基于无人机载光电吊舱的半主动激光制导模拟系统设计与实现

魏志强，徐书文，刘 芬

（1.中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015；2. 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

0 引 言

为提升半主动激光制导精度，采用低成本制导模拟系统进行测试非常重要[1-2]。本文给出一种基于无人机载光电吊舱的半主动激光制导模拟系统，采用无人机模拟飞行弹体及其控制系统，装载激光光斑跟踪器的光电吊舱模拟导引头，由激光目标指示对目标进行照射，通过捕获跟踪激光光斑，实现半主动激光制导模拟测试及训练，获得相关制导脱靶量数据、导引修正数据。该方法重复性好，对目标及场地环境的要求低，效费比高，使用方便。

1 系统总体简介

无人机载光电吊舱集可见光电视、红外热像仪以及激光光斑跟踪器于一体，可实现昼夜工作。由地面或机载激光目标指示器按照一定编码方式向目标发射激光光束，通过可见光电视或红外热像仪光学成像载荷搜索目标，使模拟导引头快速捕获激光光斑；通过调节光电吊舱方位、俯仰角，将光斑引入激光光斑跟踪器视场中心，锁定跟踪目标；同时，地面操控人员根据光电吊舱反馈的方位、俯仰角、激光光斑脱靶量以及无人机飞行状态信息，判断无人机飞行姿态，送出修正指令，确保模拟导引头始终将光斑中心控制在允许的角度偏差范围内，并按一定导引规律控制无人机飞向目标，实现半主动激光制导模拟。为确保飞行安全，当无人机抵近目标上空一定距离后，结束制导模拟工作，操控无人机重新拉高升空，准备下次模拟测试或回收无人机，结束本次飞行任务。系统总体示意如图1所示。

图1 系统总体示意图

2 光电吊舱设计与实现

光电吊舱由光电转塔、减振机构等组成，由操控台进行操控。光电吊舱搭载激光光斑跟踪器、可见光电视以及红外热像仪光学成像载荷，并配有主控单元、视频跟踪、图像存储单元以及稳定平台等。其组成如图2所示。

图2 光电吊舱组成框图

光电吊舱通过可见光电视、红外热像仪等光学成像载荷可实现对目标的搜索，实时、清晰地获取目标的可见光或红外图像；激光光斑跟踪器探测敏感激光目标指示器照射到目标后漫反射回来的回波信号，解算激光光斑相对四象限探测器视轴的脱靶量。

稳定平台基于两框架结构，实现高精度视轴稳定控制，保证光学成像载荷在扰动情况下仍能保持瞄准线在惯性空间的稳定，确保目标视频图像清晰稳定。

图像存储单元实现红外及可见光视频记录、压缩存储及文件管理、实时传输、数据转存等功能。视频跟踪单元实现目标的检测、识别与跟踪。

主控单元根据操控端指令，完成光电吊舱与无人机间信息交互和光电吊舱内部各单元间的任务调度、信息传递等。

减振机构可对载机的扰动进行抑制。操控站实现对光电吊舱的运动控制、光学载荷控制、视频显示、设备状态显示以及视频存储等功能。

3 激光光斑跟踪器设计与实现

激光光斑跟踪器主要由光学系统、APD四象限探测器、主控及电源等模块组成。表1为激光光斑跟踪器的技术指标。

表1 主要技术指标

激光光斑跟踪器信号处理模块的工作原理如图3所示。各模块功能如下：主控模块实现控制指令接收，使系统执行相应采样、信号处理、角度输出等工作任务；光学系统接收目标激光回波信号并汇聚到APD四象限探测器光敏面上；APD探测器实现激光光斑中心探测，即实现光电信号转换并对电信号进行AD采样，识别激光编码并计算激光光斑与光轴的偏差角；电源模块提供所需的二次电源。

图3 激光光斑跟踪器信号处理工作原理

工作原理如下：激光回波信号经过光学系统及APD探测器后，由光信号转换成脉冲电压信号，经过放大后进入可变增益放大电路，对4路信号一方面通过峰值保持电路对脉冲电压信号进行峰值保持、脉冲展宽处理并送入AD采样电路；另一方面，对4路信号进行和差比较整形，产生同步信号并送入处理器，实现激光编码类型识别。处理器对AD采集的数据进行处理、对放大器进行增益控制，对偏置电压电路进行控制，以实现有效脉冲信号探测以及目标偏差角计算等[3]。

激光光斑跟踪器数据处理流程如图4所示：开机后完成自检与初步设置，随后进入待机状态，等待触发信号；加载编码和检测到脉冲信号都可触发中断信号，进入数据处理状态。

图4 激光光斑跟踪器数据处理流程

和差比幅电路对APD四象限探测获取的四路电压信号进行偏差角解算，原理如图5所示。

图5 APD四象限探测器和差测角原理

设目标反射的光学信号在APD四象限探测器上形成半径为r的圆形光斑，设光斑能量分布均匀，光斑中心坐标为(x,y)。假设A，B，C，D四个象限接收到的目标信号电压分别为UA，UB，UC，UD，ku为比例因子，取决于光学系统的焦距、光斑半径、能量分布以及四象限探测半径等。忽略探测器象限间隔所引起光斑损失，则和差电路输出的目标偏差角可表示为[4-6]

将该值转化为稳定平台方位、俯仰方向的伺服指令，即可将激光光斑中心始终与光轴保持在一定的角度范围内，实现对目标的稳定跟踪。这里，只有光斑在四象限中心一定区域内，系统才能输出目标指向角的量化值。超出这一区域，只能输出目标所在象限。能输出目标指向角的区域为线性区，只能输出目标所在象限的区域为搜索区。本文激光光斑跟踪器的搜索区为±6°，线性区为±1°。

激光光斑跟踪器具备对精确频率码、变间隔码、伪随机码及其他自定义码型的解码识别能力。识别解码流程如图6所示。

图6 激光解码流程

4 测试与验证

将光电吊舱置于一定高度，模拟巡飞中的无人机载体及导引头。激光目标指示器以20 Hz基频对模拟车辆目标按给定编码方式进行照射。

设激光目标指示器光束发散角为0.5 mrad，1 km外目标上形成的激光光斑直径约为0.5 m。通过光电吊舱可见光电视对指定目标进行搜索，以便光斑快速进入激光光斑跟踪器的搜索区、线性区，使其快速敏感到激光光斑中心。通过调整光电吊舱方位和俯仰角，逐渐减少跟踪误差。进入稳定跟踪后，模拟导引头对光斑跟踪精度在0.3 mrad以内，工作稳定可靠，满足实际需要。

5 结 语

半主动激光制导模拟系统可应用于模拟训练，获取测试数据。本文提出了一种低成本半主动激光制导模拟系统方案，介绍了模拟系统光电吊舱、激光光斑跟踪器的设计及实现方法，通过实际测试验证，实现了预期的设计要求。