在高精度要求下的激光导引头改进设计探究

雷 欣

（西安欧亚学院，陕西西安 710065）

0 引言

由于激光的单色性好，光束的发散角小，抗自然干扰能力强，同时敌方很难对武器系统实施有效干扰，因而它具有其它制导体制无法匹敌的优点。激光制导能与红外、雷达、GPS 等结合可实现复合制导，则更有利于提高制导精度和应付各种复杂的战场环境，从而发挥了全天候作战的优势。

由于自然界的物体发出单色性好的激光非常少见，要实现激光被动制导几乎是不可能的。因此，激光被动制导不能被制导武器系统选用，而需要有导弹以外的激光照射器发射激光束照射到目标上，利用导引头接收目标的激光反射光制导导弹，这就是激光半主动制导，所需要的导引头，就是激光半主动导引头（以下简称导引头系统）。

目前激光半主动导引头与激光照射器分开配置于两地，激光半主动导引头随导弹飞行，激光照射器置于弹外。另外，激光主动制导是将激光照射器和导引头都装在导弹的头部上，由激光照射器发射激光束照射目标，导引头接收目标反射激光信号，再通过弹上制导控制系统将导弹引向目标。这就是激光主动制导。这种制导体制有一个致命的缺点，那就是导弹的头部体积过大，在结构上几乎就是无法实现。因此激光制导武器，一般地，都不选择激光主动制导，而是选择激光半主动制导。

1 导引头系统组成

1.1 导引头系统工作表现

激光半主动制导系统工作过程：激光照射器作为信号源装在地面、车船或飞机上，发射激光束为制导武器指示目标，弹上的激光导引头接收目标反射激光信号，并跟踪目标上出现的激光光斑，制导导弹飞向激光光斑（或光点），直至命中目标。

激光半主动制导广泛应用于各种制导武器系统，例如，射程2km～20km 的激光制导炸弹、激光制导炮弹、激光制导导弹以及射程小于10km 的反坦克导弹等。

本激光半主动引头系统拟采用外框架平台式结构（性能指标高），如果发现目标后用地面、他机的激光照射器照射目标，目标激光的反射光通过装在稳定跟踪平台上的导引头光学系统进入激光探测器，激光探测器的输出信号，送给信号处理器，其输出与导引头光轴偏离目标线的偏差角成比例的信号，此信号通过跟踪控制器、信号转换器转换成与目标视线角速率成比例的信号，送给导弹自动驾驶仪，制导导弹；该信号转换器的另一路的输出信号送给平台系统，驱动平台转动，即导引头光轴转动，以减小导引头光轴偏离目标线的误差角，即实现了导引头光轴对目标的自动跟踪。

1.2 激光探测器信号的提取

现在的激光探测器已经有双四象限、单四象限、三象限和二象限等多种形式探测器组件。例如有的末制导炮弹采用双四象限探测器。双四象限探测器再配合自动驾驶仪等动力装置，可以很方便、可靠的完成导弹制导任务。位于导引头最前端的双四象限探测器以及自动增益控制，将是对捕获目标、判断目标位置、分析目标状态信息等的重要组成部分。

1.3 导引头系统组成定义

导引头由导引头光学系统、激光探测器、信号处理器、跟踪控制器、信台号转换器组成。导引头系统由导引头、平台系统组成。平台系统由平及其框架、控制器、力矩电机、速率传感器、角度传感器等组成，见图1 所示。图中，

q —目标视线角度；

△q —目标视线与导引头光轴的偏差角；

U —目标视线角速度信号。

1.4 导引头系统特点

a.双四象限激光探测器

双四象限激光探测器分外区和内区，见图1 所示。

外区为非线性区，视场：±18°；

内区为线性区，视场：±3°；

b.由信号处理器、跟踪补偿器、信号转换器等所组成的目标跟踪器，其主要功用是实现对目标跟踪；

c.平台系统，主要功用是使导引头稳定跟踪目标。

双四象限激光探测器的优点：外区为非线性区，即为开关区（有无信号区），视场大，便于捕获目标，同时开关区的信号量值大，能使导引头光学系统中心线快速跟踪目标。内区为线性区，视场小，能使导引头中心线慢速、稳定跟踪目标，以便提高跟踪精度。

激光半主动导引头是集光、机、电于一体的高技术制导装置，国内外都在竞相开展激光制导开发研究，以求获得高技术产品服务于制导武器系统，使得武器系统指标有大幅度提升。

1.5 导引头系统工作原理

导引头系统由导引头和平台系统组成。图1 开关K1 置于1 的位置，平台带动导引头光轴转动，使光轴对准目标，并消除光轴偏离目标的角偏差△q；开关K1 置于2 的位置，给平台系统加搜索信号，可使平台轴相对弹轴上下、左右转动到所需要的位置，以及完成对目标的搜索。

导引头要完成测量光轴偏离目标角偏差△q，并将其变成角偏差电压信号，经过信号处理、补偿和变换，形成控制信号U送给平台系统，使平台轴转动，带动导引头光学系统轴转动，以便消除角偏差角△q，即实现对目标的跟踪。

2 导引头系统参考指标

a.双四象限传感器，分外区和内区，外区为非线性区，为开关区，内区为线性区；

b.非线性区：±18°，线性区：±3°；

c.导引头跟踪角速度

非线性区最大跟踪角速度：12.0°／s；

非线性区最小跟踪角速度：6.0°／s；

线性区最大跟踪角速度：3.0°／s；

d.导引头稳定跟踪精度：0.05°；

e.导引头框架角：±18°。

3 导引头系统的改进设计

3.1 导引头工作状态

3.1.1 导弹发射后，导引头系统处于机械锁定状态，即导引头锁定到弹轴上；

3.1.3 当激光探测器收到激光脉冲信号时，经过信号处理器、补偿器和转换器，使开关K1 自动置于1 的位置，由搜索状态转换成跟踪状态，导引头跟踪目标，直到命中目标。

3.2 导引头工作过程

3.2.1 目标在外四象限内（开关通道），导引头系统以12.0°/s 角速度跟踪目标，这样一来，能使目标的光斑快速地由外四象限进入内四象限（线性通道）内；

3.2.2 目标由外四象限向内四象限过渡时，外四象限处于半封闭状态。当完全进入线性通道的瞬间，开关通道无信号，线性通道跟踪角速度6.0°/s；

3.2.3 在外四象限过渡内四象限以后，开关区不工作，线性区工作；

3.2.4 线性通道，最大跟踪角速度3.0°/s。

3.3 非线性区信号处理

3.3.1 和差处理和输出信号形成

X 轴向上，为正方向；

Y 轴向右，为正方向；

A、B、C、D 代表探测器外区；

E、F、G、H 代表探测器内区。

3.3.2 目标光斑落到A 区

3.4 线性区信号处理

3.4.1 线性区信号

线性区，见图1 的内区（E、F、G、H），为方便起见，线性区的表示仍用A、B、C、D 表示。得到目标的信号值与在激光探测器中的面积成正比。

3.4.2 信号提取

3.4.3 线性区信号处理

按目标在内四象限沿X、Y 方向的偏移量进行和差处理

偏移量的总和

UH ＝A ＋B ＋C ＋D

由此可知，用数字型信号处理器实现上述计算非常容易。

3.5 导引头增益控制

为了提高跟踪目标的质量和速度，可以调整导引头信号处

理器的增益K 之值，即增益控制。如果采用数字信号处理器，可以实现增益K 的任意特性。线性通道可以设置增益控制，开关通道不设置增益控制。

总之，通过导引头系统设计，可以看出，系统组成比较简单，容易实现，同时抗干扰能力强，系统精度高，并且能发挥全天候作战的优势。所以激光半主动导引头在各种激光制导武器系统中能得到广泛的应用。

4 结论

通过对具有双四象限探测器、平台式稳定跟踪方案的激光半主动导引头组成方案的分析介绍，给出了这种导引头的应用的广阔前景。这种导引头的特点是组成简单，抗自然干扰和人工干扰能力强，精度高，从而能够发挥了全天候作战的优势。

[1]匡冬权,基于激光导引头的四象限光电探测器检测电路研究[J],装备制造技术2012,2:220-223 KUANG Dongquan.The Research on Laser Seeker for Circuit of Four-quadrant Photo Detector,Equipment Manufactring Technology[J],2012,2:220-223

[2]雷欣，在高指标要求下的红外导引头系统设计方法，《出版刊名称》2013年××月××日

[3]秦勤.雷达目标跟踪的卡尔曼滤波方法的研究[D].大连：大连海事大学,2006:20-50

[4]赵文锋.控制系统设计与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002

[5]肖仁鑫,张聘义,胡海双,柳继勇,周立钢滚俯仰式红外导引头稳定平台控制与仿真[J],红外与激光工程.2007.9:363-365 XIAO Ren-xin,ZHANG Pinyi,HU Haisuang,LIU jiyong,Control and simulation of roll-pitch infrared seeker stabilization platform[J],INFRARED AND LASER ENGINEERING [J].2007.9:363-365

[6]曹原,雷达导引头对低空慢速小目标探测能力的研究[J],现代雷达，2012,10,34（10）：18-21 CAO Yuan,The Research on Laser Seeker for Circuit of Fourquadrant Photo Detector[J],Modern Radar,2012,10,34（10）:18-21