一種基于半導(dǎo)體激光二極管的激光目標(biāo)模擬器

彭晶晶， 陳蕙心， 黃紅云， 賀煒煒

(上海無線電設(shè)備研究所， 上海 200090)

0 引言

激光制導(dǎo)武器以其制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)勢逐步占據(jù)了局部戰(zhàn)爭中重要的地位，受到了越來越廣泛的重視。隨著激光精確制導(dǎo)技術(shù)越來越多地應(yīng)用于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)之中，激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的研制需求不斷提高。

如何全面真實(shí)地檢驗(yàn)激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的性能指標(biāo)，是導(dǎo)引頭研制生產(chǎn)過程中面臨的重要問題。外場實(shí)驗(yàn)利用實(shí)體目標(biāo)模擬的方式耗資巨大，而激光目標(biāo)模擬器可為激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭提供激光編碼回波信號，用以探測導(dǎo)引頭的靈敏度、編碼識別、跟蹤角速度及動(dòng)態(tài)輸入輸出特性等性能指標(biāo)，并對導(dǎo)引頭總體性能參數(shù)做出科學(xué)評價(jià)。

通過總結(jié)激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭研發(fā)過程中遇到的測試需求，本文提出了一套可調(diào)式激光目標(biāo)模擬信號源的設(shè)計(jì)方法，通過調(diào)節(jié)其輸出能量值和光斑的大小來為導(dǎo)引頭提供制導(dǎo)信息源，力求滿足導(dǎo)引頭調(diào)試、測試、半實(shí)物仿真時(shí)對模擬信號源的需求。

1 激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭測試系統(tǒng)

激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭測試時(shí)，將導(dǎo)引頭安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)固定基座上，激光目標(biāo)模擬器的出光口安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)支架上，確保導(dǎo)引頭的光軸中心與激光目標(biāo)模擬器出光口中心保持一致，如圖1所示。

激光目標(biāo)模擬器發(fā)出的平行光束與導(dǎo)引頭光軸之間的夾角即為導(dǎo)引頭光軸與彈目視線之間的夾角。測控中心通過轉(zhuǎn)臺(tái)控制器控制轉(zhuǎn)臺(tái)支架轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)激光目標(biāo)模擬器相對導(dǎo)引頭的視線角運(yùn)動(dòng)，來模擬彈目視線與導(dǎo)引頭測量軸線的空間相對方位關(guān)系[1]，完成導(dǎo)引頭瞬時(shí)視場、跟蹤范圍、跟蹤速度等各項(xiàng)指標(biāo)的測試。通過控制激光目標(biāo)模擬器出光能量的大小，可實(shí)時(shí)實(shí)戰(zhàn)過程中導(dǎo)引頭接收到的激光能量大小，驗(yàn)證導(dǎo)引頭的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍以及動(dòng)態(tài)仿真功能。通過設(shè)置激光目標(biāo)模擬器出光周期以及編碼方式，驗(yàn)證導(dǎo)引頭精確編碼跟蹤功能。通過設(shè)置激光目標(biāo)模擬器出光波門信號，驗(yàn)證導(dǎo)引頭的波門控制功能。

激光目標(biāo)模擬器也可用到半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，結(jié)合三軸轉(zhuǎn)臺(tái)控制器模擬實(shí)際飛行環(huán)境，完成對激光導(dǎo)彈制導(dǎo)精度驗(yàn)證。

2 激光目標(biāo)模擬器功能及組成

激光目標(biāo)模擬器作為激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭調(diào)試、測試及半實(shí)物仿真時(shí)的重要測試儀器，其主要功能是產(chǎn)生激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭測試、仿真過程中與光學(xué)接收機(jī)相關(guān)的各種測試輸入信號，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬光脈沖信號、精確頻率編碼光脈沖信號、激光照射同步電脈沖信號等，并模擬不同峰值功率的光脈沖信號。同時(shí)，激光目標(biāo)模擬器可通過RS232通訊接口與上位機(jī)通信，以完成對導(dǎo)引頭的自動(dòng)化測試。

激光目標(biāo)模擬器針對1 064 nm波長設(shè)計(jì)，主要由激光目標(biāo)模擬系統(tǒng)、光源控制系統(tǒng)和光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)組成，組成框圖如圖1所示。其中，激光目標(biāo)模擬系統(tǒng)可提供具有一定能量和光斑大小可變的激光目標(biāo)光束，光源控制系統(tǒng)控制目標(biāo)通道和激光器生成彈接近過程中激光光斑尺寸和能量變化情況，光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)可將激光光束變?yōu)槠叫泄夂筝敵?，進(jìn)而為導(dǎo)引頭提供遠(yuǎn)距離且真實(shí)的激光回波信號[2]。

3 激光目標(biāo)模擬器關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

在激光目標(biāo)模擬器的設(shè)計(jì)過程中，比較關(guān)鍵的是激光脈沖信號的產(chǎn)生、激光信號功率的調(diào)整、激光信號的擴(kuò)束功能以及光源的工作管理。

(1) 激光脈沖信號發(fā)生模塊

激光脈沖信號發(fā)生模塊采用激光二極管設(shè)計(jì)1 064 nm半導(dǎo)體光源驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)1 064 nm波長脈沖光源信號，激光二極管是一種高功率密度并具有極高量子效率的器件，輸出激光功率強(qiáng)弱由注入電流的大小決定，通過儲(chǔ)能電容器對激光二極管快速放電控制激光脈寬寬度，同時(shí)通過對放電電流采樣反饋控制儲(chǔ)能電容的儲(chǔ)能電壓，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出驅(qū)動(dòng)電流的效果。同時(shí)，激光二極管管殼內(nèi)集成半導(dǎo)體熱電致冷器，通過光源控制模塊控制外部溫控電路，保證激光二極管輸出的波長和功率穩(wěn)定。

(2) 激光信號功率調(diào)整模塊

激光模擬器模擬的是激光導(dǎo)引頭接收的激光目標(biāo)回波信號，因此需要了解實(shí)戰(zhàn)過程中回波信號情況。在激光制導(dǎo)武器的整個(gè)工作過程中,激光在大氣中傳輸?shù)墓饴穲D如圖3所示[1]。

導(dǎo)引頭探測到的激光回波信號能量與激光目標(biāo)指示器發(fā)出的激光能量關(guān)系如式(1)所示。

(1)

式中：Pr為導(dǎo)引頭探測到的目標(biāo)回波信號的能量；Pt為激光目標(biāo)指示器發(fā)射的激光能量;ηr為導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)透射率;ρ為地面目標(biāo)的漫反射系數(shù);Ar為導(dǎo)引頭接收孔徑的面積;θ為激光回波信號與目標(biāo)表面法線間的夾角;Rr為導(dǎo)引頭與目標(biāo)之間的距離；Rt為激光器與目標(biāo)的距離，exp[-jγ(λ)(Rt+Rr)]為對應(yīng)波長的雙程透過率；γ(λ)為對應(yīng)λ波長的大氣消光系數(shù)[3]。

根據(jù)式(1)，在一定的作戰(zhàn)模式下，Pt、ρ、Ar的值都是確定的，而γ(λ)的值受氣象條件、能見度、飛行距離、海拔高度等因素影響[3]。大氣消光系數(shù)γ(λ)與散射系數(shù)σ和吸收系數(shù)κ的關(guān)系為

γ(λ)=σ+κ

(2)

根據(jù)激光導(dǎo)引頭的盲距設(shè)計(jì)要求，由式(1)和式(2)計(jì)算出激光導(dǎo)引頭的盲距處的接收功率，將大于導(dǎo)引頭在盲距處的接收功率為激光目標(biāo)模擬源最強(qiáng)輸出功率，用以測試導(dǎo)引頭的飽和功率。激光信號功率調(diào)整模塊通過多級光學(xué)衰減器驅(qū)動(dòng)電路為光學(xué)衰減器提供一定功率的電信號來控制輸出功率衰減值，使輸出功率動(dòng)態(tài)范圍不小于60 dB，高精度電壓控制電路以及大電流驅(qū)動(dòng)電路，確保光學(xué)衰減器的衰減控制精度和衰減范圍，以測試導(dǎo)引頭的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。

導(dǎo)引頭隨著彈目距離的拉近，接收到的回波能量呈指數(shù)型的增長。通過大量打靶試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以得到多個(gè)數(shù)據(jù)模型作為激光目標(biāo)模擬器的仿真模型輸入，以測試導(dǎo)引頭的動(dòng)態(tài)仿真性能。同時(shí)，為滿足多種導(dǎo)引頭的測試需求，激光目標(biāo)模擬源最強(qiáng)輸出功率可在一定范圍內(nèi)控制改變。

(3) 可變光學(xué)擴(kuò)束系統(tǒng)

光學(xué)擴(kuò)束系統(tǒng)主要功能是將激光光束轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄馔渡渲料到y(tǒng)出光處，使之與被測光學(xué)系統(tǒng)相耦合，從而使被測系統(tǒng)觀察到等效于無窮遠(yuǎn)處清晰均勻的目標(biāo)圖像。

激光目標(biāo)模擬器中，模擬光源輸出的1 064 nm激光信號經(jīng)光纖將輸出到光學(xué)準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡頭，將激光光斑擴(kuò)大成直徑不小于激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭接收光學(xué)鏡頭直徑的平行光。

同時(shí)，通過步進(jìn)電機(jī)改變焦距，使輸出激光光束的直徑可根據(jù)測試導(dǎo)引頭接收口徑的大小在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

(4) 光源控制模塊

激光目標(biāo)模擬器具有多種工作模式，按導(dǎo)引頭作戰(zhàn)模式可分為機(jī)照模式、地照模式；按照導(dǎo)引頭測試需求可分測試模式和仿真模式。測試模式時(shí)，激光目標(biāo)模擬器輸出的光脈沖信號功率周期等參數(shù)可通過控制接口設(shè)定；仿真模式時(shí)，激光目標(biāo)模擬器根據(jù)選擇的仿真曲線自動(dòng)輸出時(shí)間-功率變化曲線接近實(shí)際飛行狀態(tài)光脈沖信號；機(jī)照模式時(shí)，激光目標(biāo)模擬器輸出時(shí)序嚴(yán)格控制的激光發(fā)射同步信號，可以對導(dǎo)引頭進(jìn)行更全面地模擬測試。以上功能均通過光源控制模塊完成。

控制電路采用TI公司高性價(jià)比DSP芯片TMS320F2812結(jié)合外圍電路完成光源溫度控制、光衰減器控制、信號編碼控制、同步信號控制功能。TMS320F2812芯片含SARAM存儲(chǔ)器18 K，片內(nèi)flash存儲(chǔ)器128 K，運(yùn)行速度最高可達(dá)160 MIPS，同時(shí)包含SCI串行通信接口，可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的串口通訊。

(5) 激光目標(biāo)模擬器硬件組成

激光目標(biāo)模擬器的硬件電路主要包括激光二極管、光源驅(qū)動(dòng)電路、可調(diào)光學(xué)衰減器、光衰驅(qū)動(dòng)電路、光學(xué)擴(kuò)束控制電路、同步信號產(chǎn)生電路、光源控制電路、光學(xué)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡頭等，硬件組成示意圖如圖4所示。

(6) 激光目標(biāo)模擬器軟件

依據(jù)激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的測試時(shí)序，確定激光目標(biāo)模擬器的工作流程，并進(jìn)行軟件開發(fā)工作。激光目標(biāo)模擬器上電系統(tǒng)檢查后，接收上位機(jī)的串口指令進(jìn)行相應(yīng)的處理，輸出相應(yīng)的激光脈沖信號。

激光目標(biāo)模擬器的軟件包括控制軟件和通訊軟件。通訊軟件通過Labview軟件開發(fā)，裝在工控機(jī)中實(shí)現(xiàn)對激光目標(biāo)模擬器的遠(yuǎn)程控制?？刂栖浖贒SP數(shù)據(jù)處理技術(shù)，采用C語言開發(fā)，主要負(fù)責(zé)從接收的串口指令中提取工作模式等參數(shù)設(shè)置信息，并控制程序測試流程，向硬件層發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，并將測試結(jié)果傳送到通訊軟件，控制軟件流程圖如圖5所示。

4 實(shí)際應(yīng)用

依據(jù)此設(shè)計(jì)方案開展激光目標(biāo)模擬器的研制，并通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，輸出功率周期等指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，已應(yīng)用到多個(gè)激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭研制生產(chǎn)中，圖6、圖7為激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭測試仿真與實(shí)際靶試過程中接收能量對比圖。

圖6為激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭測試仿真過程中接收目標(biāo)能量示意圖，橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間，縱坐標(biāo)為接收能量歸一化值。

圖7為激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭實(shí)際彈道試驗(yàn)過程中接收目標(biāo)能量示意圖，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為接收能量歸一化值。

由圖可見，使用激光目標(biāo)模擬器仿真的導(dǎo)引頭接收能量圖與真實(shí)靶試時(shí)導(dǎo)引頭接收能量圖變化趨勢相似。因此，該激光目標(biāo)模擬器實(shí)際試驗(yàn)與設(shè)計(jì)相符，可滿足激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的動(dòng)態(tài)仿真測試要求。

5 結(jié)論

本文闡述了激光目標(biāo)模擬器的功能及原理，提出了一種通用激光目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)技術(shù)，可以模擬真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境下的激光目標(biāo)回波信號，更好地完成對激光導(dǎo)引頭的功能及性能驗(yàn)證，可應(yīng)用于多種型號激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的研制、測試、驗(yàn)收以及仿真試驗(yàn)中，提高導(dǎo)引頭的研制生產(chǎn)效率和精度，同時(shí)節(jié)約測試成本。