種軟件優(yōu)化算法,可將激光導(dǎo)引頭線性區(qū)向外擴(kuò)展,擴(kuò)展后的激光角度測量值呈粗略線性分布。

2 激光測角原理

激光測角系統(tǒng)一般由光學(xué)系統(tǒng)、四象[1-2]限探測器及前放組件和激光信號處理器等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)用于采集目標(biāo)反射的激光信號,并在四象限探測器靶面上形成光斑半徑為r的均勻光斑,光斑中心位置為(x0,y0),激光探測器的四個象限分別將所覆蓋的激光能量轉(zhuǎn)換成電流信號,再經(jīng)過跨阻放大器和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入激光處理器系統(tǒng),激光處理器系統(tǒng)對激光信號進(jìn)行脈沖展寬、峰值保持等處理,輸入和差比幅電路進(jìn)行目標(biāo)位置解算,利用一定的算法計算探測系統(tǒng)視軸和探測系統(tǒng)與目標(biāo)連線之間的夾角,得到目標(biāo)相對于激光測角系統(tǒng)的俯仰和方位角信息[3]。

激光回波信號在四象限探測器靶面形成的光斑示意圖如圖1所示,o-xyz為四象限探測器靶面坐標(biāo)系,在此坐標(biāo)系內(nèi)將靶面劃分為ABCD四個象限。通過歸一化和差算法可得到光斑中心相對于探測器坐標(biāo)系的位置[4-5],即

圖1 四象限探測器靶面光斑示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser beam on the four-quadrants detector

(1)

(2)

式中,Si,i=A,B,C,D分別表示探測器四個象限上被光斑覆蓋的面積,Pi,i=A,B,C,D分別表示探測器四個象限中光斑所占的激光脈沖峰值功率；k是比例因子,令探測器圓形靶面的直徑為R,根據(jù)激光測角線性和光斑直徑關(guān)系[6-8],當(dāng)光斑直徑取最優(yōu)時,有r=R/2,此時k=r,則式(1)、(2)的有效范圍為{x0,y0∈[-R,R]}。根據(jù)光斑中心位置坐標(biāo),按式(3)、(4)可計算出探測系統(tǒng)光軸與目標(biāo)連線的方位夾角θx和俯仰夾角θy:

(3)

(4)

式中,f為光學(xué)系統(tǒng)焦距；τ為探測器靶面的離焦量。

3 激光測角線性區(qū)算法擴(kuò)展方法

當(dāng)激光光斑偏離探測器靶面中心較遠(yuǎn)時,光斑只在探測器靶面的其中1個或2個象限有分布,無法充滿3個或4個象限,即公式(1)或(2)中后兩項均為0,其計算得到的角度值基本不變,即此時目標(biāo)角度已超出導(dǎo)引頭的工作線性區(qū)[-q,q],處于線性區(qū)外,如圖2所示[9-11],此時激光處理系統(tǒng)只能給出目標(biāo)的大致方位,無法給出較準(zhǔn)確的測量結(jié)果。為提高激光導(dǎo)引頭在線性區(qū)外測角的精度,設(shè)計采用軟件算法補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>

圖2 探測器線性響應(yīng)示意圖Fig.2 The responsive curve of the four-quadrants detector

假定激光導(dǎo)引頭探測器靶面處光斑分布均勻,光斑形狀為圓形,光斑半徑為探測器靶面半徑的一半,當(dāng)目標(biāo)處于導(dǎo)引頭測角線性區(qū)外時,僅有一部分光位于探測器靶面上,如圖3所示,此時光斑質(zhì)心位于極坐標(biāo)(ρ,θ)位置,根據(jù)幾何位置計算,該部分激光光斑的響應(yīng)電壓與光斑離探測器靶面中心的距離嚴(yán)格成線性比例關(guān)系,其線性關(guān)系圖如圖4所示,其線性相關(guān)系數(shù)接近1,線性度較好。據(jù)此可根據(jù)探測器接收到的剩余光斑總能量與線性區(qū)內(nèi)得到的全光斑總能量之比算出光斑質(zhì)心相對于探測器質(zhì)心的距離,剩余光斑總能量為當(dāng)前位置探測器光電轉(zhuǎn)換得到的積分電信號總值,全光斑總能量可通過某一彈目距離下線性區(qū)內(nèi)測得的積分電信號總值和當(dāng)前彈目距離值按公式(5)計算得到:

圖3 光斑位于探測器線性區(qū)外示意圖Fig.3 Schematic diagram of laser beam beyond the linear range of the four-quadrants detector

(5)

式中,Q2為當(dāng)前位置光斑總能量；Q1為為彈目距位置1處光斑總能量；R1為位置1處彈目距離；R1為位置2處彈目距離。

通過得到的剩余光斑能量響應(yīng)值與全光斑能量響應(yīng)值之比,就能根據(jù)圖4所示的光斑離靶面中心距離與線性區(qū)內(nèi)外光斑能量比關(guān)系確定光斑質(zhì)心與探測器靶面中心的距離[12],從而確定目標(biāo)位置的極坐標(biāo)ρ。

圖4 光斑離靶面中心距離與線性區(qū)內(nèi)外光斑能量比關(guān)系示意圖Fig.4 The relation of the distance between center of beam and center of detector and the beam energy ratio in the linear range and out of the linear rang

當(dāng)目標(biāo)光斑偏離探測器靶面線性區(qū)時,如圖3所示,光斑在探測器靶面的第A、D象限均有分布,此時探測器僅有A、D象限有電信號輸出,兩象限剩余光斑輸出比值與光斑質(zhì)心位置的極坐標(biāo)θ值近似成3次多項式關(guān)系,如圖5所示。

圖5 兩象限剩余光斑響應(yīng)比值與光斑質(zhì)心位置θ關(guān)系Fig.5 The relationbetween the responsivity ratio of residual beam in two different quadrants and the position of the beam θ

通過測量得到的兩象限剩余光斑電信號響應(yīng)的比值,可以計算得出目標(biāo)光斑質(zhì)心位置的極坐標(biāo)θ值,進(jìn)而計算得到光斑質(zhì)心相對于探測器靶面中心O的橫坐標(biāo)值為Δx=ρcosθ,縱坐標(biāo)值為Δy=ρsinθ,將計算結(jié)果代入公式(1)～(4)即可計算得出目標(biāo)光斑的俯仰、方位角[13-14],通過對測角系數(shù)的現(xiàn)場標(biāo)定可以得到真實準(zhǔn)確的目標(biāo)角度位置,其測量結(jié)果呈準(zhǔn)線性分布,從而實現(xiàn)了對激光導(dǎo)引頭線性區(qū)的擴(kuò)展。

以上討論的是目標(biāo)回光剩余光斑在線性區(qū)外占有兩個象限的情況,當(dāng)目標(biāo)回光的剩余光斑只占有一個象限時,即探測器只有一個象限有光電信號輸出時,如圖6所示,此時目標(biāo)光斑的極坐標(biāo)ρ值可以根據(jù)圖4所示的光斑離靶面中心距離與線性區(qū)內(nèi)外光斑能量比關(guān)系準(zhǔn)確確定,但θ值無法準(zhǔn)確確定。

圖6 光斑位于探測器線性區(qū)外單一象限示意圖Fig.6 Schematic diagram of beam out of the linear range in single quadrant

ρ值確定表明目標(biāo)質(zhì)心與導(dǎo)引頭視軸中心的距離是準(zhǔn)確可靠的,雖然θ值無法確定,但可以確定其分布的象限,其角度范圍可根據(jù)象限大小大致確定,如當(dāng)其ρ=4 mm時,其角度范圍為{θ∈[40°,50°]},此時可以將該范圍內(nèi)的一個隨機(jī)數(shù)賦給θ值,從而計算得出目標(biāo)相對于導(dǎo)引頭視線的大致俯仰、方位角,得到目標(biāo)的粗略角度位置。

4 結(jié) 論

當(dāng)激光導(dǎo)引頭工作在設(shè)計的線性區(qū)外時,在確定的激光導(dǎo)引頭硬件參數(shù)條件下,通過對激光探測器輸出電信號的綜合處理與運(yùn)用,從軟件算法方面可將激光導(dǎo)引頭線性區(qū)向外大范圍擴(kuò)展,當(dāng)目標(biāo)剩余光斑占有兩個象限時,經(jīng)計算、標(biāo)定,其測量結(jié)果較準(zhǔn)確,擴(kuò)展后的測量結(jié)果與線性區(qū)內(nèi)測量結(jié)果呈準(zhǔn)線性分布,當(dāng)目標(biāo)剩余光斑僅占有一個象限時,其質(zhì)心相對于導(dǎo)引頭視軸的距離可精確確定,但其給出的俯仰、方位角存在較大偏差,通過限定光斑所在象限的角度范圍,可得到目標(biāo)的粗略角度位置。該方法理論上可將激光導(dǎo)引頭的準(zhǔn)線性區(qū)向外擴(kuò)展,大幅度提高激光導(dǎo)引頭線性區(qū)外的測角精度,從而大幅度提高激光導(dǎo)引頭的搜索視場范圍和制導(dǎo)精度。