激光駕束制導儀中調制盤的設計

李 娜，王 紅

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，中國科學院光學系統先進制造技術重點實驗室，吉林長春130033;2.中國科學院研究生院，北京100039)

1 引言

世界上采用激光駕束制導的導彈已經經歷了三代，第一代以RBS-70地空導彈系統為代表，第二代為瑞士和美國聯合研制的防空/反坦克(ADATS)系統，第三代為法、德、英等國聯合研制的反坦克導彈TRIGAT制導系統。激光駕束制導是激光制導中的一種指令制導技術，它由地面激光發射系統向目標發射編碼激光束并控制導彈在光束中飛行，當導彈偏離激光束中心時，彈上激光接收機和解算裝置檢測出飛行誤差，形成控制信號，控制導彈沿瞄準線飛行，最終摧毀目標。調制盤編碼是激光駕束制導的關鍵技術之一，用于進行激光束的空間位置編碼。編碼方式有多種，如調幅式、調頻式、調相式、調寬式和脈沖編碼式。激光駕束制導儀采用的是調頻法。這種方法的優點是：抗干擾性能好，解碼器識別固定頻率，比識別幅度等參數不易受干擾;編碼方式簡單，易實現;對激光器輸出的光強分布均勻性沒有苛刻的要求。

本文根據某激光駕束制導儀的需求，設計了一種旋轉式調制盤，在傳統調制盤的設計原理的基礎上，提出了變角度設計方法。使用該方法可克服場與場交換處的誤碼，精確反應坐標的位置信息，實驗表明該方法極大程度地提高了制導精度。

2 調制盤空間編碼原理

調制盤空間編碼原理如圖1所示。由激光器發射的連續激光，經聚光系統后由調制盤外碼道入射，經轉像光學系統由內碼道出射，再經變焦距物鏡后，將已調制的激光信號發射出去，形成供導彈識別坐標位置的空間激光信息場，彈上接收機接收導彈位置信息信號，傳輸至彈上計算機，控制導彈飛行。

圖1 調制盤空間編碼原理Fig.1 Spatial encoding functional diagram of modulation disk

3 調制盤設計

3.1 單雙調制盤的選擇

為實現空間信息場方位(Z場)和高低(Y場)兩場的交替出現，可采用單調制盤雙碼道和雙調制盤單碼道兩種結構形式。

雙調制盤單碼道方案中高速直流伺服電機通過齒輪組分別驅動兩個調制盤旋轉，兩個調制盤分別產生高低和方位信息場，兩調制盤和兩碼道的尺寸完全相同。這種方案的缺點是齒輪精度要求高，加工難度大;占用空間體積大。

單調制盤雙碼道方案是在一塊調制盤上刻蝕兩條同心但不同半徑，而徑向寬度相同的碼道，激光通過外碼道入射，經過一倍轉像光學系統從內碼道岀射，實現兩場的信息交替。該方案所占用的空間體積小，有利于制導儀的箱體內部布局。因此本文選用了單調制盤雙碼道方案。

3.2 碼道設計

3.2.1 碼道寬度設計

調制盤碼道寬度b經過變焦光學系統后，形成光斑信息場。碼道寬度b的選擇受兩方面限制：(1)變焦距的體積和重量。碼道寬度越寬，相當于光學系統的視場增大，變焦距的徑向尺寸也加大，不利于減輕制導儀的體積和重量;(2)若空間光斑信息場的直徑φ為定值，則整個光學系統的倍率β只與碼道寬度b有關，碼道寬度越寬，β越小，變焦距在空間信息場上的光軸漂移量越小，制導精度越高。以上兩個因素互相影響和制約，因此，本文選擇調制盤碼道寬度b為1.65 mm，使變焦距尺寸適中，光軸漂移滿足要求。

3.2.2 兩碼道相對位置

外碼道的A點運動方向與高低方向垂直，因此外碼道表征高低方向;內碼道的B點運動方向與水平方向垂直，因此內碼道表征水平方向。根據制導儀的實際布局確定，激光的入射點為A點，岀射點為B點。為保證兩場信息的順序交替，需滿足以下幾點要求：

(1)兩碼道所在的圓周180°刻蝕調制碼，另外180°空白;

(2)兩碼道彼此相錯90°;

(3)A點為外碼道的起點，B點為內碼道的起點或者A點為外碼道的終點，B點為內碼道的起點，如圖2所示。

圖2 兩碼道的相對位置Fig.2 Relative positions between inner and outer code paths

4 調制頻率設計

4.1 最大可接受分辨率

為表征導彈的高低和方位信息，每個碼道至少有兩種頻率，最簡單的編碼方式如圖3所示。圖3是將調制盤的內碼道半圓展開，則呈矩形狀，矩形高是光帶的180°范圍，矩形寬是半圓周的徑向范圍，碼道內只有f1和f2兩種頻率。由頻率f1和f2掃過彈上接收機的時間τf1，τf2可以確定導彈的空間位置C。從圖3看出，由于只有兩種頻率的碼，每種頻率的利用率只有50%。頻率的分辨率由下式計算：

圖3 調制盤內碼道半圓展開圖Fig.3 Developed representation for inner code path of modulation disk

所以在線性區直徑φ'一定情況下，分辨率的大小取決于頻率碼的數量n1。在確定最大可接受分辨率后，可確定n1，則剩余3種頻率碼的數量要大于n1。

4.2 頻率值的確定

由于大氣抖動和漩流會使空間頻率碼變形，變形后的碼頻率周期變長或縮短。為此每兩種頻率的確定，要以接收機能區分開為前提，這就要求兩種碼的周期之差要大于10 μs。

根據最大可接受分辨率和兩頻率的周期之差大于10 μs兩個原則，當調制盤轉速為100 r/s時，確定內外碼道的4種頻率如下：

頻率 f1在180°范圍內100 對碼，f1=20 kHz，周期0.05 ms;

頻率f2在180°范圍內125 對碼，f2=25 kHz，周期0.04 ms;

頻率 f3在 180°范圍內 166對碼，f3=33.2 kHz，周期 0.03 ms;

頻率f4在180°范圍內250 對碼，f4=50 kHz，周期0.02 ms。

但以上設計出現了在20～50 kHz，頻率范圍越寬，抗干擾能力越差的特點，這給接收機電路設計造成很大難度。為此，本文提出每個碼道3種頻率的方案，即內碼道有f1，f2和f5，外碼道有f3，f4和f5，內、外碼道的頻率f5相同，刻蝕密度大，分辨率高，如圖4所示。內碼道所在圓環的半徑分別為R1和R2，f1外半徑為R1，每對的內半徑呈線性減小變化。f2內半徑為R2，每對的外半徑呈線性增大變化。f5的內半徑和外半徑均呈線性增大變化，外碼道分布與內碼道同理。圖4和圖5分別為調制盤局部放大圖和平面示意圖。

圖4 調制盤局部放大圖Fig.4 Partial enlarged detail of modulation disk

圖5 調制盤平面示意圖Fig.5 Schematic plan of modulation disk

4.3 偏航信息原理

將調制盤的內、外碼道半圓展開，則呈矩形狀，矩形高是光帶的180°范圍，矩形寬是半圓的徑向范圍，內碼道為R2～R1，外碼道為R3～R4，如圖6所示。內碼道從上向下移動，掃過接收機，表征導彈的左右位置信息;外碼道從左向右移動，表征導彈的高低位置信息。彈上接收機通過接收頻率 f1，f2，f3，f4的掃描時間 τf1，τf2，τf3，τf4計算表征位置信息的調制系數Kz和Ky，可由下式計算得到：

圖6 調制盤給出偏航信息原理圖Fig.6 Schematic diagram of modulation disk defining deviation information

Kz＞0，導彈右偏;

Kz＜0，導彈左偏;

Ky＞0，導彈上偏;

Ky＜0，導彈下偏;

Kz=0，Ky=0，導彈零偏，位于信息場中心。

5 變角度設計

調制盤按3.2中的原理工作時，內碼道產生的調制光是上下掃瞄，外碼道產生的調制光是左右掃瞄，由于各頻率明暗相間的碼是按調制盤的直徑方向刻制的，各頻率與掃描方向垂直，在場與場(一碼道起始與另外一碼道的末尾)的交接處，會產生兩碼道的碼重疊或丟失，使接收機不能識別信號，最終影響制導精度。接收機的位置不同，誤碼情況不同，圖7為z場(內碼道末尾)與y場(外碼道起始)的交接示意圖。掃過透光區高電平，非透光區為低電平，當接收機位于位置1時，f3與f2重疊，輸出波形如圖8所示;當接收機位于位置2時，透光時間變長，輸出波形如圖9所示;只有接收機位于位于位置3時，輸出信號正常，輸出波形如圖10所示。

圖7 z場與y場的交接示意圖Fig.7 Schematic of crossover position between z field and y field

圖8 接收機位于位置1時的輸出波形Fig.8 Output waveform of receiver in position 1

圖9 接收機位于位置2的時輸出波形Fig.9 Output waveform of receiver in position 2

圖10 接收機位于位置3時輸出波形Fig.10 Output waveform of receiver in position 3

針對上述問題，基于原調制盤設計思想，將各頻率沿徑向方向旋轉45°，如圖10所示，使彈上接收機不論位于信息場任何位置時，場與場交接處均不會出現丟碼或錯碼，輸出信號正常，從而保證了5 ms的場周期，提高了制導精度。圖11和圖12分別為變角度調制盤內、外碼道展開圖和平面示意圖。

圖11 變角度調制盤內、外碼道展開圖形Fig.11 Developed representation for inner and outer code paths of changing angle modulation disk

圖12 變角度調制盤平面示意圖Fig.12 Schematic plan of changing angle modulation disk

6 結論

根據激光駕束空間編碼原理，設計了某激光駕束制導儀中使用的旋轉調制盤，給出了該調制盤的型式、內外兩碼道和5種頻率值。根據各頻率的掃描時間，計算出調制系數Kz和Ky，以表征導彈的坐標位置信息。在傳統調制盤的設計原理基礎上，提出了變角度調制盤設計方法，從而克服了場與場交接處的誤碼，精確反應了坐標的位置信息。對制導儀工程樣機的測試表明，變角度調制盤設計結果合理可行，很大程度上提高了制導精度。

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