新型半主動激光制導實物仿真系統設計與實現

褚 凱，朱一旺 ，楊 茜，李小明

（1.陸軍軍官學院 研究生系，安徽 合肥 230031；2.陸軍軍官學院 軍用光電技術與系統實驗室，安徽 合肥 230031）

隨著以計算機為代表的信息化技術的飛速發展，半實物仿真技術[1]在國內外的航空航天、通信等眾多軍用和民用領域都發揮著重要作用，具有費用低，開發周期短等特點。激光半主動制導半實物仿真系統[2]在激光制導武器的研究、試驗、作戰仿真和教學訓練中有重要作用。為測試激光制導干擾設備對激光制導的干擾效果，開發研制了該系統。

1 系統組成及工作原理

該仿真系統主要由光學系統、光電探測器、信號處理電路和伺服系統組成。系統的工作原理是這樣的：用NdYAG模擬激光源發射經過編碼的激光束，經過濾光片照射到四象限光電探測器，光電探測器將接收到的激光光信號轉變為電信號輸出給后續處理電路。光電探測器輸出的電信號進過自適應前置放大濾波電路、峰值保持電路和AD轉換電路，進入微處理器，通過光斑檢測四元定位算法[3]，解算出目標光斑偏離中心的偏差即偏離目標光源中心點的脫靶量[4]，根據脫靶量形成對伺服系統的控制指令，二維轉臺伺服控制系統根據控制指令調整導引頭的姿態，穩定跟蹤模擬目標光源，原理流程框圖如圖1所示。

系統光電探測器組件采用中國電子工業集團公司第四十四所生產的GD4311Y四象限光電探測器。它具有可控增益、響應速度快、盲區小、噪聲低；均勻性、對稱性好等特點，在激光定位、激光制導等方面應用廣泛。它的光敏尺寸為Φ 8 mm，響應波長范圍為850～1 064 nm。為了增強探測效果，濾除背景和噪聲的干擾，在探測器前加裝了濾光片，對進入到探測器的激光進行了過濾。二維轉臺伺服系統為雙自由度高精度數字云臺PT01502，前后俯仰72°，水平旋轉－157°～157°，RS485通信接口，24 V/3 A直流供電，70多條默認缺省指令集，指令響應時間12 ms。

2 硬件電路設計

2.1 前置放大電路

GD4311Y四象限探測器電路如圖2所示，其中U1為GD43311Y 探測器，D1、D2、D3、D4 為四象限電流信號輸出，+80 V的作用是給探測器提供的典型偏置電壓，+2 V的作用是給探測器提供增益控制電壓，+5 V的作用是給探測器提供的正電源，為了保證電源穩定，在正電源與地之間必須接入

10 0 pF的電容。

圖2 探測電路Fig.2 Detection circuit

四象限探測器的作用是將光信號轉變成了微弱的電信號，其輸出相當于一個高速脈沖電流源。前置放大電路采用跨阻放大器對探測器輸出的微弱電信號進行放大，并將電流信號轉為電壓信號輸出，電路如圖3所示。

圖3 前置放大電路Fig.3 Preamplifer circuit

跨阻放大器選用AD8007低失真的高速放大器，650 MHz帶寬。D1為探測器輸出，R1為200Ω限流電阻，流入跨阻放大器；±5 V作用是提供工作電壓；F1為經過放大的輸出信號。

2.2 峰值保持電路

在將信號輸入到AD轉換電路之前，由于采集到的信號頻率高，即使是高速率的AD也無法在短時間內完成數模轉換，需要將采集信號的峰值保持一段時間。而峰值保持電路的作用就是將采集到的信號峰值保持下來，供ADC采樣所用。系統采用具有響應速度快、動態范圍大和誤差小等優點的跨導型峰值保持電路[5-7]，電路如圖4所示。

跨導放大器 （WTA）選用Maxim公司的MAX436芯片。MAX436無需另外設置靜態工作點，是高速、寬帶跨導型放大器。其反向輸入端電阻很大，反饋回路從圖中的N1處引入，這樣減少了電壓緩沖器的延時。圖中U27、U28信號緩沖器為MAX4201開環單緩沖器。它們的作用是對信號進行緩沖，提高驅動能力和抗干擾能力。U28的輸出即為峰值保持結果，通過接插件與后續采樣保持器電路連接。電阻R18用于設置MAX436的跨導增益，當R12=50Ω時，跨導增益為160 ms。電阻R19用于設置MAX436的最大輸出電流，當R19=5.9 kΩ時，最大輸出電流為20 mA。保持電容取100 pF，反饋回路直接從U28的輸出端接入。

圖中N1為放電回路的控制端，低電平使放電回路放電，由單片機輸出使能74HC4066模擬開關芯片控制。Q3在這里起到單向通道的作用，確保放電回路正常放電。當峰值保持器采集完成，單片機輸出高電平放電使能信號，峰值保持電路開始放電。放電回路的目的是對保持電容進行復位，以便于下一次的峰值保持。

2.3 峰值檢測與AD轉換電路

峰值檢測電路作用是將放大后的信號進行峰值時刻鑒別檢測，在信號達到峰值前輸出觸發信號，該信號輸出到峰值保持電路。系統采用LM361芯片設計峰值檢測電路，選用AD7994BRU-0為AD轉換芯片，電路如圖5和圖6所示。

LM361為高速差動電壓比較器，輸出為TTL電平信號，是SE529/NE529的增強型。其傳輸速度快，具有通用的電源電壓，有獨立的選通端，具有延遲很小的兩個互補TTL電平信號輸出，輸入失調電壓小，在過驅動時轉換速度小。1和6腳為±12 V電源輸入端，3和4腳為模擬電壓信號輸入端，9和11腳為輸出端，8和13腳為選通端。LM318為工作在閉環狀態下的開環增益運算放大器。

圖5中，1路信號P1與電位器分壓得到的電壓作為LM361的輸入端，U21的輸出端作為U22的選通信號。P1信號經過運放LM318后，作為U22的輸入信號。單穩態觸發器74HC123將U22輸出的TTL電平信號進行峰值保持，其輸出作為單片機的中斷輸入，進行AD轉換。

圖4 峰值保持電路Fig.4 Peak holding circuit

圖5 峰值檢測電路圖Fig.5 Peak detection circuit

圖6 AD轉換電路Fig.6 ADCcircuit

ADC電路將峰值保持電路的輸出信號進行模擬信號到數字信號的轉換。系統選用ANALOGDEVICE的AD7994BRU-0作為AD轉換芯片。AD7994BRU-0芯片擁有4通道，具有10和12位的數模轉換，兼容I2C，16位引腳，最快采樣周期為 2 μs。

3 應用程序設計

系統的單片機應用程序主要包括四元定位、脫靶量計算、串口通信等模塊，采用C語言進行模塊化編程。四元定位是程序的重要模塊，基于四象限的和差電路結構，通過AD轉換，將單片機采集到的數字信號，利用和差電路算法解算出目標的方位信息。將解算出的目標方位信息與四象限遠點進行對比計算，計算出目標脫靶量。單片機通過MAX3232串口通信模塊，將偏差量傳送給伺服控制系統，完成對目標的跟蹤。單片機程序流程如圖7所示。

4 結束語

文中簡介了系統的工作原理，并對處理電路的關鍵電路進行詳細的描述，根據實際的情況，通過選擇合適的處理芯片，完成對探測器輸出信號的放大、鑒別、保持和AD轉換，最后通過單片機的CPU處理電路解算出誤差，通過轉臺伺服控制機構完成對模擬激光源的穩定跟蹤。電路設計合理，實際中進行了反復測試。實際應用結果表明，系統工作穩定，抗干擾能力強，性能良好。

圖7 程序流程圖Fig.7 Flow chart of program

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