新型半主动激光制导实物仿真系统设计与实现

褚 凯，朱一旺 ，杨 茜，李小明

（1.陆军军官学院 研究生系，安徽 合肥 230031；2.陆军军官学院 军用光电技术与系统实验室，安徽 合肥 230031）

随着以计算机为代表的信息化技术的飞速发展，半实物仿真技术[1]在国内外的航空航天、通信等众多军用和民用领域都发挥着重要作用，具有费用低，开发周期短等特点。激光半主动制导半实物仿真系统[2]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。为测试激光制导干扰设备对激光制导的干扰效果，开发研制了该系统。

1 系统组成及工作原理

该仿真系统主要由光学系统、光电探测器、信号处理电路和伺服系统组成。系统的工作原理是这样的：用NdYAG模拟激光源发射经过编码的激光束，经过滤光片照射到四象限光电探测器，光电探测器将接收到的激光光信号转变为电信号输出给后续处理电路。光电探测器输出的电信号进过自适应前置放大滤波电路、峰值保持电路和AD转换电路，进入微处理器，通过光斑检测四元定位算法[3]，解算出目标光斑偏离中心的偏差即偏离目标光源中心点的脱靶量[4]，根据脱靶量形成对伺服系统的控制指令，二维转台伺服控制系统根据控制指令调整导引头的姿态，稳定跟踪模拟目标光源，原理流程框图如图1所示。

系统光电探测器组件采用中国电子工业集团公司第四十四所生产的GD4311Y四象限光电探测器。它具有可控增益、响应速度快、盲区小、噪声低；均匀性、对称性好等特点，在激光定位、激光制导等方面应用广泛。它的光敏尺寸为Φ 8 mm，响应波长范围为850～1 064 nm。为了增强探测效果，滤除背景和噪声的干扰，在探测器前加装了滤光片，对进入到探测器的激光进行了过滤。二维转台伺服系统为双自由度高精度数字云台PT01502，前后俯仰72°，水平旋转－157°～157°，RS485通信接口，24 V/3 A直流供电，70多条默认缺省指令集，指令响应时间12 ms。

2 硬件电路设计

2.1 前置放大电路

GD4311Y四象限探测器电路如图2所示，其中U1为GD43311Y 探测器，D1、D2、D3、D4 为四象限电流信号输出，+80 V的作用是给探测器提供的典型偏置电压，+2 V的作用是给探测器提供增益控制电压，+5 V的作用是给探测器提供的正电源，为了保证电源稳定，在正电源与地之间必须接入

10 0 pF的电容。

图2 探测电路Fig.2 Detection circuit

四象限探测器的作用是将光信号转变成了微弱的电信号，其输出相当于一个高速脉冲电流源。前置放大电路采用跨阻放大器对探测器输出的微弱电信号进行放大，并将电流信号转为电压信号输出，电路如图3所示。

图3 前置放大电路Fig.3 Preamplifer circuit

跨阻放大器选用AD8007低失真的高速放大器，650 MHz带宽。D1为探测器输出，R1为200Ω限流电阻，流入跨阻放大器；±5 V作用是提供工作电压；F1为经过放大的输出信号。

2.2 峰值保持电路

在将信号输入到AD转换电路之前，由于采集到的信号频率高，即使是高速率的AD也无法在短时间内完成数模转换，需要将采集信号的峰值保持一段时间。而峰值保持电路的作用就是将采集到的信号峰值保持下来，供ADC采样所用。系统采用具有响应速度快、动态范围大和误差小等优点的跨导型峰值保持电路[5-7]，电路如图4所示。

跨导放大器 （WTA）选用Maxim公司的MAX436芯片。MAX436无需另外设置静态工作点，是高速、宽带跨导型放大器。其反向输入端电阻很大，反馈回路从图中的N1处引入，这样减少了电压缓冲器的延时。图中U27、U28信号缓冲器为MAX4201开环单缓冲器。它们的作用是对信号进行缓冲，提高驱动能力和抗干扰能力。U28的输出即为峰值保持结果，通过接插件与后续采样保持器电路连接。电阻R18用于设置MAX436的跨导增益，当R12=50Ω时，跨导增益为160 ms。电阻R19用于设置MAX436的最大输出电流，当R19=5.9 kΩ时，最大输出电流为20 mA。保持电容取100 pF，反馈回路直接从U28的输出端接入。

图中N1为放电回路的控制端，低电平使放电回路放电，由单片机输出使能74HC4066模拟开关芯片控制。Q3在这里起到单向通道的作用，确保放电回路正常放电。当峰值保持器采集完成，单片机输出高电平放电使能信号，峰值保持电路开始放电。放电回路的目的是对保持电容进行复位，以便于下一次的峰值保持。

2.3 峰值检测与AD转换电路

峰值检测电路作用是将放大后的信号进行峰值时刻鉴别检测，在信号达到峰值前输出触发信号，该信号输出到峰值保持电路。系统采用LM361芯片设计峰值检测电路，选用AD7994BRU-0为AD转换芯片，电路如图5和图6所示。

LM361为高速差动电压比较器，输出为TTL电平信号，是SE529/NE529的增强型。其传输速度快，具有通用的电源电压，有独立的选通端，具有延迟很小的两个互补TTL电平信号输出，输入失调电压小，在过驱动时转换速度小。1和6脚为±12 V电源输入端，3和4脚为模拟电压信号输入端，9和11脚为输出端，8和13脚为选通端。LM318为工作在闭环状态下的开环增益运算放大器。

图5中，1路信号P1与电位器分压得到的电压作为LM361的输入端，U21的输出端作为U22的选通信号。P1信号经过运放LM318后，作为U22的输入信号。单稳态触发器74HC123将U22输出的TTL电平信号进行峰值保持，其输出作为单片机的中断输入，进行AD转换。

图4 峰值保持电路Fig.4 Peak holding circuit

图5 峰值检测电路图Fig.5 Peak detection circuit

图6 AD转换电路Fig.6 ADCcircuit

ADC电路将峰值保持电路的输出信号进行模拟信号到数字信号的转换。系统选用ANALOGDEVICE的AD7994BRU-0作为AD转换芯片。AD7994BRU-0芯片拥有4通道，具有10和12位的数模转换，兼容I2C，16位引脚，最快采样周期为 2 μs。

3 应用程序设计

系统的单片机应用程序主要包括四元定位、脱靶量计算、串口通信等模块，采用C语言进行模块化编程。四元定位是程序的重要模块，基于四象限的和差电路结构，通过AD转换，将单片机采集到的数字信号，利用和差电路算法解算出目标的方位信息。将解算出的目标方位信息与四象限远点进行对比计算，计算出目标脱靶量。单片机通过MAX3232串口通信模块，将偏差量传送给伺服控制系统，完成对目标的跟踪。单片机程序流程如图7所示。

4 结束语

文中简介了系统的工作原理，并对处理电路的关键电路进行详细的描述，根据实际的情况，通过选择合适的处理芯片，完成对探测器输出信号的放大、鉴别、保持和AD转换，最后通过单片机的CPU处理电路解算出误差，通过转台伺服控制机构完成对模拟激光源的稳定跟踪。电路设计合理，实际中进行了反复测试。实际应用结果表明，系统工作稳定，抗干扰能力强，性能良好。

图7 程序流程图Fig.7 Flow chart of program

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