韓 剛，許亞娥，沈 陽，王 進(jìn)，王 森

（西安北方光電科技防務(wù)有限公司 計(jì)量檢測中心，陜西 西安710043）

引言

通過近些年來的局部戰(zhàn)爭，尤其是海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭，人們清楚地看到，精確制導(dǎo)武器在戰(zhàn)爭中所起到的作用越來越重要，其擁有程度和運(yùn)用能力也已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家軍事現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志之一，它會(huì)同電子戰(zhàn)、軍事指揮自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的3大支柱［1］。

激光尋的制導(dǎo)武器屬于有源精確制導(dǎo)技術(shù)的一種，大致分為激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器和激光主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器2大類［2］。激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器是指由彈外的激光目標(biāo)指示器與彈上的激光尋的器（也叫激光導(dǎo)引頭）2部分組成，是目前世界各國應(yīng)用較廣的一種制導(dǎo)模式，尤以美國的“銅斑蛇”和前蘇聯(lián)的“紅土地”最具代表性［3］。

在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)和科研過程中，建立調(diào)試產(chǎn)品的仿真模擬系統(tǒng)，即模擬產(chǎn)品在野外作戰(zhàn)的實(shí)際環(huán)境：如彈體飛行的姿態(tài)、大氣環(huán)境（陰天、晴天、雨霧、地物雜波等）等背景對(duì)產(chǎn)品性能干擾的影響是必要的，而激光指示器作為整個(gè)制導(dǎo)過程中（從搜索發(fā)現(xiàn)、鎖定目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)到擊中目標(biāo)全過程）重要的組成部分［2］，其仿真系統(tǒng)的研制與調(diào)校顯得尤為重要。文中則主要介紹激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器，并以激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)炮彈為例，在總結(jié)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地利用激光散斑技術(shù)就如何正確調(diào)校激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器仿真系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了研究和分析。

1 散斑技術(shù)

1.1 散斑的形成原理

當(dāng)一束激光射到物體的粗糙表面（例如鋁板或者鋼板等）上時(shí)，在粗糙表面前的空間將布滿明暗相間的亮斑與暗斑；若再放置一張紙屏于粗糙表面前，會(huì)更明顯地看到這一現(xiàn)象，這些亮斑與暗斑的分布是雜亂的，故稱散斑（speckle）。不論將紙屏放置于遠(yuǎn)處或者近處，都可以看到這一現(xiàn)象，這表明粗糙表面前的整個(gè)空間都布滿著散斑，僅在紙屏靠近粗糙表面時(shí)，散斑較小，遠(yuǎn)離粗糙表面時(shí)，散斑較大。若所用的是光滑表面，則入射光線被該表面反射時(shí)，不能形成散射，所以在紙屏上將看不到散斑。若所用的雖然是粗糙的表面，但是入射的不是激光，而是白光或者鈉光，這時(shí)雖然發(fā)生散射光，但是由于光線并不發(fā)生相干，如圖1所示。會(huì)聚到P點(diǎn)的各散射光不發(fā)生干涉，即不會(huì)形成亮斑與暗斑。上述現(xiàn)象可以看出，要形成散斑必須具有2個(gè)條件：1）必須有能發(fā)生散射光的粗糙表面。為了使散射光較均勻，粗糙表面的深度必須大于入射激光的波長；2）入射光線的相干度要足夠高，例如使用激光。當(dāng)激光射到毛玻璃上時(shí)，因?yàn)榉弦陨?個(gè)條件，所以在毛玻璃后面的整個(gè)空間充滿著散斑［4］。

圖1 客觀散斑的形成Fig.1 Formation of objective speckle

1.2 散斑的大小

如上所述，散斑是相干光照明時(shí)，粗糙表面各個(gè)面積單元上散射光波之間干涉在空間域內(nèi)形成的顆粒狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。顆粒狀的大小，可用它的平均直徑來表示，而顆粒尺寸的嚴(yán)格定義是2個(gè)相鄰的亮斑間距離的統(tǒng)計(jì)平均值。此值由產(chǎn)生散斑的激光波長λ及粗糙表面圓形照射區(qū)域?qū)υ撋叩目讖浇莡′所決定的，即［4］：

圖2 激光散斑（斑紋）圖Fig.2 Speckle picture（striped pattern）

圖3 主觀散斑的形成Fig.3 Formation of subjective speckle

（1）式說明散斑的大小粗略的對(duì)應(yīng)于干涉條紋間隔，而后者是由形成散斑的光瞳直徑兩端的光波產(chǎn)生的。當(dāng)照明區(qū)域?yàn)閳A形時(shí)，散斑亦為圓形。當(dāng)照明區(qū)域增大，那么有更多的面積元上散射的光波參加干涉，所以散斑的分布變化了，而且由于照明區(qū)域?qū)υ撋叩目讖浇莡′增大，所以散斑變小了。

上述散斑是由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的，稱為直接散斑。若經(jīng)過一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，在它的像平面上形成的散斑，就稱為成像散斑。因?yàn)檫@也是肉眼對(duì)焦于被照明的粗糙表面時(shí)所看到的散斑，所以，亦稱為主觀散斑，如圖3所示。

在圖3中，成像平面上P點(diǎn)的散斑直徑?jīng)Q定于光組出射光瞳對(duì)P點(diǎn)的孔徑角u′，即

式中NA為光組的數(shù)值孔徑［4］。

（2）式說明孔徑角較小時(shí)（即按照幾何光學(xué)成像理論，說明形成成像散斑所在光學(xué)系統(tǒng)中，正透鏡的曲率半徑較大，對(duì)于光線的匯聚能力較弱），散斑較大，反之亦然。

1.3 散斑的光強(qiáng)分布

以完全相干的激光照明粗糙面時(shí)，其散射的位相是無規(guī)則的分布在0～2π之間，而且都偏振在同一平面內(nèi)。在理論上可推導(dǎo)出這些散斑分布的概率密度函數(shù)［4］為

式中：P（I）dI為散斑強(qiáng)度在l與（l＋dl）之間的概率密度；〈I〉為散斑強(qiáng)度的概率平均值。

這種雜亂無章的隨機(jī)散斑圖，稱為正常散斑圖，其強(qiáng)度分布為負(fù)指數(shù)概率密度函數(shù)，如圖4所示。由圖4可見最可能出現(xiàn)的強(qiáng)度是接近于零的，即黑散斑比其他強(qiáng)度的散斑都要多。

圖4 散斑場強(qiáng)分布的概率密度函數(shù)Fig.4 Probability density function of speckle field strength distribution

綜上所述，散斑是由粗糙表面或者散射介質(zhì)的散射所形成的，所以，也可以說散斑是粗糙表面的某些信息的攜帶者。這樣，借助于散斑不僅可以研究粗糙表面的本身，而且還可以研究它的形狀與位置的變化。因此把獲得這些信息的各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)統(tǒng)稱為散斑技術(shù)。

而在激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器（炮彈或炸彈等）科研或者生產(chǎn)所用的仿真模擬系統(tǒng)中，創(chuàng)新性地利用激光散斑技術(shù)，對(duì)于光學(xué)仿真系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)，其原理如下［5］：

1）激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器所用指示光源為單色性非常好的脈沖激光光源。

2）整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)中，彈體尋的器中的光電接收元件所接收到的光信號(hào)是由目標(biāo)表面經(jīng)過漫反射而形成的激光散斑。

3）為了提高抗干擾能力和在導(dǎo)引頭視場內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)時(shí)也能準(zhǔn)確地攻擊指定目標(biāo)，在激光目標(biāo)指示器中有編碼器，射出的是經(jīng)過編碼的激光束，經(jīng)過目標(biāo)表面反射，將含有特定編碼的激光束會(huì)聚到激光尋的器上，形成制導(dǎo)過程所需的指令，即激光在空間傳輸并作為攜帶者，間接地把目標(biāo)的某些信息輸送到信息接收與處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的搜索、跟蹤等制導(dǎo)過程。

4）彈體在整個(gè)飛行制導(dǎo)過程中，隨著彈目之間距離的變化，其相對(duì)光斑直徑和接收的激光能量也在不斷發(fā)生變化。

2 激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)系統(tǒng)的制導(dǎo)原理

激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器系統(tǒng)由發(fā)射裝置、制導(dǎo)炮彈和激光目標(biāo)指示器等組成。彈體上的尋的器主要由光學(xué)系統(tǒng)、探測器和電子設(shè)備（微處理器）等組成。其中探測器采用四象限或者八象限（內(nèi)四象限和外四象限）陣列。

激光目標(biāo)指示器可以是地面的或機(jī)載的，但在炮彈、炸彈等發(fā)射后必須一直照射目標(biāo)。如果尋的器接收到從目標(biāo)反射的激光能量，由光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚到探測器上（以四象限探測器為例），形成一個(gè)近似圓形的激光光斑（激光散斑），經(jīng)信號(hào)處理（如圖5所示）可得到俯仰和偏航2個(gè)通道的誤差信號(hào)為［6］

式中IA、IB、IC、ID分別為4個(gè)象限接收到的激光功率。

圖5 四象限探測器的信號(hào)處理過程Fig.5 Signal process of four－quadrant detector

炮彈、炸彈等發(fā)射后，首先按照彈道飛行，在距離目標(biāo)3km時(shí)，彈上尋的器四象限探測器接收到激光回波編碼信號(hào)，得到尋的器光軸與彈目連線之間的角誤差，產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)力矩進(jìn)行小回路跟蹤控制［7］；根據(jù)導(dǎo)引頭輸出的視線角速度，形成舵控指令，實(shí)現(xiàn)比例導(dǎo)引。

3 仿真系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)分析

根據(jù)上述激光半主動(dòng)制導(dǎo)系統(tǒng)，一般來講，對(duì)于激光半主動(dòng)制導(dǎo)仿真系統(tǒng)，其功能實(shí)現(xiàn)必須具備以下幾點(diǎn)［6］：

1）控制激光光斑尺寸的大小。

2）控制激光能量受大氣影響和距離的衰減。

3）控制二維投射器和彈目相對(duì)位置。

4）通過激光調(diào)制器模擬大氣擾動(dòng)引起的激光閃爍。

仿真系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖6所示，其中最為重要的是圖6中的4（毛玻璃）和5（光欄），由于是仿真系統(tǒng)，則毛玻璃所起的作用就是模擬激光目標(biāo)指示器指向被攻擊目標(biāo)時(shí)，由于目標(biāo)表面的不平整（粗糙表面）而產(chǎn)生漫反射，從而形成激光散斑。彈上尋的器以球形整流罩封裝于彈頭的前端，接收自目標(biāo)反射的激光，測得飛彈運(yùn)動(dòng)的方向與目標(biāo)視線方向的偏差，并輸出相應(yīng)的誤差信號(hào)。它包括激光接收系統(tǒng)、光電探測器和處理電路等。為方便探測目標(biāo)和減少干擾，尋的器通常有大小2種視場［8］。大視場（一般為幾十度）用于搜索目標(biāo)；小視場（一般為幾度或更?。┯糜趯?duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。一般情況下，以平面角度時(shí)這個(gè)范圍為±30°左右，有的則達(dá)到±65°。而對(duì)于一般的激光半主動(dòng)制導(dǎo)炮彈來講，其跟蹤范圍為±12°左右［9］。

當(dāng)瞄準(zhǔn)目標(biāo)后，目標(biāo)指示器發(fā)射編碼脈沖激光束來照射目標(biāo)，隨即發(fā)射激光制導(dǎo)飛彈，飛彈在飛行中由其頭部的尋的器接收來自目標(biāo)反射的激光信號(hào)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、解碼、放大和運(yùn)算，得到誤差信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不斷修正航向，直至擊中目標(biāo)。

一般軍事目標(biāo)（戰(zhàn)車、艦船、飛機(jī)、碉堡等）對(duì)照明激光束的反射率與觀察方向有關(guān)，故通常存在一個(gè)以目標(biāo)為頂點(diǎn)，以照明光束方向?yàn)閷?duì)稱軸的圓錐形角空域。激光制導(dǎo)的飛彈必須投入此角空域內(nèi)，尋的器才能搜索到目標(biāo)，此角空域被俗稱為“光藍(lán)”［9］。目標(biāo)表面越光滑，則“光藍(lán)”開口越小，飛彈被投入光藍(lán)越困難，而探測距離越遠(yuǎn)（因?yàn)橐罁?jù)幾何光學(xué)定律，對(duì)于表面越光滑的目標(biāo)，其反射回來的激光束越規(guī)則，而且激光能量損失越小，當(dāng)飛彈導(dǎo)引頭所用光電探測器相同時(shí)，其探測靈敏度也相同，則對(duì)于反射回來激光能量或功率損失小的目標(biāo)探測的距離就越遠(yuǎn)）。目標(biāo)表面若是粗糙，則情況相反。

圖6 仿真系統(tǒng)中脈沖指示激光模擬光源的光路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Optic path of pulse－indicated laser－imitated light source in simulation system

4 散斑技術(shù)在仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

以下一組圖形（圖7）中，圖7（a）為在上述光學(xué)系統(tǒng)（圖6）中準(zhǔn)值物鏡6相對(duì)于其焦點(diǎn)位置進(jìn)行前離焦或者后離焦時(shí)，從紅外平行光管中觀察到的激光散斑的斑紋。圖7（b）為準(zhǔn)值物鏡6位于其焦點(diǎn)位置時(shí)，從紅外平行光管中觀察到的激光散斑匯聚為一個(gè)很亮的光點(diǎn)。圖7（c）為準(zhǔn)值物鏡6位于其焦點(diǎn)位置附近較小距離時(shí)，從紅外平行光管中觀察到的激光散射后形成的“日冕”現(xiàn)象（一般也稱為夫朗和費(fèi)環(huán)）。圖7（d）為在上述光學(xué)系統(tǒng)（圖6）中去掉準(zhǔn)值物鏡6時(shí)，從紅外平行光管中觀察到的激光散斑干涉現(xiàn)象。

圖7 準(zhǔn)值物鏡相對(duì)其焦點(diǎn)前、后不同位置所對(duì)應(yīng)的激光散斑的斑紋Fig.7 Patterns of laser speckles on different positions in front and back of focus in collimation objective

利用上述原理對(duì)仿真系統(tǒng)激光光斑進(jìn)行調(diào)試時(shí)，也可根據(jù)其制導(dǎo)全過程及尋的器大小視場的不同，將激光光源的輻射照度值劃分為大能量和小能量2種情況分別進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)，即：

1）當(dāng)彈體距離攻擊目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，彈體處于目標(biāo)搜尋階段，此時(shí)尋的器處于大視場，但是在此空域中形成散斑的激光能量較小，加之大氣傳輸?shù)挠绊?，其光電接收裝置接收的激光輻照度值就?。ㄐ∧芰浚鶕?jù)主觀成像散斑的特性，此時(shí)孔徑角較大，散斑直徑較小。

2）當(dāng)彈體距離攻擊目標(biāo)較近時(shí)，彈體處于目標(biāo)鎖定跟蹤階段，此時(shí)尋的器處于小視場，在此空域中形成散斑的激光能量較大，并受大氣傳輸?shù)挠绊戄^小，其光電接收裝置接收的激光輻照度值就大（大能量），根據(jù)主觀成像散斑的特性，此時(shí)孔徑角較小，散斑直徑較大。

3）對(duì)光學(xué)仿真系統(tǒng)中不同狀態(tài)下激光散斑的直徑大小進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)時(shí)，還應(yīng)考慮產(chǎn)品的實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，由于考慮到尋的器接收單元的技術(shù)特性和彈體在飛行過程中的穩(wěn)定性，一般來講，在設(shè)計(jì)時(shí)，尋的器接收單元的光敏面一般處于其光學(xué)系統(tǒng)焦平面之前的位置，即前離焦。原因是：1）可以減小整個(gè)尋的器的結(jié)構(gòu)尺寸；2）避免由于在焦平面激光能量會(huì)聚太大而擊穿接收單元；3）避免由于在接收單元光敏面上光斑直徑太小而引起彈體在整個(gè)飛行過程中（搜索、跟蹤目標(biāo)的過程中）產(chǎn)生劇烈的抖動(dòng)，從而影響其制導(dǎo)精度。因此用紅外變相管（紅外平行光管）對(duì)激光散斑的直徑大小進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)的過程中，當(dāng)沿光軸方向移動(dòng)成像透鏡時(shí)，在視場中會(huì)看到有2個(gè)滿足光斑直徑的激光散斑，一個(gè)是由于光線會(huì)聚產(chǎn)生的，一個(gè)是由于光線發(fā)散而產(chǎn)生的，根據(jù)上述分析，應(yīng)該選擇略微發(fā)散的激光散射斑紋。

5 結(jié)束語

綜上所述，在充分分析目前國內(nèi)外在激光制導(dǎo)武器方面發(fā)展的現(xiàn)狀，并以激光半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器（炮彈、炸彈）的制導(dǎo)模式為例，針對(duì)科研生產(chǎn)過程中產(chǎn)品調(diào)試等所用仿真系統(tǒng)現(xiàn)狀研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了利用激光散斑技術(shù)對(duì)仿真系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)的思路。該方法快捷有效，從理論上實(shí)現(xiàn)了仿真與實(shí)際工作環(huán)境的一致性，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐和實(shí)際靶試驗(yàn)證是完全可行的［10］，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值。

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