制導技術之光電制導實驗室建設探索

周海俊　翟優　郭鑫

摘? 要 對制導技術課程中的光電制導部分進行重難點分析，針對重難點內容，提出由三種實驗系統組成的光電制導實驗室建設方案，然后詳細介紹每一種實驗系統的組成、功能、設備以及可開展實驗，完成對光電制導實驗室建設的初步探索。

關鍵詞 制導技術;光電制導;實驗平臺;實驗室;實驗設備;數字化資源庫

中圖分類號：G482? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）04-0008-03

1 前言

制導技術課程是陸軍工程大學石家莊校區本科學員的一門專業基礎課程，是專業課程體系中的核心與關鍵內容。制導技術是裝備的核心與靈魂，涉及原理復雜、內容抽象，理解掌握難度大，單純依托講授式教學很難達到良好的教學效果，因此迫切需要建設配套的實驗環境條件，為教學模式改革創新提供手段，實現相關教學內容理論與實踐的有機結合，幫助學員更好地理解掌握制導技術相關內容，顯著改善教學效果，提升人才培養整體質量。

2 分析總結光電制導重難點內容

光電制導包括光學尋的制導和光電遙控制導兩大類。光學尋的制導根據光源、波段不同分為紅外點源尋的、紅外成像尋的、電視尋的、激光半主動尋的等四種制導方式。光學遙控制導根據指令的形成位置及指令的傳輸方式不同，分為有線指令、激光指令、激光波束制導等三種制導方式，其中有線指令制導中又包括重要的光纖圖像傳輸。下面對各自的重難點內容分別進行分析總結。

光學（紅外、激光、電視）尋的制導? 光學尋的制導是用制導武器上的設備接收目標輻射或反射的光波形成點源信號或圖像信號，經過處理后實現對目標的跟蹤和對制導武器的控制，是彈的重要制導方式，因光源、波段不同而各有特點。光學尋的制導技術分為光學點源信號尋的制導和光學圖像尋的制導兩種。光學點源尋的中紅外點源和激光半主動尋的制導廣泛應用;光學圖像尋的中電視尋的和紅外成像尋的制導廣泛應用并發展很快。

光學尋的制導中光學尋的器是核心，難點在尋的器的穩定、跟蹤與搜索。除了共性的尋的器外，下面分析四種制導技術的關鍵內容，為后續的實驗室建設做準備。

1）紅外點源尋的制導。除了共性的尋的器外，紅外點源尋的制導中的重點是紅外探測器、光學調制盤及光電弱信號探測。這部分難點內容是典型光電探測器原理、光學調制盤工作原理、有源濾波器原理等。

2）紅外成像尋的制導。實現紅外成像尋的制導的關鍵在于尋的器中的紅外攝像頭和圖像跟蹤處理器。這部分難點內容是光機掃描型攝像頭和凝視型攝像頭原理，線陣CCD像傳感器的驅動原理，熱像儀原理，圖像處理、目標識別和跟蹤等。

3）電視尋的制導。重點內容是電視尋的器的結構，電視攝像機的原理，圖像處理、目標識別與跟蹤，攝像管，CCD，攝像器件的使用及其信號處理方法;難點內容是光電信號的采樣和保持、攝像機信號應用原理、模擬/數字電視信號提取等。

4）激光半主動尋的制導。重點內容是激光尋的器結構、激光目標指示器及四象限探測器;難點內容是四象限式光電定向，激光編碼、激光器系統、激光測距儀、聲光調制器、光外差原理等。

光電遙控制導? 光學遙控制導是用彈外的光學探測系統對目標和彈進行測量，提供目標和彈的坐標信息，根據導引規律形成相應的指令，在遠距離上通過有線或無線傳到彈上實現閉環控制，將彈引向目標或預定區域的一種制導技術，包括有線制導、激光指令制導、激光波束制導等三種制導技術。三者的共同點是均要依靠制導站向彈傳送信息，這種信息是指令或者引導波束;三者的不同點是指令的形成位置不同，前兩種在制導站，后一種在彈上。前兩種雖然指令都在制導站形成，但是傳輸指令的方式不同，一個通過導線或光纖傳輸，一個通過激光傳輸。

1）有線指令制導，如第一代、第二代反坦克彈制導，重點內容有可見光瞄準具、電視/紅外測角儀、制導電子箱。

2）激光指令制導，整個制導過程包括電視測角和激光傳輸指令兩部分，重點內容是電視測角儀、激光發射機、激光編碼、激光接收機、解調器、制導電子箱原理等。

3）激光波束制導，包括瞄準與跟蹤、激光發射與編碼、彈上接收與譯碼、角誤差指令形成與控制四個環節，重點內容是激光器系統、光束調制編碼、四象限探測器等。

光纖圖像傳輸? 與電纜通信、微波通信等電通信方式相比，光纖通信具有很多優越性，因此非常適用于彈的制導。光纖傳輸指令制導的彈，一方面通過光纖，將彈頭部拍攝的目標和場景圖像及其他數據送回制導站，顯示在監視器上;另一方面，制導站通過光纖傳輸各種信號指令給彈，正確導引彈飛向目標。因此，光纖信息傳輸是重點知識。

3 光電制導實驗室建設方案

根據制導技術相關教學內容要求和人才培養需求，以及制導武器光學尋的制導的應用與發展情況，分析光學尋的制導的重難點內容，光電制導實驗室主要由光學尋的制導實驗系統、光電遙控制導實驗系統、光纖圖像傳輸實驗系統等部分組成，體系結構圖如圖1所示。

實驗室具體包含光電信號產生捕捉與識別實驗設備、光電信號傳輸實驗設備、圖像信息處理實驗設備等，基本功能框圖如圖2所示。光電信號產生模塊具備產生紅外、電視、激光等光電信號的功能;光電信號傳輸模塊通過光纖等方式，構建光電信號（圖像）的傳輸通道;光電信號捕捉與識別用于捕捉接收到的光信號并進行識別，篩選出有用的光電信號;圖像信息處理則對輸入的圖像信號進行處理，輸出處理結果。

實驗室可以開展光電信號產生、傳輸、捕捉與識別、圖像信息處理等實驗;也可將光電測角儀、光電導引頭等被試品接入實驗系統，開展電視、紅外、激光等光電測角儀或光電導引頭工作原理（包括光學成像、光學調制、光電探測、信號處理、目標跟蹤等）的演示實驗;還能在實驗系統的基礎上，視情引入相應的被試品，進一步設計形成光電制導系統，開設光電制導系統性能測試實驗、性能改進驗證實驗。

光學尋的制導實驗系統? 擬建設形成以下四種實驗能力，系統組成圖如圖3所示。

1）尋的器數字化資源庫。建成涵蓋國內外的各類典型尋的器數字化資源庫，以典型尋的器作為對象，按實際結構和尺寸建立數字化三維模型，并能通過交互式應用程序在教學計算機、虛擬訓練器材等設備上實現外觀展示、組裝拆解、工作原理演示、模擬操作等功能，并能夠按需要生成外觀圖、結構分解圖、三維視頻動畫等教學應用資源。

2）光電技術創新綜合實驗平臺，支持研究典型光電探測器的應用技術及工作原理，可以進行光電探測器光譜響應的測量、光電探測器響應時間的測試、光電探測器探測度的測量、光學調制盤輸出信號的分析、低噪聲放大器、有源濾波器等實驗。

3）彩色面陣CCD綜合實驗儀，著重開展面陣CCD的驅動原理及應用方法實驗，提高學員對CCD工作原理及實際應用的認識;同時設置圖像處理方面的實驗內容，讓學員對如何進行圖像處理有一定的認識，更好地理解如何對圖像質量進行增強、如何提取有效信息等。

4）激光物理與技術綜合實驗平臺，進行激光特性參數測量系列實驗、激光應用技術系列實驗，滿足四象限式光電定向原理、激光編碼、激光器系統、激光測距、聲光調制、光外差原理等實驗要求。

光電遙控制導實驗系統? 光學遙控制導實驗系統圍繞有線制導、激光指令制導、激光波束制導等三種制導方式實驗需要開展建設，相關設備主要由三部分組成：對目標的觀測跟蹤裝置、遙控信息的形成與傳輸裝置、彈上的接收及控制裝置（圖4）。

1）目標觀察跟蹤裝置，用于對可見光目標或紅外信標搜索捕獲和跟蹤，設備有可見光瞄準具、電視測角儀、紅外測角儀。

2）遙控信息的形成與傳輸裝置。遙控信息的形成包括遙控指令和遙控激光波束的形成，傳輸裝置包括導線、光纖和激光傳輸，設備有激光器、制導電子箱模擬器、光調制及解調綜合實驗儀。

3）接收與控制裝置。接收包括接收指令和接收激光波束兩種，控制裝置通過接入舵機實物或仿真模型實現。

針對三種光電遙控制導方式，在共享激光物理與技術綜合實驗平臺的基礎上，再配置光調制及解調綜合實驗儀，可進行的實驗內容有波形產生實驗，幅度、脈沖調制解調實驗，光學調制盤實驗等，旨在原理驗證及相關現象演示，便于學員理解實驗原理。開設的主要實驗如圖5所示。

光纖圖像傳輸實驗系統? 針對實驗要求建設光纖通信與光纖技術綜合實驗平臺，平臺組成如圖6所示，包括光端機模塊、模擬信號源模塊、數字信號源模塊、串口通信模塊、電話接口單元模塊、數字端機模塊等部分。實驗項目由七個部分組成：光纖和光纜、通信用光器件（有源和無源器件）、數字光纖通信系統（光發、光收端機）、模擬光纖通信系統、光纖通信新技術、光纖通信網絡。可開展光纖通信系統電接口、光源及光調制解調、模擬信號光纖傳輸、數字信號光纖傳輸、光纖通信網絡及新技術等系列實驗。

光纖圖像傳輸系統（模擬信號直接調制方法下的視頻信號光纖傳輸）如圖7所示，主要由攝像頭（電視信號發生器）、視頻監視器（小型電視機）和模擬光纖通信系統組成。通過觀察視頻信號的光纖傳輸，測試光纖傳輸模擬信號的性能。攝像頭產生視頻信號（模擬信號），經過模擬調制送入光發端機，經光纖傳輸后，由光收端機檢測到視頻信號并輸出到監視器端，通過實驗觀測光纖傳輸視頻信號的效果以及特點，圖像效果越好，說明光纖傳輸模擬信號的性能就越好越穩定。

4 結語

實驗室是從事實驗教學、科學研究、技術開發和學術交流的重要場所，是培養人才創新思維和創新能力的重要基礎，因此，實驗室建設是高等院校建設的重要組成部分。本文通過分析光電制導的重難點內容，提出制導技術之光電實驗室建設方案，接下來需要更進一步地進行調研分析研究，緊緊圍繞人才培養、關鍵技術研究和服務部隊練兵備戰總體目標實施建設，主要目標是滿足制導技術有關課程教學與關鍵技術研究需要，為核心課程教學、制導技術相關課題研究、制導武器裝備運用與效能評估等提供實驗條件。

參考文獻

[1]江月松.光電技術與實驗[M].北京：北京理工大學出版社，2007.

[2]李洪儒，李輝，李永軍，等.導彈制導與控制原理[M].北京：科學出版社，2016.

[3]張海明，王輔忠，任大慶，等.光信息與光電子技術實驗室建設的思考[J].物理與工程，2008（4）：51-53.

作者：周海俊，陸軍工程大學石家莊校區，講師，研究方向為制導技術;翟優，陸軍工程大學石家莊校區，講師，研究方向為檢測技術;郭鑫，陸軍工程大學石家莊校區，講師，研究方向為電站技術（050003）。