一种基于半导体激光二极管的激光目标模拟器

彭晶晶， 陈蕙心， 黄红云， 贺炜炜

(上海无线电设备研究所， 上海 200090)

0 引言

激光制导武器以其制导精度高、抗干扰能力强、结构简单、成本低的优势逐步占据了局部战争中重要的地位，受到了越来越广泛的重视。随着激光精确制导技术越来越多地应用于导弹武器系统之中，激光半主动导引头的研制需求不断提高。

如何全面真实地检验激光半主动导引头的性能指标，是导引头研制生产过程中面临的重要问题。外场实验利用实体目标模拟的方式耗资巨大，而激光目标模拟器可为激光半主动导引头提供激光编码回波信号，用以探测导引头的灵敏度、编码识别、跟踪角速度及动态输入输出特性等性能指标，并对导引头总体性能参数做出科学评价。

通过总结激光半主动导引头研发过程中遇到的测试需求，本文提出了一套可调式激光目标模拟信号源的设计方法，通过调节其输出能量值和光斑的大小来为导引头提供制导信息源，力求满足导引头调试、测试、半实物仿真时对模拟信号源的需求。

1 激光半主动导引头测试系统

激光半主动导引头测试时，将导引头安装在转台固定基座上，激光目标模拟器的出光口安装在转台支架上，确保导引头的光轴中心与激光目标模拟器出光口中心保持一致，如图1所示。

激光目标模拟器发出的平行光束与导引头光轴之间的夹角即为导引头光轴与弹目视线之间的夹角。测控中心通过转台控制器控制转台支架转动，带动激光目标模拟器相对导引头的视线角运动，来模拟弹目视线与导引头测量轴线的空间相对方位关系[1]，完成导引头瞬时视场、跟踪范围、跟踪速度等各项指标的测试。通过控制激光目标模拟器出光能量的大小，可实时实战过程中导引头接收到的激光能量大小，验证导引头的灵敏度、动态范围以及动态仿真功能。通过设置激光目标模拟器出光周期以及编码方式，验证导引头精确编码跟踪功能。通过设置激光目标模拟器出光波门信号，验证导引头的波门控制功能。

激光目标模拟器也可用到半实物仿真系统中，结合三轴转台控制器模拟实际飞行环境，完成对激光导弹制导精度验证。

2 激光目标模拟器功能及组成

激光目标模拟器作为激光半主动导引头调试、测试及半实物仿真时的重要测试仪器，其主要功能是产生激光半主动导引头测试、仿真过程中与光学接收机相关的各种测试输入信号，可以输出标准模拟光脉冲信号、精确频率编码光脉冲信号、激光照射同步电脉冲信号等，并模拟不同峰值功率的光脉冲信号。同时，激光目标模拟器可通过RS232通讯接口与上位机通信，以完成对导引头的自动化测试。

激光目标模拟器针对1 064 nm波长设计，主要由激光目标模拟系统、光源控制系统和光学准直系统组成，组成框图如图1所示。其中，激光目标模拟系统可提供具有一定能量和光斑大小可变的激光目标光束，光源控制系统控制目标通道和激光器生成弹接近过程中激光光斑尺寸和能量变化情况，光学准直系统可将激光光束变为平行光后输出，进而为导引头提供远距离且真实的激光回波信号[2]。

3 激光目标模拟器关键模块设计

在激光目标模拟器的设计过程中，比较关键的是激光脉冲信号的产生、激光信号功率的调整、激光信号的扩束功能以及光源的工作管理。

(1) 激光脉冲信号发生模块

激光脉冲信号发生模块采用激光二极管设计1 064 nm半导体光源驱动电路产生标准1 064 nm波长脉冲光源信号，激光二极管是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件，输出激光功率强弱由注入电流的大小决定，通过储能电容器对激光二极管快速放电控制激光脉宽宽度，同时通过对放电电流采样反馈控制储能电容的储能电压，从而达到稳定输出驱动电流的效果。同时，激光二极管管壳内集成半导体热电致冷器，通过光源控制模块控制外部温控电路，保证激光二极管输出的波长和功率稳定。

(2) 激光信号功率调整模块

激光模拟器模拟的是激光导引头接收的激光目标回波信号，因此需要了解实战过程中回波信号情况。在激光制导武器的整个工作过程中,激光在大气中传输的光路图如图3所示[1]。

导引头探测到的激光回波信号能量与激光目标指示器发出的激光能量关系如式(1)所示。

(1)

式中：Pr为导引头探测到的目标回波信号的能量；Pt为激光目标指示器发射的激光能量;ηr为导引头光学系统透射率;ρ为地面目标的漫反射系数;Ar为导引头接收孔径的面积;θ为激光回波信号与目标表面法线间的夹角;Rr为导引头与目标之间的距离；Rt为激光器与目标的距离，exp[-jγ(λ)(Rt+Rr)]为对应波长的双程透过率；γ(λ)为对应λ波长的大气消光系数[3]。

根据式(1)，在一定的作战模式下，Pt、ρ、Ar的值都是确定的，而γ(λ)的值受气象条件、能见度、飞行距离、海拔高度等因素影响[3]。大气消光系数γ(λ)与散射系数σ和吸收系数κ的关系为

γ(λ)=σ+κ

(2)

根据激光导引头的盲距设计要求，由式(1)和式(2)计算出激光导引头的盲距处的接收功率，将大于导引头在盲距处的接收功率为激光目标模拟源最强输出功率，用以测试导引头的饱和功率。激光信号功率调整模块通过多级光学衰减器驱动电路为光学衰减器提供一定功率的电信号来控制输出功率衰减值，使输出功率动态范围不小于60 dB，高精度电压控制电路以及大电流驱动电路，确保光学衰减器的衰减控制精度和衰减范围，以测试导引头的灵敏度和动态范围。

导引头随着弹目距离的拉近，接收到的回波能量呈指数型的增长。通过大量打靶试验的数据可以得到多个数据模型作为激光目标模拟器的仿真模型输入，以测试导引头的动态仿真性能。同时，为满足多种导引头的测试需求，激光目标模拟源最强输出功率可在一定范围内控制改变。

(3) 可变光学扩束系统

光学扩束系统主要功能是将激光光束转变为平行光投射至系统出光处，使之与被测光学系统相耦合，从而使被测系统观察到等效于无穷远处清晰均匀的目标图像。

激光目标模拟器中，模拟光源输出的1 064 nm激光信号经光纤将输出到光学准直扩束镜头，将激光光斑扩大成直径不小于激光半主动导引头接收光学镜头直径的平行光。

同时，通过步进电机改变焦距，使输出激光光束的直径可根据测试导引头接收口径的大小在一定范围内可调。

(4) 光源控制模块

激光目标模拟器具有多种工作模式，按导引头作战模式可分为机照模式、地照模式；按照导引头测试需求可分测试模式和仿真模式。测试模式时，激光目标模拟器输出的光脉冲信号功率周期等参数可通过控制接口设定；仿真模式时，激光目标模拟器根据选择的仿真曲线自动输出时间-功率变化曲线接近实际飞行状态光脉冲信号；机照模式时，激光目标模拟器输出时序严格控制的激光发射同步信号，可以对导引头进行更全面地模拟测试。以上功能均通过光源控制模块完成。

控制电路采用TI公司高性价比DSP芯片TMS320F2812结合外围电路完成光源温度控制、光衰减器控制、信号编码控制、同步信号控制功能。TMS320F2812芯片含SARAM存储器18 K，片内flash存储器128 K，运行速度最高可达160 MIPS，同时包含SCI串行通信接口，可实现与上位机的串口通讯。

(5) 激光目标模拟器硬件组成

激光目标模拟器的硬件电路主要包括激光二极管、光源驱动电路、可调光学衰减器、光衰驱动电路、光学扩束控制电路、同步信号产生电路、光源控制电路、光学扩束准直镜头等，硬件组成示意图如图4所示。

(6) 激光目标模拟器软件

依据激光半主动导引头的测试时序，确定激光目标模拟器的工作流程，并进行软件开发工作。激光目标模拟器上电系统检查后，接收上位机的串口指令进行相应的处理，输出相应的激光脉冲信号。

激光目标模拟器的软件包括控制软件和通讯软件。通讯软件通过Labview软件开发，装在工控机中实现对激光目标模拟器的远程控制。控制软件基于DSP数据处理技术，采用C语言开发，主要负责从接收的串口指令中提取工作模式等参数设置信息，并控制程序测试流程，向硬件层发送指令和数据，并将测试结果传送到通讯软件，控制软件流程图如图5所示。

4 实际应用

依据此设计方案开展激光目标模拟器的研制，并通过了实验验证，输出功率周期等指标满足设计要求，已应用到多个激光半主动导引头研制生产中，图6、图7为激光半主动导引头测试仿真与实际靶试过程中接收能量对比图。

图6为激光半主动导引头测试仿真过程中接收目标能量示意图，横坐标为仿真时间，纵坐标为接收能量归一化值。

图7为激光半主动导引头实际弹道试验过程中接收目标能量示意图，横坐标为时间，纵坐标为接收能量归一化值。

由图可见，使用激光目标模拟器仿真的导引头接收能量图与真实靶试时导引头接收能量图变化趋势相似。因此，该激光目标模拟器实际试验与设计相符，可满足激光半主动导引头的动态仿真测试要求。

5 结论

本文阐述了激光目标模拟器的功能及原理，提出了一种通用激光目标模拟器设计技术，可以模拟真实作战环境下的激光目标回波信号，更好地完成对激光导引头的功能及性能验证，可应用于多种型号激光半主动导引头的研制、测试、验收以及仿真试验中，提高导引头的研制生产效率和精度，同时节约测试成本。