基于無人機載光電吊艙的半主動激光制導模擬系統設計與實現

魏志強，徐書文，劉 芬

（1.中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015；2. 中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

0 引 言

為提升半主動激光制導精度，采用低成本制導模擬系統進行測試非常重要[1-2]。本文給出一種基于無人機載光電吊艙的半主動激光制導模擬系統，采用無人機模擬飛行彈體及其控制系統，裝載激光光斑跟蹤器的光電吊艙模擬導引頭，由激光目標指示對目標進行照射，通過捕獲跟蹤激光光斑，實現半主動激光制導模擬測試及訓練，獲得相關制導脫靶量數據、導引修正數據。該方法重復性好，對目標及場地環境的要求低，效費比高，使用方便。

1 系統總體簡介

無人機載光電吊艙集可見光電視、紅外熱像儀以及激光光斑跟蹤器于一體，可實現晝夜工作。由地面或機載激光目標指示器按照一定編碼方式向目標發射激光光束，通過可見光電視或紅外熱像儀光學成像載荷搜索目標，使模擬導引頭快速捕獲激光光斑；通過調節光電吊艙方位、俯仰角，將光斑引入激光光斑跟蹤器視場中心，鎖定跟蹤目標；同時，地面操控人員根據光電吊艙反饋的方位、俯仰角、激光光斑脫靶量以及無人機飛行狀態信息，判斷無人機飛行姿態，送出修正指令，確保模擬導引頭始終將光斑中心控制在允許的角度偏差范圍內，并按一定導引規律控制無人機飛向目標，實現半主動激光制導模擬。為確保飛行安全，當無人機抵近目標上空一定距離后，結束制導模擬工作，操控無人機重新拉高升空，準備下次模擬測試或回收無人機，結束本次飛行任務。系統總體示意如圖1所示。

圖1 系統總體示意圖

2 光電吊艙設計與實現

光電吊艙由光電轉塔、減振機構等組成，由操控臺進行操控。光電吊艙搭載激光光斑跟蹤器、可見光電視以及紅外熱像儀光學成像載荷，并配有主控單元、視頻跟蹤、圖像存儲單元以及穩定平臺等。其組成如圖2所示。

圖2 光電吊艙組成框圖

光電吊艙通過可見光電視、紅外熱像儀等光學成像載荷可實現對目標的搜索，實時、清晰地獲取目標的可見光或紅外圖像；激光光斑跟蹤器探測敏感激光目標指示器照射到目標后漫反射回來的回波信號，解算激光光斑相對四象限探測器視軸的脫靶量。

穩定平臺基于兩框架結構，實現高精度視軸穩定控制，保證光學成像載荷在擾動情況下仍能保持瞄準線在慣性空間的穩定，確保目標視頻圖像清晰穩定。

圖像存儲單元實現紅外及可見光視頻記錄、壓縮存儲及文件管理、實時傳輸、數據轉存等功能。視頻跟蹤單元實現目標的檢測、識別與跟蹤。

主控單元根據操控端指令，完成光電吊艙與無人機間信息交互和光電吊艙內部各單元間的任務調度、信息傳遞等。

減振機構可對載機的擾動進行抑制。操控站實現對光電吊艙的運動控制、光學載荷控制、視頻顯示、設備狀態顯示以及視頻存儲等功能。

3 激光光斑跟蹤器設計與實現

激光光斑跟蹤器主要由光學系統、APD四象限探測器、主控及電源等模塊組成。表1為激光光斑跟蹤器的技術指標。

表1 主要技術指標

激光光斑跟蹤器信號處理模塊的工作原理如圖3所示。各模塊功能如下：主控模塊實現控制指令接收，使系統執行相應采樣、信號處理、角度輸出等工作任務；光學系統接收目標激光回波信號并匯聚到APD四象限探測器光敏面上；APD探測器實現激光光斑中心探測，即實現光電信號轉換并對電信號進行AD采樣，識別激光編碼并計算激光光斑與光軸的偏差角；電源模塊提供所需的二次電源。

圖3 激光光斑跟蹤器信號處理工作原理

工作原理如下：激光回波信號經過光學系統及APD探測器后，由光信號轉換成脈沖電壓信號，經過放大后進入可變增益放大電路，對4路信號一方面通過峰值保持電路對脈沖電壓信號進行峰值保持、脈沖展寬處理并送入AD采樣電路；另一方面，對4路信號進行和差比較整形，產生同步信號并送入處理器，實現激光編碼類型識別。處理器對AD采集的數據進行處理、對放大器進行增益控制，對偏置電壓電路進行控制，以實現有效脈沖信號探測以及目標偏差角計算等[3]。

激光光斑跟蹤器數據處理流程如圖4所示：開機后完成自檢與初步設置，隨后進入待機狀態，等待觸發信號；加載編碼和檢測到脈沖信號都可觸發中斷信號，進入數據處理狀態。

圖4 激光光斑跟蹤器數據處理流程

和差比幅電路對APD四象限探測獲取的四路電壓信號進行偏差角解算，原理如圖5所示。

圖5 APD四象限探測器和差測角原理

設目標反射的光學信號在APD四象限探測器上形成半徑為r的圓形光斑，設光斑能量分布均勻，光斑中心坐標為(x,y)。假設A，B，C，D四個象限接收到的目標信號電壓分別為UA，UB，UC，UD，ku為比例因子，取決于光學系統的焦距、光斑半徑、能量分布以及四象限探測半徑等。忽略探測器象限間隔所引起光斑損失，則和差電路輸出的目標偏差角可表示為[4-6]

將該值轉化為穩定平臺方位、俯仰方向的伺服指令，即可將激光光斑中心始終與光軸保持在一定的角度范圍內，實現對目標的穩定跟蹤。這里，只有光斑在四象限中心一定區域內，系統才能輸出目標指向角的量化值。超出這一區域，只能輸出目標所在象限。能輸出目標指向角的區域為線性區，只能輸出目標所在象限的區域為搜索區。本文激光光斑跟蹤器的搜索區為±6°，線性區為±1°。

激光光斑跟蹤器具備對精確頻率碼、變間隔碼、偽隨機碼及其他自定義碼型的解碼識別能力。識別解碼流程如圖6所示。

圖6 激光解碼流程

4 測試與驗證

將光電吊艙置于一定高度，模擬巡飛中的無人機載體及導引頭。激光目標指示器以20 Hz基頻對模擬車輛目標按給定編碼方式進行照射。

設激光目標指示器光束發散角為0.5 mrad，1 km外目標上形成的激光光斑直徑約為0.5 m。通過光電吊艙可見光電視對指定目標進行搜索，以便光斑快速進入激光光斑跟蹤器的搜索區、線性區，使其快速敏感到激光光斑中心。通過調整光電吊艙方位和俯仰角，逐漸減少跟蹤誤差。進入穩定跟蹤后，模擬導引頭對光斑跟蹤精度在0.3 mrad以內，工作穩定可靠，滿足實際需要。

5 結 語

半主動激光制導模擬系統可應用于模擬訓練，獲取測試數據。本文提出了一種低成本半主動激光制導模擬系統方案，介紹了模擬系統光電吊艙、激光光斑跟蹤器的設計及實現方法，通過實際測試驗證，實現了預期的設計要求。