（光学工程专业论文）激光半主动制导半实物仿真系统中目标方位探测电路的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 激光半主动制导半实物仿真系统在激光制导武器的研究、试验、作战仿真和教 学训练中有重要作用。论文基于激光半主动制导仿真导引头和仿真目标指示器， 设计了目标方位探测电路，为研制激光半主动制导半实物仿真系统打下了坚实的 基础。 四象限探测器是半实物仿真系统中探测目标方位的关键部件。论文从四象限探 测器的三种探测方法出发，对和差电路法进行了详细的理论分析，探讨了该方法 的理论测角误差，对产生方位探测误差的三种因素进行了研究。 探测器上接收的光功率和探测距离由接收光学系统决定。论文基于某仿真导引 头内部的折反式接收光学系统，分析并计算了探测器接收的信号光功率和背景光 功率，在不考虑后续电路噪声的情况下探讨了探测距离。 目标方位探测电路由前置放大电路、峰值保持电路和时刻鉴别电路组成。峰值 保持电路是论文的重要研究内容，对跨导型峰值保持电路进行了详细的理论分析， 提出了三种峰值保持电路设计方案并进行了仿真。 论文针对设计的电路板进行了实验测试，包括单通道电路实验、四通道电路标 校和目标方位探测实验，实验结果与理论分析相吻合。实验结果说明该目标方位 探测电路结构简单、工作稳定、可靠性好。 主题词：激光制导半实物仿真目标方位峰值保持四象限探测器 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s tr a c 丁 t h eh a r d w a r e i n t h e - l o o ps i m u l a t i o ns y s t e mo fs e m i a c t i v el a s e rg u i d a n c ep l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h el a s e rg u i d a n c ew e a p o n sd e v e l o p i n gp r o c e s s ，a p p l i c a t i o ns i m u l a t i o n a n dt r a i n i n g at a r g e ta z i m u t hd e t e c t i n gc i r c u i tw a sd e s i g n e db a s e do nt h el a s e rs e e k e r a n dl a s e rd e s i g n a t o ri nt h ep a p e r ，w h i c hi st h es t e a d yf o u n d a t i o no fd e v e l o p i n gt h e h a r d w a r e - i n t h e l o o ps i m u l a t i o ns y s t e mo fs e m i a c t i v el a s e rg u i d a n c e t h ef o u r - q u a d r a n td e t e c t o ri st h ek e yd e v i c ef o rt a r g e ta z i m u t hd e t e c t i o ni nt h e h a r d w a r e i n - t h e l o o ps i m u l a t i o ns y s t e m b e g i n n i n gw i t ht h r e eb e a r i n gm e a s u r e m e n t a l g o r i t h m so ft h ef o u r - q u a d r a n td e t e c t o r ，t h ep a p e ra n a l y z e da d da n ds u b s t r a c ta l g o r i t h m i nd e t a i l ，d i s c u s s e da n g l em e a s u r e m e n te r r o ro ft h ea l g o r i t h mi nt h e o r y ，a n ds t u d i e d t h r e ef a c t o r sw h i c hc a u s ea n g l em e a s u r e m e n te r r o ri nt h ea l g o r i t h m r e c e i v e dl a s e rp o w e r so ft h ed e t e c t o ra n dd e t e c t i o nd i s t a n c ew e r ed e c i d e db y o p t i c a lr e c e i v i n gs y s t e m b a s e do nt h ef o l d e da n dr e f l e c t e do p t i c a lr e c e i v i n gs y s t e m i n s i d et h el a s e rs e e k e r ，t h ep a p e ra n a l y z e ds i g n a ll a s e rp o w e ra n db a c k g r o u n d l i g h t p o w e r , a n dt h e nc a l c u l a t e dt h e ma sw e l l w i t h o u tr e g a r dt oc i r c u i tn o i s e ，t h ed e t e c t i o n d i s t a n c ew a sd i s c u s s e d t h e t a r g e ta z i m u t hd e t e c t i n gc i r c u i tw a sc o m p o s e do fap r e a m p l i f i e rc i r c u i t ap e a k h o l d i n gc i r c u i ta n dat i m ed i s c r i m i n a t i o nc i r c u i t ，a n dt h ep e a kh o l d i n gc i r c u i tw a st h e m o s ti m p o r t a n tr e s e a r c h i n gc o n t e n t t h ep a p e ra n a l y z e dt h et r a n s c o n d u c t a n c ep e a k h o l d i n g c i r c u i ti n d e t a i l a c c o r d i n gt o t h e t h e o r y ，t h r e e s c h e m e so ft h e t r a n s c o n d u c t a n c ep e a kh o l d i n gc i r c u i tw a s d e s i g n e da n ds i m u l a t e d a ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tw i t hp c bo ft h ed e s i g n e dc i r c u i t t h ee x p e r i m e n t r e s u l t sw e r ec o n s i s t a n tw i t ht h et h e o r e t i ca n a l y s i s 1 1 1 es t r u c t u r eo ft h ec i r c u i ti ss i m p l e a n dt h er e l i a b i l i t yi sg o o d k e yw o r d s ：l a s e rg u i d a n c e ，h a r d w a r e i n t h e l o o ps i m u l a t i o n ，t a r g e ta z i m u t h ， p e a kh o l d i n g ，f o u r q u a d r a n td e t e c t o r 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1 “铜斑蛇”与“红土地”的主要性能参数2 表3 1 接收光学系统的主要参数1 6 表3 2g t l1 1 典型性能参数18 表3 3 透过率不同时，信号光功率与距离的关系2 1 表4 1n e 5 2 1 0 跨阻放大器主要性能参数2 7 表4 2a d 8 3 3 0 主要性能参数：一3l 表4 3 三款w t a 的主要性能参数典型值3 6 表4 4 保持误差在不同输入信号峰值时的仿真结果3 9 表4 5 主要器件的工作电压与工作电流4 1 表4 6l t l 7 6 3 系列主要性能参数4 2 表5 。1输入电压峰值不同时保持误差测试结果4 5 表5 2 保持误差与下垂速率测试结果4 6 表5 3四通道电路标校结果( - - ) 4 9 表5 4 四通道电路标校结果( 二) ：5 0 表5 5 瞬时视场角测量5 2 表5 6 用于探测器标定的实验数据5 3 表5 7 静态探测误差实验部分实验数据5 5 表5 8 静态探测误差实验结果5 5 表5 9 动态探测误差实验结果5 5 第1 i i 页 图1 1 图1 2 图1 3 图2 图2 图2 图2 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图目录 激光半主动制导原理图1 半实物仿真系统框图3 半实物仿真系统主要组成- 4 “旭日”式调制盘：5 像点与调制盘扇格j 5 二维单面型p s d 结构图7 四象限探测器三种定位方法：k 8 四象限探测与目标方位9 像斑半径与探测区域：。1 0 线性法相对误差曲线。1 1 分段函数法相对误差曲线1 1 曲线拟合法测角误差：- - 1 2 分段函数法测角误差：。! ：1 2 测角误差均方差与信噪比总和的关系：1 4 测角误差均方差与像斑半径的关系：1 4 折反式接收光学系统结构示意图：1 6 光谱响应曲线1 9 反向偏压与相对响应度曲线。1 9 探测器接收信号光功率模型1 9 信号光功率与距离的关系：2 0 探测器接收背景光功率模型：2 l 背景光功率与瞬时视场角的关系2 2 白天时探测指数与距离的关系2 4 满月时探测指数与距离的关系_ 2 4 目标方位探测电路单通道总体设计方案_ 2 6 激光驱动电流脉冲形状2 6 光电流脉冲形状。2 6 前置放大电路结构框图2 7 n e 5 2 1 0 的输入电流与输出差分电压关系2 8 跨阻放大电路的简化电路图2 8 跨阻放大电路等效噪声模型：2 。2 9 第1 v - 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图5 1 图5 2 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 n e 5 2 1 0 差分输出电压( 1 2 n s ) 3 0 n e 5 2 1 0 差分输出电压。( 1 l l s ) 3 0 压控放大电路的简化电路图3 1 电压型峰值保持电路原理图3 3 跨导型峰值保持电路原理图3 3 简化的跨导型峰值保持电路原理图。3 4 理论分析图形化表示3 6 由m a x 4 3 6 构成的峰值保持电路简化电路图3 7 由o p a 8 6 1 构成的峰值保持电路简化电路图3 7 仿真时间为l o o n s 时仿真结果：3 8 仿真时间为3 0 0 n s 时仿真结果4 0 时刻鉴别电路简化电路图4 l 时刻鉴别电路仿真结果4 1 单通道电路板照片4 3 n e 5 2 1 0 p o 输出电压波形：4 3 n e 5 2 1 0 差分输出电压波形4 4 a d 8 3 3 0 差分输出电压波形4 4 响应速度测试波形( - - ) 4 5 下垂速率测试波形( 一) 。：。4 5 保持误差测试波形( 实验一) 4 5 保持误差测试波形( 实验二) 4 5 响应速度测试波形( 二) j 4 6 下垂速率测试波形( - - ) 4 6 保持误差预4 试波形( 实验三) ：。4 6 保持误差测试波形( 实验四) 4 6 放电回路断开时测试波形：4 7 放电回路工作时测试波形。4 7 输入电压脉宽测试波形j 4 7 输出电压脉宽测试波形4 7 四通道电路标校实验照片4 8 四通道电路标校的光斑照片4 8 未加屏蔽时a d 8 3 3 0 p o 噪声电压4 9 加屏蔽后a d 8 3 3 0 p o 噪声电压4 9 目标方位探测实验照片5 0 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 2 3 图5 2 4 图5 2 5 图5 2 6 图5 2 7 目标方位探测时光斑照片5 l 初始时刻四通道电路峰值保持输出5 2 下一时刻四通道电路峰值保持输出一5 2 线性拟合确定标定参数( 一) ：5 4 线性拟合确定标定参数( 二) 。5 4 - 一一 ：i 第页 独创性声明 、声 j j 】埘；宅友昀雩：1 i 仁te ! ；弋4 二f 、 ! j ：_ j ；j ! ：，j h 的5 “一f i1 1 ，2 埘zi ：j j f ，j _ 成q ：，咚j k 印i 如际，太申特踟枷以仃j ：毋- 鳆：目 的趣，| 外，_ ：仑己：i ：f ：臼台坦能、 终哎0 ：f i ：撵写。j 蔓的 t j | 究成浆，照i ：色台为获f 苷田勋朽亨： 求人7 戍：曩p 吖2 冉伊仍亨 卜j 戈i ：! 5 嘶9 ：j ；】j 奠螭十j 斗。勺找 ：j 1 f 仁的i 卅己z j4 、6 ， ：i h ；j ! 垃自勺f if ：c ：! ；p ：i ! ”f j “? 工 0j ；确的：氟”列球文羹洙毫 f i ：己嵝h tl j ：丞墨士i 些型堡：i ! 望：1 2 参：g 垂丝生! ! 盐生笠鬟控坐墅垡j l ：l f j 伦：己仆筹答名 量! ) 筮丑鱼 j 垮j ：。曙：? ff _ = l2 f 学位论文版权使用授权书 、，j ? j 、：簖l t ! 膀f 尹4j 。：，j 亨f 蔓f 棼留、t 置_ i j 。? f j 一：工照：j ： 4 ：、j i yj | ，i ji ：人。? ：! “f l ： 嚣i f 矗! l j 糸向( 号吖jp t 捌j 匀遁仑：乏的礁! j4 jtl 1 ；订 台己阪当：州毒；侣硐：。j 瞥：。立玲+ 的全毒：或宣 ：分内存编一、# l - i i 删竹i 疆ij 扯 ：if j 寸j 车；：。 j 缩! j ：二，驻j 描尊复：fi 乏僻存：鳊：广f ，i j - f ? ，沦：己施日 ；熬立：堂：i ：生塑笠：】! ：塞趁丝童垂丝! ：且! ：堑：i ! ：i 笠：生生显二! 蔓丛鱼： f ；仑乏f 。身签名： 1 1 一l ；数l 坤臻；j j 默伽钐；f f j10 ， 嘲：& 【玎 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ， 第一章绪论弟一早 三百下匕 1 1 激光半主动制导武器简介 激光半主动制导! 卜4 1 是由弹外的目标指示器发射经过编码的激光束照射目标， 弹上寻的器通过探测目标漫反射的激光获得弹体偏离目标的角误差量，经制导系 统形成制导指令，由控制系统适时调整弹体的姿态，直至准确命中目标的种制 导方式。制导原理如图1 1 所示。 图1 1 澈光半主动制导原理图 依据激光半主动制导原理生产和制造的武器称为激光半主动制导武器。该类 武器的优点是制导精度很高，抗干扰能力强，结构简单，成本较低，能对付多个 目标，容易实现通用模块化等。其缺点则主要体现在：能利用的激光波长种类太 少，需要对目标实施主动照明，受气象条件限制等。 迄今为止，激光半主动制导武器的研制和发展已有四十多年的历史【4 ，5 1 ，国外 的各种激光半主动制导武器技术已经很成熟。激光半主动制导武器根据其应用场 合大致可分为激光半主动制导导弹、激光半主动制导炸弹和激光半主动制导炮弹 三类 2 ，4 ，5 】。激光半主动制导导弹的代表作是美国的a g m 11 4 a “海尔法”( h e l l f t r e ) ， 它主要用于攻击坦克、各种战车、雷达等地面军事目标。此类导弹长1 7 7 9 m m ，弹 径1 7 7 8 m m ，翼展3 3 0 m m ，重量4 3 k g ，亚音速飞行，反坦克射程为9 k m ，命中精 度小于1 m 。激光半主动制导炸弹有美国的“宝石路”( p a v ew a y ) 系列、法国的 “马特拉”( m a t r a ) 系列等，它们主要用于空对地轰炸和打击地下军事目标，具 有超低空寻的能力( 低于5 0 m 的高度投放) 。- 较为典型的激光半主动制导炮弹有 美国研制的“铜斑蛇一( c o p p e r h e a d ) 和俄罗斯研制的“红土地( k r a s n o p 0 1 ) 等【5 】a 表1 1 给出了1 5 5 m m “铜斑蛇与“红土地 的主要性能参数。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表l 。1 “铜斑蛇，与“红土地”的主要性能参数 1 5 5 m m “铜斑蛇” “红土地”各注 有效射程 4 h 1 6 k m3 婚2 0 k i n 命中概率 大于o 8 3 0 9 圆概率误差 命中精度 0 4 m - - 0 9 m 小于l m 圆形公算误差 性 控制方式二位气动舱三位气动舱 能 战斗部种类 聚能破甲杀伤爆破 参 攻击点照射点照射点上方 数 弹上动力无 助推发动机 激光器照距 5 k m 5 k m , - - 7 k m 1 0 6 肛r n 制导方式激光半主动制导 n d ：y a g 激光器 导引规律 比例导引 有效射程、命中概率和命中精度是激光半主动制导武器的几个重要性能参数， 上文中所列举的激光半主动制导武器有效射程均为1 0 k m 左右，命中概率均不低于 o 8 ，命中精度均小于l m 。 1 2 激光半主动制导半实物仿真系统研究现状 伴随着激光半主动制导武器研究的发展，激光半主动制导仿真技术也在不断 的发展和更新。国外已经建立了多个半实物仿真系统实验室：为激光半主动制导 武器的研究、定型、使用和对抗提供了强有力的保障和支持，其中以得克萨斯仪 器公司建立的激光制导武器半实物仿真系统最为典型，并为后继系统的研制提供 了蓝本。该仿真系统由混合计算机、目标模拟器、三轴转台、作动器等组成，用 于比例激光导引头的半实物仿真，以及进行作动器控制系统的实验。近些年来， 各国正在将此类仿真系统进行广泛升级以适应更先进的激光导引头的研制。 激光半主动制导半实物仿真系统在国内起步较晚( 1 - 世纪八十年代才开展) ， 但已取得一些成果，建立了几个仿真试验系统【6 7 j 。二炮工程兵学院对激光半主动 制导炸弹半实物仿真系统的研究较为全面和深入，建立了一套风标式激光半主动 制导炸弹半实物仿真系统，并投入使用。其系统框图见图1 2 ，该系统主要由目标 环境模拟系统、导引头姿态模拟系统、仿真计算机系统、实时通讯接口系统、总 控制台系统、光学暗室等六大部分组成。其中目标环境模拟系统用于形成实时动 态激光目标和干扰环境；导引头姿态模拟系统用于模拟导引头的俯仰、偏航和滚 转运动；总控制台系统是整个半实物仿真系统的控制中心、调度中心和监测中心。 该套系统能够对激光半主动制导炸弹的目标探测、目标分辨、目标跟踪和抗干扰 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 能力进行仿真，已成功运用于某型激光制导武器导引头的半实物仿真。北京理工 大学根据激光末制导炮弹的组成和工作原理，介绍了半实物仿真试验的作用，设 计了适合激光末制导炮弹试验的半实物仿真系统，研究了各仿真试验设备技术方 案，重点对激光目标模拟器进行了研究。 图1 2 半实物仿真系统框图 命中精度是激光半主动制导武器的重要性能参数，它由目标方位探测误差和执 行机构跟踪误差决定，因此，探测误差和跟踪误差也是衡量半实物仿真系统优劣 的重要指标。由于半实物仿真系统是为研制更先进的激光导引头服务，因此国内 外对系统的参数均避而不谈。 激光半主动制导半实物仿真是一项多学科综合技术，随着激光制导技术不断深 入研究与计算机、光学、机械等学科的发展，激光半主动制导半实物仿真系统研 究也在不断的深入中。 1 3 激光半主动制导半实物仿真系统简介 鉴于国内外对半实物仿真系统仅给出大致框架，并不透露系统的具体参数， 实验室拟研制一套激光半主动制导半实物仿真系统，用于研究激光半主动制导的 工作机理，便于教学和训练。该系统的主要结构如图1 3 所示，主要由目标指示器、 寻的器、执行机构和总控制台等组成。 激光半主动制导武器中大多使用波长为1 0 6 肛r n 的n d ：y a g 激光器，它输出激 光的峰值功率很高，可达几十万瓦量级；最高重复频率可达几千赫兹u 到。考虑到 成本和发展趋势，该系统使用半导体激光器，其发射的激光峰值功率为数十瓦， 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 漫 反 射 屏 图1 3 半实物仿真系统主要组成 重频为几千赫兹【l5 1 。这不影响制导仿真的准确性，因为探测器接收的是激光的能 量，接收的能量公式二者完全相同【l l 1 8 ，1 9 】；但它会影响到探测距离，1 1 节中提到 激光半主动制导武器的有效射程为l o k m 左右，因此其探测距离大于l o k m ，而该 系统的探测距离只有l o m 左右。 激光半主动制导武器中使用的目标指示器，其输出的激光能量为7 0 1 2 0 m j ， 发散角小于0 5 m r a d 4 t 2 1 1 。由于驱动电源的原因，该系统目标指示器输出的激光 脉宽为纳秒量级；由于发射光学系统【l l 】的原因，该激光的发散角为3 m r a d 左右， 因此探测电路和信号采集电路必须重新设计。角度探测误差主要由探测电路的性 能决定，因此探测电路在该系统中具有重要意义。 1 4 本文主要研究内容 本文的主要工作是研制一套用于激光半主动制导半实物仿真系统中的目标方 位探测电路，实现目标方位探测和对编码激光束的脉宽进行检测等功能。 目标方位探测理论是设计探测电路的基础，因此须对目标方位探测理论进行 研究。由于拟研制的半实物仿真系统采用四象限探测器，研究的重点应是四象限 探测器定位方法以及定位误差。 探测器输出电流的大小是设计目标方位探测电路的前提它与目标指示器、 漫反射屏、接收光学系统等因素有关，因此须对接收光学系统和探测器上接收的 光功率进行研究。 本文重点研究的内容应是目标方位探测电路，通过选择合适的器件，设计合 理的电路结构，达到相应的设计指标。此外，应对设计的电路板进行大量的实验， 确保该目标方位探测电路工作稳定、可靠性好。 第4 页 垦墼墼茎堡奎查茎至蚤耋垦錾圭茎堡兰蚤 第二章目标方位探测理论 目标的方位有两种描述，几何中心和亮度中心雠”。目标轮廓的中心位置称作 它的几何中心：将日标按照辐射总能量相等的标准进行分割，其中心位置称作它 的亮度中心。因此，目标方位探测方法大致分作几何中心探铡和亮度中心探测两 种本节主要介绍逮两种探测方法的基本原理 2 1 1 几何中心探测法 几何中心探测法是指通过测量与目标相对应的像空间轮廓分布来确定目标中 心位置。它的主要处理方法有差分法、调制法、补偿法和跟踪法等，这些方法的 主要依据是像分析o ”。下面以“旭日”式光学调制盘为例，阐述其原理口一。 黔蘑 罐黼盼、 图2 l “旭日”式调制盘田2 2 像点与调制盘扇格 “旭日”式调制盘的形状如图2 1 所示。上半圆为目标调制区，透辐射与不透 辐射的扇形条交替呈辐射状；下半圆为半透区呈半透辐射的透过特性。将这一 调制盘置于光学系统的焦平面上，使调制盘中心0 位于光轴上，调制盘以角速度 口顺时针方向转动 假定像点位于点不动，像点的偏离量为p ，方位角为乳假设像点的总面积 为s ，像点上的光照度均匀分布为b 由于调制盘的匀速转动，像点上只有一部分 光通量能透过调制盘设透光部分面积为丑，不透光面积为。假设当调制盘转 到图2 2 的位置时，透过的光通量有最大值 ，则当调制盘转过一个扇形角度时， 透过的光通量为最小值 。由此可见j 在上半圆调制区内，透过调制盘的光通量 在 和，2 之间周期性变化，而在下半圆半透区内，透过调制盘的光通量为胞， ，为无调制盘时的光通量。尸t 、b 、p 之间盼羌系为 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 五+ 昱= p( 2 1 ) 调制信号的幅值为p 1 b ，它与面积s 1 & 成正比，为描述该幅值的大小，引入 调制深度m ，表示为 只一只 肛栽 ( 2 2 ) 只+ 只 p 一7 调制深度朋是偏离量p 和面积s 的函数，记 m = f ( p ，s ) ( 2 3 ) 假设焦平面上的像点总面积不变，则调制深度与偏离量之间的关系为 罢o( 2 4 ) i r ， u p 再假设调制盘的半径为r ，则调制深度有如下边界条件 m ( o ，s ) = 0 ；m ( r ，s ) = 1( 2 5 ) 如果已知的具体表达形式，则偏离量p 可以通过公式( 2 ：3 ) 求解出来。 “旭日”式光学调制盘的调制区与半透区有明显的分界线，沿该分界线作似 轴，如图2 1 所示。如果像点位于o x 轴正向上，则透过调制盘的光通量随时间的 变化为 p a t ) = 其中厶与调制深度m 和时间f 有关。当目标的方位角为口时，则透过调制盘 的光通量随时间的变化为 j 己 只( f ) = p 2 由公式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 可见，由于方位角的口存在，透过调制盘的光通量在时间轴 上有平移，假设平移的距离为l 则 0 = 丁q ( 2 8 ) 由上面的分析可见，调制盘的作用是对光通量进行调制，调制信号的包络与 像点偏离量有关，调制信号的初位相与像点方位角有关。调制盘实现了几何位置 信息到光学信号的转换。 2 1 2 亮度中心探测法 亮度中心检测法是指通过测量和目标亮度分布相对应的像空间照度分布来确 一一_ 第6 页 拈堕差q 一 r 一 一 0一：鏊q 荤荤 垦墼墼茎彗奎奎茎至塞耋墼望圭茎堡耋圣 定目标能量中心位置。它的主要处理方法是光学像分解和多象限检测等，这些方 法的依据是象限分割o ”。下面以二维单面型p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed d e c i o 呻为例， 阐述亮度中心探测原理。 圉23 二维单面型p s i ) 结构图 二维单面型p s d 的结构如图2 3 所示。受光面的材料为p s i ，它是一个均匀 电阻层。在受光面上有两对电极，a 、c 为j 轴电极，b 、d 为y 轴电极，e ( 图中 未画出) 为背面村底共用电极，用它可以对正面各电极进行反向偏置。 把该p s d 置于光学系统的焦平面后端某一距离处，p s d 的中心0 位于光轴上， 则目标像在p s d 上为一个像斑，设其面积为s ，并假设像斑上光照度均匀分布为e 。 设像斑的亮度中心为佤n ，a 、c 之间的距离为牡，a 电极上输出的光电流为厶， c 电极上输出的光电流为c ，x 轴输出的光电流为l 则有”1 j l = ( + 2 0 ，2 = ( l 一肖) ，2 l( 2 9 ) 【= 岛犯 上式中如为电流响应度，它是表征探测器光电转换的重要参数 收到的光通量为巾，输出的光电流为l 则毋的定义为 墨= i i 由( 29 ) 式可得 设探测器接 ( 2 ，1 0 ) x ：l x - l c l f 21 1 1 i + l c 设如，如分别为b ，d 电极上输出的光电流，同样可得y 的表达式 n 砉鲁c 亿啪 i b + l d 、4 由公式( 29 卜( 21 2 ) 可知p s d 输出的光电流与像斑的亮度中心陇”有关- 它 实现了亮度中心到电流信号的转换。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 四象限法探测目标方位 在激光半主动制导系统中，通常使用四象限探测器探测目标方位。四象限探 测器是一个反向偏置的半导体二极管阵列。由于器件是象限化的，因此当日标与 接收光学系统的光轴无偏差时，照射到各个象限的辐射通量相等，即各个象限输 出的光电流相等。而当目标发生偏移时，由于象限间辐射通量的变化，引起各个 象限输出的光电流变化 1 6 1 。四象限法是亮度中心探测法的一种，本节详细介绍四 象限法探测目标方位的相关理论。 2 2 1 定位方法 四象限探测器有三种定位方法：和差电路法、对角线相减法和四象限管对接 法网，如图2 4 所示。 ( a ) d ( 移， ( c ) 图2 4 四象限探测器三种定位方法 对角线相减法，可以省略几项运算，但误差较大；四象限管对接法，线路更 简单，但对探测器的一致性要求太高；和差电路法误差较小，但电路结构复杂， 对电路的一致性要求也比较耐2 1 。 假设像斑上的光照度均匀分布，像斑在第故庐叫，b ，c ，j d ) 个象限上的面积为& ， 探测器的半径为r ，各个象限的电流响应度如相同。对角线相减法和四象限管对 接法这两种定位方法的亮度中心e e 的计算公式相同，均为【2 1 第8 页 进啪啪一帆崤穗 砖 p 懈、 纵 弘 吐 咆 星坠墼茎彗奎奎茎錾耋耋氅璧圭茎堡墼圣 和差电路法的亮度中心浅玎的计算公式为9 矧 ( 2 1 3 ) 、( 21 4 ) 式中，b 22 2 定位模型分析 x 刈) 糟糟 。，s r ；( 矗) l + + 岛s + - 品s + - 岛s 卜 根据前面的讨论，本文拟采用和差电路法对目标的方位进行探测。和差电路 法的亮度中心计算公式见( 21 4 ) ，若令 其中，蹴卢丑c d ) 表示第i 象限输出的光电流，由于在激光半主动制导中 认为各个象限电流响应度相同，像斑为光强均匀分布的圆形【邶月，它也可表示像 斑在第i 象限上的面积。 圈25 四卑限探测与目标方位 下面讨论( 丘国与玎之间的关系，假设像斑为光强均匀分布的圆形，则它的 几何中心o 与亮度中心d 重台，均为圜心，后续章节中统一用( 埘来表示。四 象限搽测嚣与日标方位之间的关系如图2 , 5 所示，根据图中的几何关系，有 s + s o ；a ，一s 5 一s c 1 品十品r 2 击0 5 三一，i 二 o 1 6 ) l r 将( 21 6 ) 式代入( 2 1 5 ) ，并且考虑到圆对称性，得 蒸 1 jr 【 = 竖堂坠垄墼墼璧些丝墼_ 二一 心c i n 矧竺 仁 k 詈c 刺n 詈+ 詈，学2 ， 化简中用到了如下的数学公式： a r c s i nm + a r c c 。s 肼= 三2 ( v 肌【一l ，1 】) ( 2 1 8 ) ( 2 1 7 ) 式成立的条件为- 鳓- 酗。注意到等式右边为奇函数，即 联= 球) ，并且b ，目的表达式完全等价，下面只考虑0 9 母时晟与x 之间的 关系。图2 6 给出了像斑半径分别为0 5 m m 、l m m 和1 5 n u n 时，像斑半径与探测 区域之间的关系。 ， ， 一一，7 7 ， f 。 ，一 ， 1 一7 ，一 一lf | i f j 一1 1 15 m m 彭7i。1 一一品；：。 0o 51 5 图2 6 像斑半径与探测区域 由图2 6 可见，像斑的大小对探测区域有明显的影响，像斑小探测区域小，在 原点附近灵敏度高；像斑大又很难保证整个光斑在探测器光敏面内，导致探测区 域也会变小。若要使探测区域最大，则应满足条件为：整个光斑在光敏面内并且 每个象限都能接收到能量因此像斑的最佳半径为探测器光敏面半径的一半【2 6 1 。 由( 2 1 5 ) 、( 2 1 7 ) 式可知目标方位测量值为晟，实际值为工，因此需要根据e 来对z 进行估计，传统的估计方法有直接估计法【9 】、迭代法( 9 ，2 4 1 和曲线拟合法 2 3 1 等。 直接估计法用e 来估计x ，误差很大；迭代法基于疋是z 的偏大估计，通过迭代 计算来估计x ，减少了误差，但算法耗时长；曲线拟合法使用e 的多项式来估计x ， 计算速度快，误差在整个探测区域内均很小，但它在原点附近误差比较大。对于 激光半主动制导而言，既要求在原点附近方位解算误差很小，又要求在整个探测 区域内有足够快的解算速度，因此上述方法均不能满足要求，下面基于曲线拟合 法提出分段函数法。 第1 0 页 ， 泌 啦 o 口 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 注意到z ，时，( 2 17 ) 式右边可做泰勒展开，从而可对x 做如下估计 x 2 - t ( 2 1 9 ) 当x 厂的条件不成立时，( 2 1 9 ) 式的估计有较大误差，基于曲线拟合法的思想， 提出分段函数法如下： ；：t 4 一 ( 疋o 5 ) ( 2 2 。) p ( o 7 3 0 2 疋+ o 2 2 3 7 ) ( o 5 乓1 ) 取r = l m m ，则( 2 1 9 ) 式和( 2 2 0 ) 式做估计的相对误差珂分别见图2 7 和图2 8 。 。、 。 、 八 。、 i ： il 0 60 70 8o 口1 图2 7 线性法相对误差曲线 图2 8 分段函数法相对误差曲线 其中相对误差叩的定义为 =21007 ( 2 2 1 ) = 。 u z l ， 这里定义线性化系数k ，k 为相对误差在许可范围内的线性探测区域边长与像 斑直径之比。若许可范围为3 ，则线性法的线性化系数0 4 ，而分段函数法的线 性化系数为0 9 2 。线性化系数可用来估算线性探测区域的大小。 下面考虑两段线性模型所产生的测角误差。由于接收光学系统的焦距厂为 8 0 m m 左右，像斑半径为l m m 左右3 1 ，因此四象限探测器的测角公式可近似写为 广下7 0 ：型查：兰： ( 2 2 2 ) 1 对上式求全微分，得测角误差为 扯畴哆+ 南姗手 g 2 3 ， 若取r = l m m ，户7 9 5 m m ，则曲线拟合法和分段函数法的测角误差与像斑所处 的位置之间的关系分别见图2 9 和图2 1 0 。 第1 1 页 o 侣 拈 一邑槲骚藤器 里坠墼兰垫奎查兰至垒圭坠堡圭茎堡耋圣 ! 鸭嬲i ：霭臻骥嚣甏磷承鬣燃嚣燃目麓臻黔黪案$ 稀# 幕# 。籀确面肇赣 图2 9 曲线姒台 击涮角误差 圈21 0 分段函散法翱角误差 由上面两图可见，在区域h 郢9 2 ，m 99 2 内，两种方法的测角误差均小于 5 0 ”，但在区域h 郢l ，m 郢l 内，曲线拟合法的测角误差最大值为8 一，而分段函 数法的测角误差最大值为0 5 。，就解算速度而言，分段函数法要路优于曲线拟合法， 从硬件实现方面来看，二者的差别不大。 综上所述，在激光半主动制导半实物仿真系统中采用分段函数法解算目标方 位比较台适，该方法在线性探涮区域内最大测角误差为5 0 - ，平均测角误差为2 0n ； 在原点附近的测角误差优于0 5 。，解算速度快硬件实现比较方便。 2 3 方位搽测误差分析 探测器噪声、探铡器的不一致性和探测器安装误差都会影响到方位探测误差。 本节详细分析这三者对方位探测误差的影响。 2 3 1 探测器噪声引起的误差 四象限探测器输出电流中的噪声主要有：散粒噪声、暗电流噪声、热噪声1 2 2 捌。 为讨论问题简便，假设这些噪声之问彼此不相关，又由于这些噪声均为白噪声， 因此可阻认为总噪声服从均值为o ，方差为，的高斯分布l 。 为了书写方便，正只c ，d 四象限改用l ，2 ，代替。由于噪声的存在，( 21 5 ) 式 变为 ：垫叠! 生& 2 二焦! 生刍! 生j 2 ：。拦羔盗趁羔盗 仁：， e ：竖! 厶；生厶22 = 1 51 土a ! 生! 生1 2 卜。 3 l 、+ l n + 1 2 + i ，t 十| 、+ i 。、+ i + i ( 2 2 4 ) 式中，五为第i 象限输出的信号光电流，厶。为第i 象限输出的噪声电流。 第1 2 页 霜 羹一茹 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 由于e ，目形式相似，下面只对晟进行分析。令u 硝也，y + 厶，屯1 ， 圪= 厶2 十。则( 2 2 4 ) 式可写成 名= 舞精篇 亿2 5 ，j ( u + 乩) + ( 矿+ k ) 、。7 若假设以+ ，+ 以则有【l o 】 e 等+ 2 静 亿2 6 ， 。 u + y( u + 矿1 2 、。， ( 2 2 6 ) 式右边的第一项即为理论值，第二项则是由于噪声的存在引起的误差。 假设u , , - n ( o ，d 2 u ) ，v , , - n ( o ，