四象限激光探測器在動力陀螺中的應用研究

梁雪巖

摘 要：半自動激光探測和導體制造始于20世紀60年代，是一種新型的制導技術。四象限激光探測器應用于經典動力陀螺儀，檢測激光脈沖信號，完成激光目標捕獲和目標偏差信號計算。它不僅解決了體積小、重量輕、成本低的問題，而且還繼承了激光探測與動力陀螺的優越性，解決了抗干擾、去耦和精度等關鍵技術。

關鍵詞：激光 探測器 動力陀螺

中圖分類號：TN24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0014-02

1 激光導引裝置簡介

激光引導裝置主要由動力陀螺穩定系統和電子電路組成。

動力陀螺穩定系統主要有兩個功能：一是穩定光軸；另一種是接收控制信號以驅動光軸跟蹤目標視軸。穩定系統主要由動力陀螺儀，光學系統和四象限激光探測器組成。

電子電路主要有兩個功能：一是激光信號解碼和偏差信號解；另一種是計算陀螺儀驅動信號，進動陀螺儀使光軸接近于彈軸并減小偏移角。

激光導向裝置的工作原理如下：激光導向裝置采用動態陀螺穩定系統，陀螺系統、光學系統和四象限激光探測器同時固定連接和偏轉，激光光束通過光學系統將其集中到四象限激光探測器以形成激光脈沖。在通過激光信號解碼信號并且求解偏差信號之后，提取目標位置，并通過控制算法將其轉換為與視線的角速度成比例的信號，并輸出到陀螺儀線圈組件。驅動陀螺儀指向目標，使光軸接近目標軸。

2 動力陀螺穩定系統

內框架型和外框架型是動態陀螺穩定系統的兩種典型結構，即轉子的內或外安裝框架結構。典型的動力陀螺穩定系統包括光學陀螺轉子，繞線組件和探測組件。光學陀螺轉子安裝在具有兩個自由度的萬向節上，由一對桿永磁轉子和一個光學會聚系統組成；陀螺轉子由繞線組件驅動，以高速旋轉，帶來大的角動量矩。由此，光軸被穩定，同時利用了由繞線組件中的進動線圈產生的磁場與磁鋼之間的相互作用，使得陀螺轉子部件在某個方向上被進動并且 以一定的角速度來實現目標跟蹤。

3 四象限激光探測

3.1 四象限激光探測原理

四象限檢測器屬于光電二極管檢測器，這四個器件完全相同且獨立。檢測原理是：當激光束從目標折回并由光學系統收集時，在四個檢測器的光敏表面上形成光斑。四個檢測器分別產生電流。當探測器的中心與光點的中心重合時，四個檢測器的光斑面積相等。因此，四個檢測器輸出的電流是相同的。當探測器的中心與光斑的中心不一致時，四個檢測器的輸出是電流不同。根據四個檢測器的當前電流變化，可以計算目標在光敏表面上的坐標位置，從而通過電流值來檢測目標的坐標位置。

因為在工程實踐中，光斑面積和探測器尺寸等主要參數不同，計算點坐標的公式為：

檢測器中心處的光點的偏差，映射激光目標在引導裝置的視場內的角度偏差。利用該激光檢測原理，獲得光敏表面上光點的偏移誤差，并獲得目標的角度誤差。

3.2 設計中的幾點注意

四象限光學系統是散焦非成像系統。位置信息由落在四個探測器上的能量計算。位置分辨精度的重要因素是光斑的能量分布，因此散焦光斑的均勻性、對稱性有更高的要求。

散焦光學系統是根據視場要求、光敏表面的大小和激光目標的特性設計的。重點有兩個方面：首先，研究光敏表面位置精度與激光光斑區域之間的關系，確保光敏表面的激光光斑區域通過設計固化；第二是使用光學濾波器設計來考慮無用的雜散光，減少系統干擾。

根據經驗，光敏表面面積與光斑面積的最佳比例為4∶1。在設計光學系統時，必須考慮光斑的散焦量可在一定范圍內調節。

4 結語

四象限激光探測器應用于經典動力陀螺儀，不僅解決了體積小，重量輕，成本低的問題，而且還繼承了激光探測和動力陀螺的優越性，解決了抗干擾、去耦、精度等關鍵技術是激光探測系統的新發展方向。

參考文獻

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