光电技术课程设计 光电定向

1、一.综述:光电子技术基础课程设计是在我们已经完成光电子技术基础课程教学之 后所进行的综合性设计过程。 我们将把这些知识真正应用于实际的设计过程 中。 此次课程设计我将利用光电探测器设计测试装置针对一物理量目标 方向,进行测量,这也就是所谓的光电定向。光电定向是指用光学系统来测 定目标的方位,在实际应用中具有精度高、价格低、便于自动控制和操作方 便的特点,因此在光电准直、光电自动跟踪、光电制导和光电测距等各个技 术领域得到了广泛的应用。 在本次设计中我将选择由 PIN 光电二极管组成的 四象限光电探测器,在分析了其技术原理及其特性后,以其在激光寻的器中 应用来说明其在导弹制导中的重要地位, 以此

2、来突出光电器件的性能和应用! 之所以选择精确制导作为四象限光电探测器的应用举例是因为国家的 安全是经济建设和人民生活的保证!我从小就关注祖国武器的发展,希望祖 国强大,如今伴随着世界新军事变革的不断发展与高新技术的广泛应用,现 代战争的作战形态和作战理念正在发生深刻的变化, “基于效果作战”的战 争效益观逐渐被世界各国所接受。精确制导武器的研制和使用,无疑成为追 求战争效益的重要手段,它具有命中精度高、可实施远程精确打击、杀伤威 力大、总体效能高等优点。精确制导技术是决定精确制导武器作战性能的关 键,激光制导无疑是精确制导的一种有效手段,激光制导武器的核心器件便 是激光导引头, 在引头中的一个

3、重要器件便是我们将要研究的四象限光电探 测仪。二.关键词:光电定向 四象限 PIN 光电探测器 激光制导三.设计选题及任务:光电定向,以光电器件的特性为基础,突出所选光电器件的的性能,并 结合相关器件的特性结合所学知识完成对目标的定向。四.设计原理:通过光学发射系统向目标发射激光, 激光探测器通过光学系统接受由目 标反射来的微弱的激光束后转换成电信号, 从而发现激光束指示的目标并计 算测量出目标的具体位置,从而达到光学定向的目的。五.设计方案:5.1系统结构框图光电定向是指用光电系统测定目标的方向,系统主要由发射部分、光电 探测器及接受,信号处理电路, A/D转换器和单片机、计算机显示器组成,

4、 结构框图如图 1所示。 图 1系统结构图5.2光电元件设计本次设计着重于探测及接受部分的设计以及信号处理电路的设计, 对于 探测元件我选择四象限 PIN 光电二极管探测器。 四象限 PIN 光电二极管探测 器是在同一芯片上做出四个探测器。这四个探测器具有基本相同的参数,并 分别称为、和四个象限。四个象限的分界线组成测量目标方位的 直角坐标系,其十字形交点与光学系统的光轴重合。光学系统接收光脉冲后 把目标成像于四象限探测器上。在定向系统中,四象限探测器得到的目标像 近似为圆形光斑,其成像原理如图 2。 图 2四象限 PIN 光电二极管成像原理一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦

5、平面, 当目 标成像不在光轴上时, 4个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同,比较 4个光电信号的幅度大小可以知道目标成像在哪个象限上(也就知道了目标的方位 ,以此来实现光电定向。 5.3四象限探测器工作原理四象限探测器是通过测量来自激光束的 光斑质心的位置变化,并借助某种算法来同 时确定光斑的两个方向的偏移量。 如图 3 所 示光斑被四个象限分成 A, B,C,D 四个部分, 其面积分别为 S 1、 S 2、 S 3、 S 4 象限产生的阻抗电流为 i 1、 i 2、 i 3、 i 4。由 i 1+i4和 i 2+ i 3的比例可以确定 横向偏移量由 i 1+ i2和 i 3+ i4的比例可

6、以确定纵向偏移量。算法是: 式中 , k 为比例系数,是一常量。当光斑中心与四象限探测器中心一致时, 四象限探测器的阴极产生的阻抗电流 i 1、 i 2、 i 3、 i 4都相等,若不相等则两 个方向的偏移量可以由上式求出。5.4信号处理电路设计此处重点设计四象限探测器的信号处理电路, 如图 4所示其中用到了放大器, 加法器,减法器,除法电路以及单片机。图 4 信号处理电路 5其中 R 2=R1/Rf , R 4=R3/R3/R3/R3/R3, A 1、 A 2、 A 3、 A 4分别放大由 A 、 B 、 C 、 D 产生的信号。 六.应用方案设计 :6.1应用方案选择此次光电定向的应用以激

7、光制导为例来讲述其应用, 精确制导武器指直 接命中概率超过 50%的制导武器随着科学技术的发展,精确制导武器的命中 率多数已达到 90%以上。它在高技术局部战争的作用和地位凸显,对军事斗 争具有划时代的意义,精确制导武器一般有激光制导,成像制导和复合制导 等。激光制导主要采用三种制导方式 :激光半主动制导、激光主动成像制导 和激光驾束制导。激光半主动制导与驾束制导已用于空地导弹、地空导弹、 空空导弹、反坦克导弹。激光主动制导武器也在进一步研究中。激光半主动 制导是激光制导技术中发展最早、最成熟、应用广泛的一种如表 1。它是利 用独立的激光目标指示器照射目标 , 弹上导引头接收目标反射的激光回波

8、信 号 , 经过信号处理 , 形成控制指令控制导弹的飞行。它能实现间接瞄准 , 自寻 的俯冲攻击 , 便于攻击复杂条件下的目标。其特点是制导精度高、抗干扰能 力强 , 可以对抗目前几乎所有的电子干扰 , 适于制导多类武器 , 同时其结构较 简单、成本较低、可与其他寻的系统兼容。 表 1 几种较早应用的采用四象限光电探测器的制导武器性能46.2激光半主动制导基本原理激光半主动制导的基本原理是由四象限探测器探测目标的方位角信息, 经处理后输进给激光制导武器控制系统以产生相应的侍服动作来进行制导。 激光半主动寻的系统的工作原理如图 5. 图 5 激光半主动寻的系统的工作原理图 1激光探测器通过光学系

9、统接受由目标反射来的微弱的激光束后转化为 电信号,从而发现激光束指示的目标并测量目标所处的位置。放大器把电信 号进一步放大,并经过逻辑运算产生角误差信号,信号处理器依据角误差信 号求出导引信息;指令形成器依据导引信息产生导引指令,控制导弹沿着正 确的弹道飞向目标。6.3激光制导中使用的光电探测系统激光制导武器的核心器件便是激光导引头。 激光导引头利用目标反射的 激光 , 实现对目标的跟踪和控制 , 直至导弹命中目标。 常用的激光导引头如图6,其信号处理电子线路组成如图 4所示。 从图 6 中可以看出 :位于导引头最前端的象限光电探测器和自动增益控制放大电路的电路设计是整个导引头设计的关键 ,

10、是捕获目标、判断目标位置、分析目标状态的第一手信息的重要部分。4反射镜 6信号收集器7四象限 PIN 光电二极管 8滤光片图 6 激光导引头(源自百度图片导引头的光电探测系统使用四象限光电探测来测定目标相对于光轴的 偏移量大小和偏移量方位 , 光电探测器是光电探测系统中的核心部件。光电 探测系统的探测能力及探测精度在很大程度上依赖于光电探测器的性能。导引头也可采用双四象限光电探测器, 对来自不同区域的信号采用不同 的模式处理。对外围区 (10 mm 的信号可以采用开关电路进行处理,对 中心区四象限 (2 mm 的信号采用线性电路进行处理,这样可以方便地调 节导引头的跟踪视场,以适应不同的目标。

11、在目标捕获阶段,双四象限均可 接收目标信号,跟踪视场角大,为 -15°+15°,便于发现和捕捉目标;而 在自动导引阶段 (线性跟踪阶段 ,外围信号通道被关断,导引头跟踪视场缩 小到 -3°+3°,从而降低了外部干扰的几率,提高了系统的灵敏度。激光导引头用四象限 PIN 光电二极管探测系统, 因为 PIN 光电二级管是 一种快速光电二级管。与一般的光电二极管相比,它具有小的时间常量,并 使光谱响应范围向长波方向移动,以此具有电子线路简单 , 性能稳定可靠的 特点。 PIN 光电二极管探测系统中 PIN 光电二极管的工作电压 Vp不需要太高 (导引系统采用

12、0. 85m 激光时 ,Vp 使用 10 15 V 即可正常工作 , 导 引系统采用 1. 06m 激光时 ,Vp 使用 6080 V , 且环境温度对其性能影响 较小。6.4四象限 PIN 光电探测器导弹制导中定向原理在激光半主动制导系统中 , 四象限 PIN 探测器的工作示意图如图 7 。 甲 乙 丙图 7 组件探测器芯片工作示意图照射到被攻击目标的激光反射信号 , 通过导弹前端的光学系统在四象限 PIN 芯片形成一个激光光斑。若激光光斑正好落在象限探测器的中心 , 那 么 ,A 、 B 、 C 、 D 四个象限探测器输出信号经四路放大器放大后的输出的 V A 、 V B 、 V C 、

13、V D 的辐值应完全相等, 这说明导弹正好对准了目标。 此时有 : (VA +VB - (VC + VD = 0 , (VA + VC - (VB + VD = 0 。若导弹未对准 目标 , 在四象限光敏上形成的光斑将不在光敏面的中心 , 如图 7丙 。此时 , (VA +VB - (VC + VD 0 ,说明导弹上下位置有偏差 , 此时会输出一个误差 信号去控制导弹垂直尾舵 , 以改变它的上下状态 , 使导弹调整对准目标。 目标 上下对准后 (VA +VB -(VC + VD = 0;同理 , 当 (VA +VC -(VB + VD 0 时 , 说明导弹左右有偏差 , 此时会输出一个误差信号

14、去控制导弹水平尾舵 , 以改 变它的左右状态。利用四象限输出信号的幅值变化 , 可以有效地控制导弹不 断地自动修正其飞行方向 , 直到准确地飞向被攻击的目标。6.5导弹击中目标的算法讨论激光制导武器以其探测系统探测到的目标方位角偏差作为导航依据的, 在 此就一简单模型加以讨论。 设导弹以速度 U 飞向目标, 目标以速度 V 水平飞 行,则单位时间内目标的飞行距离不变为 L ,而对应于导弹单位时间内由 于其与目标距离的改变, 则其单位时间通过四象限探测器的定向以及控制系 统的纠正,其单位角变量 是一变化量,这就要求导弹上的计算机系统计 算这一单位时间角变量, 以使得导弹始终以一定范围的偏航角飞向

15、目标而基 本不产生脱靶。七.结束语 :经过一个星期的资料查阅与老师的细心指导,以及自己的努力,此次课 程设计终于完成。在此感谢指导老师杨畅民老师的悉心指导,由其是在 导弹捕获目标基本算法方面的指导。此次因为要实现光电定向,而设计的四 象限 PIN 光电二极管虽然没有造出实物,但是理论分析已经相对较完善,其 在实际的定向中,以激光制导为例。激光制导武器的核心器件便是激光导引 头 , 位于导引头最前端的四象限光电探测器和自动增益控制放大电路组成的 光电探测器关系到整个导引头设计的成败 , 它是捕获目标、判断目标位置、 分析目标状态的第一信息的关键部分。然而在此次课程设计中也有明显的不足! 首先因为

16、知识有限所设计的四 象限光电二级管过于简单,在定向中忽略了许多影响因素,而只是以理想的 简单条件讨论,其次讨论激光制导时过于简单化,而在实际的激光制导中所 用的光电探测器组件,要根据激光制导系统的特殊要求 , 调节光电探测器组 件各个光电参数的平衡 , 以达到最佳探测效果。不过我今后一定会努力多学 习相关的知识,在以后的设计中做出更加优秀的作品!2012年 1月 1日光电技术课程设计光电定向 参考文献 1李志鸿.精确制导技术原理与应用简介.大众科技.2007.10 2 江学文等.光电技术.科学出版社. 2009.1 3 王庆有.光电技术.电子工业出版社 .2005.4 4刘宁，柴金华.四象限光电探测器在激光光学系统中的典型应用分析.光机电研究论 坛.2009.3 5温永达.四象限光电二极管产品介绍.深圳宇光光电科技有限公司 6舒柏宏,陆启生,张国清,刘泽金.四象限探测器的激光破坏及其对光学制导的影响. 强激光与粒子束.1997.8 第 9 卷 7谭千里.四象限探测器组件在激光制导技术中的应用.半导体光电