侧向散射激光驾束制导系统的制导视场研究

高凯悦， 贺 伟， 张 森， 赵雷磊， 刘丽娜， 张坤钰

(西安邮电大学，西安 710000)

0 引言

激光制导技术是目前战场上应用广泛的制导方式，激光驾束制导[1]作为激光制导技术之一，具有制导设备简单、抗干扰能力强和精度高等不可忽视的优点。传统激光驾束制导系统的地面发射系统发射经过编码的光束，光束中心始终指向目标，当导弹偏离中心时，弹尾接收机和解算装置检测出飞行误差，控制导弹沿中心线飞行[2]。在这种制导方式下，发动机产生的尾烟和飞行轨迹上的微粒物质会对接收机接收信号造成影响。

关于侧向散射激光驾束系统，国外的相关研究者提出一种在导弹上设置后视接收机和前视接收机的方法。在该方法中，利用不同位置接收机检测到激光信号的时间间隔来计算导弹在制导视场中的位置。目前，更多的研究倾向于导弹整体结构设计，并未对激光发射部分以及制导视场设计做出详细说明。在本文涉及的侧向散射激光驾束制导系统[3-4]中，接收机被均匀分布在弹体侧面，激光在发射端经过编码调制，形成一定的视场，接收机接收经过大气散射的编码激光信号，很好地克服了发动机尾烟等干扰。但传统激光驾束制导原有的制导视场已经不再适用于该种制导方式。针对这一问题，本文在分析现有编码技术的基础上，针对侧向散射激光驾束制导的特点，对其制导视场进行研究，并提出一种新型设计方案。

1 侧向散射激光驾束制导原理

侧向散射激光驾束系统的激光发射单元向空中发射经过编码调制的激光，偏离到导弹飞行路径的侧面，同时进行上下和左右方向的扫描。该激光束被引导形成一个具有特定图案的制导视场[5]。侧向散射激光驾束制导如图1所示，导弹在扫描形成的制导视场中飞行，分布在弹体上的接收机探测经过大气散射[6]的激光信号。弹载计算机对被探测到的激光信号进行处理，得到导弹在制导视场中的位置信息，从而控制导弹飞行，击中目标。

图1 侧向散射激光驾束制导示意图

制导视场作为连接地面单元与导弹的桥梁，是由激光发射单元发射经过编码的激光信号，在空间中形成的。而制导视场中的激光信号经过对应的编码后，包含了位置和方向信息，接收机对接收信号进行解算，就可以得出导弹在制导视场中的位置。利用弹体侧面的接收机进行散射激光接收，相当于建立一个从发射装置到导弹的间接通信路径。在其制导过程中，关键是要保证导弹准确收到信息，得出自身偏离目标的距离和方向。因此对其进行研究显得尤为重要。

2 制导视场设计原理

制导视场是由地面发射单元发射的激光束进行扫描形成的，其中激光束经过特定的编码调制，含有位置信息[7]。因此，为了准确获得激光中包含的位置信息，必须先完成制导视场的设计与位置解算。

激光调制[8]是对激光的一些物理特性进行调制，例如激光能量、脉冲宽度、脉冲间隔和波长及相位等参量，通过调制使激光带有一定的信息，常用的编码类型有脉冲间隔、脉冲宽度、脉冲幅值和激光波长等[9]，这种激光编码技术通常用来进行激光告警以及抗干扰等[10]。本文将这种技术当作一种发射器发射激光脉冲的时间规律。

国内研究较为深入的激光编码包括精确频率码、脉冲调制码、二间隔码、等差型编码、伪随机码、脉冲宽度编码等[11]。美国对激光编码技术研究较为成熟，在20世纪60年代中期研究了脉冲重复频率(PRF)编码，20世纪70年代后对脉冲间隔调制(PIM)编码进行了研究[12-14]。

2.1 PIM编码

在几种编码类型中，PIM编码[15]是目前使用较多的类型，有技术相对成熟、可实现编码数量多、实现条件简单等优点。从导弹发射到击中目标的时间一般只有20～30 s，复杂的编码技术很难在短时间内进行解码，其实时性大大降低。鉴于此，考虑到地面激光发射设备的复杂性和成本问题，受其本身硬件条件限制，本文采用使用最广泛、最简单的PIM编码来控制激光脉冲发射。使用这种编码，仅需对激光发射器的发射间隔和角度进行设置，并不需要很复杂的硬件设备。

PIM编码通过空间内相邻两个激光脉冲的时间间隔来实现编码，不同的时间间隔代表不同的码字[16-17]。同时，若改变编码位数或编码脉冲间隔时间值，则可以实现多种编码的输出。在具体实现中，需要提前设置编码位数和码型，存于对应的寄存器中。时钟信号驱动循环移位，将对应PIM编码以脉冲串的形式循环发送[18]。脉冲间隔编码原理如图2所示，其中，BIT1～BITn非0即1，但不可能全为0。该种编码是通过调制空间相邻的两个激光脉冲的时间间隔来完成编码的，让某个应该产生激光的脉冲不发射，其脉冲形式如图2和图3所示。

图2 脉冲间隔编码原理示意图

图3 脉冲间隔编码示意图

如果当前码元值为1，就发射激光脉冲，如果为0，就不发射激光脉冲[19]。美国的Joint Laser Designator就是采用该基于脉冲间隔编码的方法。在空间上相邻脉冲的不同时间间隔顺序不同，代表不同的码字，通过识别一个间隔对，即检测到3个脉冲，就可以确定是否为制导信号[20]。

2.2 解码部分

为了更加方便地对导弹位置进行计算，激光序号值与实际空间位置坐标之间存在一定的对应关系。在计算出导弹位置坐标后，依照对应关系，便可以得出导弹在空间中的实际位置。在侧向散射激光驾束制导方式下，是通过激光在空中的散射来传递位置信息的。经过调制编码，激光束带有位置信息。同时,接收单元根据激光束带有的信息，按照提前确定的解码数学模型，得到导弹在制导视场中的位置坐标。

导弹在空中位置的确定需要一定的参考系。本文采用“十”字形扫描的制导视场，把空间位置映射至笛卡尔坐标系中，转化为几何关系来确定位置。产生该图案的具体过程如下。

1) 参数设定。

制导视场由水平扫描和垂直扫描形成，目标位于坐标原点，如图4所示，扫描过程共产生102个间隔，其中，以200 μs为基准间隔及纵横坐标转换间隔，每个间隔为5 μs，205～450 μs为横坐标50个间隔，460～705 μs为纵坐标50个间隔。

图4 制导视场示意图

2) 位置确定。

在系统中，导弹弹体侧面共有4个接收机，结构上均分360°圆周布局。在收到弹载计算机的启动指令后，其接收经过散射的激光，连续3次探测和识别出与约定码型周期相同的激光回波信号，即两个周期，说明导弹已经位于制导视场内。此时，接收机上的光电探测器将接收到的激光信号进行转换，将初步处理后的电信号再进一步处理。为了更加简洁明了地对制导视场进行阐述，将其简化，以非旋转弹为例，如图5所示。

图5 制导视场简化示意图

在图5中，目标为坐标系原点，C1，C2，C3和C4分别为导弹的4个接收窗口。位于弹体侧面的每个接收机都有相对应的直线方程，即

y=-x+b

(1)

y=x+b

(2)

其中:x和y分别为横轴和纵轴对应的扫描点序号值;b为常数，由探测到的激光扫描点序号值确定。窗口C1和C3对应的数学模型为式(1)，窗口C2和C4对应的数学模型为式(2)。

各个窗口应用接收到的散射回波的扫描点的序号值及对应的测量窗口，确定制导视场中心到以此两窗口所确定的直线的距离。当一个扫描帧完成后，需要得到制导视场中心到两条互相垂直的直线的距离，并根据序号差值范围将距离值转换为坐标值，该坐标值即为制导视场中导弹的位置坐标。

具体计算过程为：激光器水平扫描之后，若C2窗口探测到的激光扫描点序号为5，转换为坐标值(-21，0)，C4窗口探测到的激光扫描点序号为13，转换为坐标值(-13，0)；将上述坐标值代入对应窗口的直线方程，得出

y=x+21

(3)

y=-x-13

。

(4)

求解上式交点坐标，得(-17，4)，即导弹在制导视场中的坐标为(-17，4)。根据实际需求设置制导视场大小与激光脉冲间隔之间的对应关系，在得到坐标值后，将其代入对应关系，便可以计算出导弹的实际位置。

3 结论

本文对侧向散射激光驾束制导的制导视场进行研究。在设计上，采用PIM编码来控制激光脉冲发射，该种编码技术相对成熟、可实现编码数量多、实现条件简单；在检测上，将导弹在空间中的位置映射至坐标系中，转化为几何关系进行计算，快速确定导弹在制导视场中的位置。本文为相关方向的研究提供了思路，但其解码部分的数学模型仍待进一步完善。