激光導(dǎo)引頭四象限探測器偏差信號特性研究

梁巍巍，黃振宇，張文攀，殷瑞光，劉艷芳

(中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，洛陽471003)

引 言

從近幾次的世界局部戰(zhàn)爭可以發(fā)現(xiàn)，光電精確制導(dǎo)武器在戰(zhàn)場上發(fā)揮著越來越重要的作用，其中半主動激光制導(dǎo)武器以其高精度、低成本成為使用頻率最高的光電精確制導(dǎo)武器［1-3］。半主動激光制導(dǎo)武器主要依靠武器前端的激光導(dǎo)引頭起作用，四象限探測器(quadrant detector，QD)是導(dǎo)引頭的重要組成元件，主要負(fù)責(zé)搜索和捕獲目標(biāo)的漫反射信號，傳給后續(xù)信息處理電路形成制導(dǎo)指令，導(dǎo)引激光制導(dǎo)武器實(shí)現(xiàn)精確打擊，因此，其性能參量直接影響著激光制導(dǎo)武器的精度［4-5］。參考文獻(xiàn)［6］中分析了傳統(tǒng)四象限測角算法等幾種測角算法在計(jì)算四象限探測器偏差信號的性能;參考文獻(xiàn)［7］中針對四象限探測器的解算偏差信號精度問題，研究了基于不同光斑模型計(jì)算方法存在的誤差;參考文獻(xiàn)［8］中研究了四象限探測器測角算法基礎(chǔ)上，提出了一種將插值法和傳統(tǒng)算法相結(jié)合的改進(jìn)算法，該偏差信號解算算法可有效提高探測定位精度且工程上易實(shí)現(xiàn)［6-8］。從相關(guān)報(bào)道可看出，四象限探測器偏差信號是影響激光導(dǎo)引頭探測定位精度的關(guān)鍵，本文中從四象限探測器探測定位原理出發(fā)，通過研究偏差信號與入射光斑大小、探測器分劃線寬度和背景光強(qiáng)度的關(guān)系，提出了對應(yīng)的優(yōu)化建議，研究結(jié)果有助于提高激光導(dǎo)引頭的探測定位精度。

1 四象限探測器探測定位原理

為了對目標(biāo)進(jìn)行定位，四象限探測器相對光學(xué)系統(tǒng)離焦放置。在激光導(dǎo)引頭搜索跟蹤目標(biāo)過程中，由目標(biāo)漫反射的激光指示信號經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯聚在四象限探測器光敏面上，形成目標(biāo)光斑。如圖1所示，為四象限探測器光敏面示意圖，四象限探測器被中間的間隔分為4份，象限之間的間隔被稱為“分劃線”，分劃線對入射光沒有響應(yīng)［9］。

Fig.1 Schematic diagram of facular on quadrant detector

四象限探測系統(tǒng)通過目標(biāo)光斑在4個(gè)象限上的分布情況，來解算目標(biāo)在空間的位置。如圖2所示，為四象限探測器和差比幅電路原理圖，其中，A，B，C，D分別代表四象限探測器4個(gè)象限，UA為入射光斑在A象限產(chǎn)生的光電壓(其余相同)。當(dāng)目標(biāo)光斑的幾何中心落在探測器的某一象限上，經(jīng)過信息處理電路對信號的處理，輸出導(dǎo)引指令到尾部儀器艙，控制激光制導(dǎo)炸彈舵面偏轉(zhuǎn)，修正彈體的實(shí)際飛行方向與理想的追蹤方向間的偏差，使誤差角減小并逐步趨于0，最終控制激光制導(dǎo)炸彈按導(dǎo)引規(guī)律飛向目標(biāo)。

Fig.2 Block diagram of orientation detection circuitof quadrant detector

假定目標(biāo)漫反射激光指示信號在四象限探測器上形成圓型光斑，半徑為r，光斑能量分布均勻，光斑中心坐標(biāo)(x，y)，則俯仰和偏航方向的偏差信號為［4］:

式中，Ux和Uy分別為四象限探測器x方向和y方向偏差信號電壓;K為比例系數(shù)。

導(dǎo)引頭信號處理一般采用和差比幅電路，以便對輸出信號進(jìn)行歸一化處理。由于各象限輸出的光電流值與接收到的目標(biāo)反射能量有關(guān)，而這一量是隨著探測系統(tǒng)到目標(biāo)的距離變化的，這就加大了對后續(xù)電路動態(tài)范圍的要求，采用和差比幅電路可以消除上述影響。俯仰和偏航方向的偏差信號僅取決于各象限上目標(biāo)光斑的面積之差。于是，(1)式可改寫為:

由(2)式可得，只要測出A，B，C，D這4個(gè)象限的輸出信號和光斑半徑r，即可求得目標(biāo)光斑中心在四象限探測器光敏面上的位置(x，y)。

2 四象限探測器輸出偏差信號特性研究

2.1 入射光斑大小

由(2)式可以看出，偏差信號不僅和入射光斑中心的位置有關(guān)，而且還和入射光斑的大小r有關(guān)。由于四象限探測器分劃線的影響，存在最小入射光斑，即入射光斑小于最小光斑時(shí)，若光斑落入四象限探測器分劃線內(nèi)，則探測器沒有制導(dǎo)信號輸出，如圖3所示，假定四象限探測器分劃線寬度為2a，則入射光斑半徑r至少應(yīng)滿足:

當(dāng)光斑太大，覆蓋了整個(gè)探測器的4個(gè)象限，這樣即使光斑中心不在四象限探測器的中心，俯仰和偏航方向的偏差信號輸出都為0，系統(tǒng)也會判定為光斑在探測器中心，不輸出制導(dǎo)指令，這顯然也是一種誤判。

如圖4所示，為不同入射光斑大小情況下，四象限探測器輸出偏差信號歸一化曲線，四象限探測器x方向的偏差信號電壓Ux和偏移量x均經(jīng)過歸一化處理，歸一化后的范圍為-1～1，r為入射光斑半徑，R為探測器光敏面半徑。當(dāng)入射光斑比較小時(shí)，偏差信號Ux的變化范圍會比較大，但是偏移量x變化范圍比較小，如當(dāng)r/R=1/4時(shí)，偏移量x的變化范圍為-0.3～0.3，偏差信號Ux隨偏移量x變化劇烈，偏移量有一個(gè)小的改變，偏差信號Ux就會有明顯的變化，這說明探測系統(tǒng)靈敏度很高，可以探測到微弱的信號變化，但是探測器的線性范圍比較小。入射光斑半徑慢慢增大到r/R=1/2時(shí)，偏移量x的范圍為 -1 ～1，線性范圍約為 -0.9 ～0.9，偏差信號變化范圍Ux為-1～1，偏差信號Ux隨偏移量x變化變慢，但是探測器的線性范圍比較大;當(dāng)入射光斑增大到r/R=3/4時(shí)，偏移量x的線性范圍為-1～1，偏差信號 Ux變化范圍約為 -0.45 ～0.45，偏差信號隨偏移量x變化太慢，對偏移量變化不夠靈敏，導(dǎo)致探測器的靈敏度下降。

Fig.3 Schematic diagram of minsize of light spot on quadrant detector

Fig.4 Normalized curve of error signal in different size of light spot

圖5 為不同入射光斑大小情況下，計(jì)算出的光斑中心與偏移曲線的斜率之間的關(guān)系。橫軸為光斑偏移量x，縱軸為偏差信號Ux的斜率。隨著入射光斑半徑的增大，偏移量曲線的斜率在不斷變化，即偏移信號與偏移量之間的關(guān)系不是線性的。可以看出，隨著光斑半徑的增大，斜率的最大值減小，斜率由最小值達(dá)到最大值時(shí)相對的偏移量增大，即四象限探測器的靈敏度降低了。同時(shí)，隨著光斑半徑的增大，偏差信號與偏移量的范圍增大，即四象限探測器的動態(tài)跟蹤范圍增大。

Fig.5 Relationship of the facular center and the slope of error signal in different size of light spot

由上可得，隨著入射光斑半徑r的逐漸變大，四象限探測器的靈敏度會變低，動態(tài)跟蹤范圍變大。四象限探測器的選擇既要考慮探測器的靈敏度，又要考慮其線性范圍，對這兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，選取合適的光斑尺寸。

入射光斑的大小由導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)決定，在實(shí)際應(yīng)用中，激光導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，可以控制入射激光光斑半徑是光敏面半徑的一半左右，即在r/R=1/2附近時(shí)，4個(gè)探測器每一個(gè)都能接收到入射光斑的一部分能量，四象限探測器具有較好的動態(tài)范圍和較高的探測靈敏度，探測系統(tǒng)可以獲得較好的綜合性能。而光學(xué)系統(tǒng)參量的確定與很多因素有關(guān)，比如彈的制導(dǎo)率(比例導(dǎo)引或速度追蹤)、攻擊的目標(biāo)類型(固定目標(biāo)，慢速目標(biāo)或活動目標(biāo))等。光學(xué)系統(tǒng)參量一旦確定，那么目標(biāo)在探測器光敏面上的目標(biāo)光斑就基本不變，只有當(dāng)彈目距離非常近時(shí)，目標(biāo)入射光線相對導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)不能近似為平行入射光線時(shí)，入射光斑才會有較大變化，甚至?xí)采w探測器整個(gè)光敏面，此時(shí)，系統(tǒng)就不能給出正確的制導(dǎo)指令，彈體進(jìn)入截?cái)嗑嚯x，斷掉制導(dǎo)指令信號。

2.2 分劃線寬度

由于四象限探測器是在同一塊硅基底上采用半導(dǎo)體工藝，制作出性能基本一致的4個(gè)探測器。為了隔離4個(gè)探測器，通過腐蝕、掩膜和摻雜等工藝形成了探測器間的分劃線，由于采用同一塊硅基底，不可避免地會出現(xiàn)串?dāng)_。四象限探測器分劃線為了滿足系統(tǒng)探測精度的需求，不能做得太寬，另一方面，為了避免象限間信號串?dāng)_，也不能做的太狹窄。四象限探測器分劃線寬度因光敏面直徑不同而有所不同，分劃線寬度約為幾百微米，串?dāng)_約5%。為了分析分劃線寬度對探測定位精度的影響，研究了不同寬度分劃線對輸出偏差信號的影響，如圖6所示。

Fig.6 Normalized curve of error signal in differentwidth of division line

為了研究不同探測器分劃線寬度下，探測器輸出偏差信號歸一化曲線，假設(shè)入射光斑r/R=1/2，從圖中可以看出，當(dāng)分劃線寬度2a/R=1/40時(shí)，探測器的線性響應(yīng)范圍約為-0.9～0.9;隨著分劃線寬度逐漸變寬，探測器的線性范圍逐漸變小，當(dāng)分劃線寬度2a/R=9/40時(shí)，探測器的線性響應(yīng)范圍迅速減為-0.5～0.5，線性響應(yīng)范圍有了明顯的減小，并且入射光斑落入分劃線的幾率也變大，光斑落在分劃線內(nèi)損失的能量也越來越大，探測器輸出線性度變差，位置偏差變化劇烈，使探測系統(tǒng)誤差變大。隨著分劃線寬度的變化，探測器的最大偏差位置也在變化。因此，分劃線寬度應(yīng)在探測器串?dāng)_允許的情況下越窄越好，在這種情況下，探測器的串?dāng)_度和一致性參數(shù)就顯的非常重要。

2.3 背景光強(qiáng)度

在四象限探測器探測信號過程中，背景光是影響輸出偏差信號的因素之一。背景光主要來源于自然光源(如太陽)、復(fù)雜的光電環(huán)境和通過光學(xué)系統(tǒng)在光敏面上的其它漫反射信號［10-12］。已經(jīng)有相關(guān)新聞報(bào)道，由于射擊時(shí)沒有考慮到太陽光因素，導(dǎo)致我軍列裝的某型激光制導(dǎo)炮彈偏離目標(biāo)千米之遠(yuǎn)［13］。背景光特別是太陽光信號被激光導(dǎo)引頭接收，雖然激光導(dǎo)引頭的窄帶濾光片能夠?yàn)V除大部分太陽光信號，但由于窄帶濾光片具有一定的帶寬，一般在工作波長1.06μm附近具有約20nm帶寬，所以仍然有一部分太陽光信號被探測器接收，導(dǎo)致激光導(dǎo)引頭的探測器輸出較大的暗電流和電流噪聲。雖然探測器放大電路中的隔直電路能夠?yàn)V除直流分量，但探測器的電流噪聲能夠經(jīng)前置放大電路、主放大電路放大后被信息處理電路處理，從而降低導(dǎo)引頭探測器的信噪比，甚至使目標(biāo)散射的指示激光信號淹沒在噪聲中。因此，需在分析探測器性能時(shí)考慮背景光的影響。

根據(jù)和差比幅電路公式(1)式可知，背景光的存在，使UA+UB+UC+UD在很大程度上增加，但是對于(UA+UB)-(UC+UD)和(UA+UD)-(UB+UC)幾乎沒有影響，探測器輸出偏差信號在一定程度上有所減小。假設(shè)背景光均勻分布，入射光斑r/R=1/2，背景光強(qiáng)度與入射激光強(qiáng)度之比為0，10%，20%和30%情況下探測器輸出偏差信號歸一化曲線，如圖7所示。

Fig.7 Normalized curve of error signal in different intensity of background light

由圖7可知，隨著背景光的增強(qiáng)，偏差信號的線性范圍在減小，斜率在降低，說明探測器的探測靈敏度在降低。

背景光的存在，干擾了探測器定位，使探測器靈敏度明顯下降，必須采取各種措施進(jìn)行有效抑制。對于光譜上不同波段可以通過加窄帶濾光片的方式，來減小背景光帶來的影響;對于同波段的信號，可以通過數(shù)字信號處理的方式，如電路上采用頻率分離的方法抑制;最后就是對四象限探測器采用標(biāo)準(zhǔn)調(diào)校的方式，對歸一化曲線進(jìn)行調(diào)零校準(zhǔn)，也可以進(jìn)一步抑制背景光對偏差信號的影響。

3 結(jié)論

根據(jù)四象限探測器偏差信號形成的原理，深入研究了其與光斑位置大小、分劃線寬度和背景光強(qiáng)度的關(guān)系，分析了影響激光導(dǎo)引頭四象限探測器探測定位精度的因素。

(1)隨著入射光斑變大，四象限探測器的靈敏度會變低，動態(tài)跟蹤范圍變大。入射光斑在r/R=1/2附近時(shí)，可以獲得很好的綜合性能，此時(shí)，四象限探測器具有較好的動態(tài)范圍和較高的探測靈敏度。

(2)分劃線寬度應(yīng)在探測器串?dāng)_允許的范圍內(nèi)做的越窄越好，應(yīng)該對探測器的一致性和串?dāng)_做進(jìn)一步考核。

(3)背景光的存在會使四象限探測器的靈敏度降低，應(yīng)該采取措施抑制背景光。

通過研究不同條件下對四象限探測器輸出偏差信號的影響，分析了影響激光導(dǎo)引頭四象限探測器探測定位精度的因素，研究結(jié)果有助于提高激光導(dǎo)引頭的探測定位精度。作者接下來將進(jìn)一步研究四象限探測器偏差信號對激光制導(dǎo)武器精度的影響，建立導(dǎo)引頭全數(shù)學(xué)模型，分析評估各種因素對半主動激光導(dǎo)引頭的干擾效果。

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