李福巍，張運(yùn)強(qiáng),2，王鵬輝,2，潘國慶,2

（1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471099；2.航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471099）

引言

激光四象限探測系統(tǒng)是激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的核心器件，可應(yīng)用于多種激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)中。激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的工作原理是位于彈體之外的激光目標(biāo)指示器照射目標(biāo)，彈上的激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)反射的激光信號(hào)，并根據(jù)此信號(hào)解算出目標(biāo)信息，再由彈上計(jì)算機(jī)綜合彈體姿態(tài)信號(hào)并按照給定的制導(dǎo)形式處理成制導(dǎo)信號(hào)，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使武器跟蹤目標(biāo)。其優(yōu)點(diǎn)是制導(dǎo)精度高，抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，武器系統(tǒng)成本低。如美國的銅斑蛇和俄羅斯的紅土地激光制導(dǎo)炮彈均采用半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭，性能優(yōu)異。美國的海爾法激光制導(dǎo)導(dǎo)彈也采用半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭[1]。

本文利用LightTools 軟件仿真了激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭中的四象限探測系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行有效地評(píng)估，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)，針對(duì)激光散斑現(xiàn)象進(jìn)行了分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

另外，本文還利用LightTools 軟件對(duì)系統(tǒng)的雜散光情況進(jìn)行了分析，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的性能。目前，國際上最常用的光學(xué)設(shè)計(jì)分析軟件有Code V，LightTools，Tracepro，Zemax 等，其中LightTools 在光機(jī)系統(tǒng)一體化仿真，雜散光分析等方面具有明顯的優(yōu)勢[2-5]。

1 LightTools仿真模型建立

1.1 四象限探測器建模

四象限探測器是探測系統(tǒng)的主要部件，四象限探測器是把4個(gè)性能相同的探測器按照直角坐標(biāo)系的要求排列成4個(gè)象限并集成在同一芯片上，中間由十字形分劃線隔開，如圖1所示。圖1中φ為探測器光敏元的直徑，d為分劃線寬度，A、B、C、D代表4個(gè)光敏面，即4個(gè)象限。四象限探測器具有響應(yīng)頻率快，響應(yīng)波長寬，靈敏度高，工作溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

圖1 四象限探測器示意圖Fig.1 Schematic of four-quadrant detector

本文仿真的四象限探測器參數(shù)如表1所示。

表1 四象限探測器參數(shù)Table1 Parameters of four-quadrant detector

1.2 光學(xué)系統(tǒng)建模

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要采用CodeV 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，該軟件與LightTools 軟件有很好的交互性，可以直接將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。鏡筒等機(jī)械結(jié)構(gòu)采用UG 等軟件進(jìn)行建模，然后再導(dǎo)入LightTools中并進(jìn)行簡單的修改，建立的模型如圖2所示。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)模型Fig.2 Model of optical system

1.3 探測器系統(tǒng)整體建模

將光學(xué)系統(tǒng)和四象限探測器按照設(shè)計(jì)要求布置在指定位置，然后在光學(xué)系統(tǒng)前面設(shè)置光源，模擬目標(biāo)光線的入射，建立探測系統(tǒng)的整體模型，如圖3所示。

圖3 探測系統(tǒng)模型Fig.3 Model of detection system

2 系統(tǒng)仿真

2.1 和差比幅指令仿真

對(duì)于激光四象限探測系統(tǒng)，工作時(shí)光學(xué)系統(tǒng)接收并匯聚目標(biāo)漫反射的激光光束，在探測器上形成圓形光斑，光斑使每個(gè)象限都輸出一個(gè)信號(hào)，通過對(duì)各個(gè)象限輸出信號(hào)的處理可以得到目標(biāo)位置的信號(hào)。

定義4個(gè)象限輸出的信號(hào)為VA、VB、VC、VD，進(jìn)行和差比幅運(yùn)算，可以得到沿Y、Z方向的偏移量所對(duì)應(yīng)的值UY、UZ，再乘以系數(shù)K可計(jì)算出位置信息：

通過上面所建立的探測器模型，在仿真過程中將得到光斑在4個(gè)象限的分布，并可以記錄4個(gè)象限的能量，然后帶入（1）式和（2）式，計(jì)算得到系統(tǒng)的和差比幅指令輸出情況，如圖4所示。圖4（a）為通過系統(tǒng)仿真得到的成像光斑；圖4（b）為光斑落在四象限探測器上的情況。

圖4 光斑在探測器上的分布Fig.4 Distribution of light spot on detector

通過在仿真模型中探測器的每個(gè)象限上增加能量接收器，可以采集落在各個(gè)象限的能量，圖5是其中一個(gè)象限上所接受到的能量值。

圖5 一個(gè)象限上的能量值Fig.5 Energy value in one of quadrant

通過以上分析可以評(píng)估系統(tǒng)的指令輸出情況，對(duì)系統(tǒng)的整體評(píng)估提供依據(jù)。

2.2 雜散光分析

雜散光是光學(xué)系統(tǒng)中非正常光路中的光線通過若干次反射或散射落在探測器上并引起響應(yīng)的現(xiàn)象。LightTools 軟件提供了雜散光分析功能，通過對(duì)不同光學(xué)面和機(jī)械面的設(shè)置，可以較為真實(shí)地模擬光線在系統(tǒng)中的傳輸，從而進(jìn)一步分析系統(tǒng)的雜散光分布情況[8-12]。光學(xué)系統(tǒng)中的光線追跡如圖6所示。圖6（a）為擬進(jìn)行雜散光分析的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)視場為±15°，線性區(qū)為6°，采用三片式透射結(jié)構(gòu)；圖6（b）為30°光線入射光學(xué)系統(tǒng)的傳輸情況。由圖6可以看出，雖然光線在系統(tǒng)中進(jìn)行了多次反射和折射，但是并未有光線落在探測器上，該角度并不會(huì)產(chǎn)生雜散光。

圖6 光學(xué)系統(tǒng)中的光線追跡Fig.6 Ray tracing in optical system

在設(shè)計(jì)過程中，將設(shè)置不同的角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的仿真評(píng)估。當(dāng)某個(gè)角度存在雜散光時(shí)，將有光線落在探測器上。對(duì)圖6中光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，當(dāng)入射光線為16°時(shí)，有若干光線落在探測器上，如圖7所示。當(dāng)以0°光線入射時(shí)在探測器上形成的能量為0.5 W，該部分雜散光在探測器上形成的能量為3.2×10?7W。

圖7 落在探測器上的光線Fig.7 Ray falling on detector

2.3 散斑特性仿真

激光具有非常好的相干性，容易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，當(dāng)激光照射物體的漫射表面，或者通過一個(gè)透明的漫射體時(shí)會(huì)在其表面以及附近空間產(chǎn)生無規(guī)則分布的亮暗斑紋，即激光散斑[13-16]。這是一種干涉現(xiàn)象，而且散斑在各種激光系統(tǒng)中客觀存在。因此，本文利用LightTools 軟件分析了散斑效應(yīng)對(duì)指令輸出的影響。

根據(jù)散斑的特點(diǎn)，本文利用LightTools 軟件在一個(gè)均勻的光斑上疊加一些隨機(jī)的變化來模擬散斑效應(yīng)，如圖8所示。圖8（a）為軟件模擬的均勻光斑，圖8（b）和8（c）是增加了散斑效應(yīng)的光斑。

圖8 激光散斑效應(yīng)仿真Fig.8 Simulation of laser speckle effect

假設(shè)在不同幀時(shí)散斑分布是不同的，隨機(jī)模擬10幀不同散斑圖像，加載在0°視場的情況如圖9所示。這10幀不同的和差比幅值如圖10所示。

圖9 不同幀的散斑圖像Fig.9 Speckle images of different frames

圖10 不同幀散斑圖像的和差比幅值Fig.10 Sum-difference amplitude of different frame speckle image

由圖10可知，由于散斑的存在，明顯增加了系統(tǒng)指令的跳動(dòng)，即增加了系統(tǒng)的噪聲。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述方法建立LightTools仿真模型，仿真±15°視場范圍內(nèi)不同視場時(shí)系統(tǒng)輸出的和差比幅值，輸出結(jié)果如圖11所示。

圖11 軟件仿真得到的和差比幅值Fig.11 Sum-difference ratio amplitude from simulation

同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)物系統(tǒng)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如圖12所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.12 Experimental system and experimental site

實(shí)驗(yàn)時(shí)探測系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上隨轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)每轉(zhuǎn)動(dòng)1°數(shù)據(jù)采集1次，轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍為±15°，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖13所示。

對(duì)比圖11和圖13可以看出，各視場角輸出的和差比幅值基本一致，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

圖13 實(shí)驗(yàn)得到的和差比幅值Fig.13 Sum-difference ratio amplitude from experiment

4 結(jié)論

本文采用LitghtTools 軟件完成了一個(gè)激光四象限探測系統(tǒng)的建模，模型中包含了激光目標(biāo)模型、激光光學(xué)系統(tǒng)模型和激光四象限探測器模型。同時(shí)，依據(jù)此模型完成了±15°范圍內(nèi)的和差比幅值仿真。通過和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了模型的正確性。另外，通過模型仿真還可以對(duì)系統(tǒng)的雜散光等性能進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)的優(yōu)化和改進(jìn)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。本文提出的基于LitghtTools的仿真方法準(zhǔn)確、有效，有利于進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，并縮短系統(tǒng)的研制周期。