CN111123288A - 一种远距离随动激光导引头及控制方法 - Google Patents

一种远距离随动激光导引头及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种远距离随动激光导引头及控制方法，本发明的引导头采用了大口径的透射式光学***，降低成本的同时增强了接收激光能量，再配合后端采用的信号调理电路直采的激光探测信号，使整个探测***的灵敏度成倍提高，使探测稳定性、抗干扰能力也提高很多，最终实现了不小于10Km的远距离探测距离，而成本则降低了2～3倍。由于应用了四象限激光PIN探测器，还实现了不小于±15°的大视场探测，大大降低了末制导飞行控制的技术门槛。

Description

一种远距离随动激光导引头及控制方法
技术领域
本发明属于激光制导领域，具体涉及一种远距离随动激光导引头及控制方法。
背景技术
激光导引头是一种安装于飞行器上，通过对目标漫反射的激光回波信号进行光电转换、信号调理、数字信号处理后控制光轴锁定跟踪目标同时送出弹目视线角速率信号供飞行器导航使用的末制导设备，目前，世界上装备的大部分激光导引头使用的四象限激光探测器主要分四象限PIN激光探测器和四象限APD激光探测器。
四象限PIN激光探测器由于灵敏度差一些，即使使用100mJ的机载激光照射器，激光导引头作用距离最多能达到4～5km，严重限制了使用范围。四象限激光APD探测器因探测灵敏度高的特点被一般应用于作用距离超过5km的远距离激光导引头，但是四象限APD激光探测器的缺点也很明显。首先，成品率地、价格昂贵，只要少数发达国家掌握能够批量生产。其次，四象限APD激光探测器的光敏面太小导致应用的激光导引头视场不大于±3°，严重影响了激光导引头的搜索效率和跟踪稳定性。最后，四象限APD激光探测器使用技术难度大，探测灵敏度受环境温度变化影响大，且导引头盲区大。
现在的激光导引头激光探测信号处理电路主要采用以峰值保持电路为核心的方案设计的，利用四象限信号求和触发峰值保持电路同时触发DSP中断来控制低速ADC完成对激光脉冲峰值保持信号的模数转换，由于峰值保持电路由分立元件搭建，存在抗噪声能力弱，对大信号、小信号的峰值保持线性度、稳定性差的缺点。而且激光回波信号经峰值保持电路后失去了原有信号的特征，无法进行数字信号处理，容易被诱导干扰。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种远距离随动激光导引头及控制方法，采用了非球面大镜片光学***配合四象限PIN激光探测器加上高速ADC直采的设计方案，使的激光半主动导引头不增加激光照射器的照射能量的前提下拥有±15°的大视场，探测跟踪距离达到了10km以上的程度。大大降低了整个飞行器末制导***的设计难度而且成本合理，易于批量生产。
为了达到上述目的，一种远距离随动激光导引头，包括具有四象限激光PIN探测器透射式光学***，透射式光学***外设置有光学整流罩，透射式光学***中四象限激光PIN探测器连接信号调理电路，透射式光学***设置在双轴伺服***上，信号调理电路连接FPGA预处理电路，FPGA预处理电路连接DSP主控电路，DSP主控电路连接双轴伺服***；
透射式光学***将接收到的激光回波信号进行汇聚成像和光电转换后送入信号调理电路；
信号调理电路用于进行自动增益控制和模数转换，并输出四象限激光回波信号数字量进入FPGA预处理电路；
FPGA预处理电路进行信号初检预处理，并发送至DSP主控电路；
DSP主控电路用于确认识别目标、和差运算和增益控制，同时利用比例导引算法控制双轴伺服***跟踪指向目标；
双轴伺服***用于带动透射式光学***转动，实现搜索和跟踪目标功能。
透射式光学***包括滤光片、非球面透镜、球面透镜和四象限PIN激光探测器，四象限PIN激光探测器连接信号调理电路，四象限PIN激光探测器的接收端前设置有球面透镜，球面透镜前设置有非球面透镜，非球面透镜前设置有滤光片。
信号调理电路包括跨阻放大电路、程控放大电路、采样电路，跨阻放大电路和程控放大电路分别包含有4个完全相同的电路通道，跨阻放大电路的4个通道输入端分别连接至四象限PIN激光探测器的A、B、C、D四象限输出端，跨阻放大电路4个通道的输出分别连接至程控放大电路的4个通道的输入端，程控放大电路的4个通道的输出端连分别接至采样电路的4个采样通道输入端连接放大电路放大电路。
FPGA预处理电路包括缓冲接收模块、低通滤波模块、激光脉冲信号初检模块、初检信号并行发送模块、波门模块，信号调理电路连接缓冲接收模块和波门模块，缓冲接收模块连接低通滤波模块，低通滤波模块连接激光脉冲信号初检模块，激光脉冲信号初检模块连接初检信号并行发送模块，初检信号并行发送模块和波门模块均连接DSP主控电路；
缓冲接收模块用于缓冲接收四象限激光回波信号；
低通滤波模块用于对四象限激光回波信号进行低通滤波；
激光脉冲信号初检模块用于对经过低通滤波处理的信号进行求和，并识别激光脉冲信号；
初检信号发送模块用于将经过信号初检模块识别的激光脉冲信号原始数字量发送至DSP主控电路；
波门模块用于控制宽度为2us的使能高速ADC采样时间。
DSP主控电路包括DMA并行接收模块、信号锁定解算模块、比例导引解算与控制模块、自动增益控制模块和对外通信模块，DMA并行接收模块连接FPGA预处理电路和信号锁定解算模块，信号锁定解算模块连接比例导引解算与控制模块和自动增益控制模块，比例导引解算与控制模块连接对外通信模块，自动增益控制模块连接信号调理电路和FPGA预处理电路；
DMA并行接收模块用于接收经过FPGA预处理电路初检的激光脉冲信号；
信号锁定解算模块用于识别经过FPGA预处理电路初检的激光脉冲信号是否确实为目标反射激光回波信号，将目标反射激光回波信号发送至比例导引解算与控制模块，并控制FPGA预处理电路开启波门模块；
比例导引解算与控制模块用于将目标反射激光回波信号和差运算后得出弹目视线角误差，通过比例导引算法转换为弹目视线角速率信号发送至双轴伺服***；
自动增益控制模块通过大动态范围程控放大电路增益变化控制激光脉冲信号和电压幅值稳定为1.8V，保证采样电路采样数据稳定可靠；
对外通信模块用于发送弹目视线角速率信号和激光导引头状态信息并接收上位机指令。
双轴伺服***，跟踪范围为俯仰±40°、航向±30°。
一种远距离随动激光导引头的控制方法，包括以下步骤：
步骤一，目标漫反射激光回波信号通过光学整流罩进入透射式光学***的四象限激光PIN探测器；
步骤二，透射式光学***将激光回波信号汇聚成像，并进行光电转换后送入信号调理电路；
步骤三，信号调理电路将接收到的信号进行自动增益控制和模数转换，并输出四象限激光回波信号数字量至FPGA预处理电路；
步骤四，FPGA预处理电路对四象限激光回波信号数字量进行初检预处理，并送入DSP主控电路；
步骤五，DSP主控电路确认识别目标、和差运算、增益控制,同时利用比例导引算法控制双轴伺服***跟踪指向目标。
信号调理电路由跨阻放大电路、程控放大电路、采样电路组成；
首先，跨阻放大电路接收到的信号转化为电压脉冲信号，并通过程控放大电路进行增益调节，通过采样电路采集四象限激光回波信号数字量后发送至FPGA预处理电路。
FPGA预处理电路包括缓冲接收模块、低通滤波模块、激光脉冲信号初检模块、初检信号并行发送模块和波门模块；
通过缓冲接收模块接收四象限激光回波信号数字量，通过低通滤波模块对接收到的四象限激光回波信号数字量进行低通滤波，通过激光脉冲信号初检模块对经过低通滤波处理的信号进行求和，并识别出激光脉冲信号，激光脉冲信号通过初检信号发送模块发送至DSP主控电路，通过波门模块控制宽度为2us的使能高速ADC采样时间。
DSP主控电路包括DMA并行接收模块、信号锁定解算模块、比例导引解算与控制模块、自动增益控制模块、对外通信模块；
通过DMA并行接收模块接收经过FPGA预处理电路预处理的激光脉冲信号数字量，信号锁定解算模块使用相干检测算法提取经过FPGA预处理电路初检的激光脉冲信号中的目标反射激光回波信号，比例导引解算与控制模块将的目标反射激光回波信号进行和差运算后得出弹目视线角误差，通过比例导引算法转换为弹目视线角速率信号供双轴伺服***，自动增益控制模块控制信号调理电路的增益变化。
与现有技术相比，本发明的引导头采用了大口径的透射式光学***，降低成本的同时增强了接收激光能量，再配合后端采用的信号调理电路直采的激光探测信号，使整个探测***的灵敏度成倍提高，使探测稳定性、抗干扰能力也提高很多，最终实现了不小于10Km的远距离探测距离，而成本则降低了2～3倍。由于应用了四象限激光PIN探测器，还实现了不小于±15°的大视场探测，大大降低了末制导飞行控制的技术门槛。
本发明的方法将目标漫反射激光回波信号通过光学整流罩进入激光导引头，经透射式光学***汇聚成像、光电转换后送入信号调理电路中进行自动增益控制和模数转换，信号调理电路输出的四象限激光回波信号数字量先由FPGA预处理电路完成信号初检预处理，再经DSP主控电)确认识别目标、和差运算、比例导引计算后控制双轴伺服***跟踪指向目标。同时向弹上飞控计算机送出导航信息。本发明使的激光半主动导引头不增加激光照射器的照射能量的前提下拥有±15°的大视场，探测跟踪距离达到了10km以上的程度。大大降低了整个飞行器末制导***的设计难度而且成本合理，易于批量生产等优点。
附图说明
图1我本发明的结构示意图；
图2为本发明中透射式光学***的结构图；
图3为本发明中信号调理电路的***图；
图4为本发明中信号调理电路、FPGA预处理电路和DSP主控电路的连接示意图；
其中，1、光学整流罩；2、透射式光学***；3、双轴伺服***；4、信号调理电路；5、PFGA预处理电路；6、DSP主控电路；201、滤光片；202、非球面透镜；203、球面透镜；204、四象限PIN激光探测器；401、跨阻放大电路；402、程控放大电路；403、采样电路；501、缓冲接收模块；502、低通滤波模块；503、激光脉冲信号初检模块；504、初检信号并行发送模块；505、波门模块；601、DMA并行接收模块；602、信号锁定解算模块；603、比例导引解算与控制模块；604、自动增益控制模块；605、对外通信模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，一种远距离随动激光导引头，包括透射式光学***2，透射式光学***2外设置有光学整流罩1，透射式光学***2连接双轴伺服***3和信号调理电路4，信号调理电路4连接FPGA预处理电路5，FPGA预处理电路5连接DSP主控电路6，DSP主控电路6连接双轴伺服***3；
透射式光学***2将接收到的激光回波信号进行汇聚成像和光电转换后送入信号调理电路4；
信号调理电路4用于进行自动增益控制和模数转换，并输出四象限激光回波信号数字量进入FPGA预处理电路5；
FPGA预处理电路5进行信号初检预处理，并发送至DSP主控电路6；
DSP主控电路6用于确认识别目标、和差运算机翼比例导引计算后控制双轴伺服***3工作；
双轴伺服***3用于带动透射式光学***2转动。
一种远距离随动激光导引头的控制方法，包括以下步骤：
步骤一，目标漫反射激光回波信号通过光学整流罩1进入透射式光学***2的四象限激光PIN探测器；
步骤二，透射式光学***2将激光回波信号汇聚成像，并进行光电转换后送入信号调理电路4；
步骤三，信号调理电路4将接收到的信号进行自动增益控制和模数转换，并输出四象限激光回波信号数字量至FPGA预处理电路5；
步骤四，FPGA预处理电路5对四象限激光回波信号数字量进行初检预处理，并送入DSP主控电路6；
步骤五，DSP主控电路6确认识别目标、和差运算和比例导引计算后控制双轴伺服***3跟踪指向目标。
参见图2，透射式光学***2包括四象限PIN激光探测器204，四象限PIN激光探测器204连接信号调理电路，四象限PIN激光探测器204的接收端前设置有球面透镜203，球面透镜203前设置有非球面透镜202，非球面透镜202前设置有滤光片201。
透射式光学***2镜筒为铝合金材料加工而成，经硬质阳极氧化处理后从内到外依次安装球面镜片203、非球面镜片202、窄带滤光片201、再安装四象限PIN激光探测器204，最后将镜筒安装于双轴伺服***3的光具座上。
参见图3，信号调理电路4包括跨阻放大电路401、大动态范围程控放大电路402和采样电路403，跨阻放大电路401的4个通道输入端分别连接至四象限PIN激光探测器204的A、B、C、D四象限输出端，跨阻放大电路401的4个通道的输出分别连接至程控放大电路402的4个通道的输入端，程控放大电路402的4个通道的输出分别接至采样电路403。放大电路放大电路。
跨阻放大电路401有4个通道组成，主要由4个完全相同且并行的跨阻放大电路组成，程控放大电路402由4个完全相同且并行的大动态范围的可编程放大电路组成，程控放大电路402由自动增益控制模块604通过SPI接口控制增益，采样电路403主要由1个四通道采样速率250MIPS、精度14位的高速ADC芯片和250MHz高精度温补晶振构成。
首先，跨阻放大电路401接收到的信号转化为电压脉冲信号，并通过程控放大电路402进行增益调节，通过采样电路403采集四象限激光回波信号数字量至FPGA预处理电路5。
参见图4，FPGA预处理电路5包括缓冲接收模块501、低通滤波模块502、激光脉冲信号初检模块503、初检信号并行发送模块504、波门模块505，信号调理电路4连接缓冲接收模块501和波门模块505，缓冲接收模块501连接低通滤波模块502，低通滤波模块502连接激光脉冲信号初检模块503，激光脉冲信号初检模块503连接初检信号并行发送模块504，初检信号并行发送模块504和波门模块505均连接DSP主控电路6；
缓冲接收模块501用于缓冲接收四象限激光回波信号；
低通滤波模块502用于对四象限激光回波信号进行低通滤波；
激光脉冲信号初检模块503用于对经过低通滤波处理的信号进行求和，并识别激光脉冲信号；
初检信号发送模块504用于将经过信号初检模块503识别的激光脉冲信号原始数字量发送至DSP主控电路6；初检信号并行发送模块504使用并行通道发送，传输速度为50MHz，位宽为16Bit。
波门模块505用于控制宽度为2us的使能高速ADC采样时间，在激光导引头锁定目标激光回波后根据激光编码计算下一次激光信号来临的时间，提前1us开启高速ADC采样，2us后关闭高速ADC采样，降低功耗的同时增加了激光导引头的抗干扰能力。
通过缓冲接收模块501接收四象限激光回波信号数字量，通过低通滤波模块502对接收到的四象限激光回波信号数字量进行低通滤波，通过激光脉冲信号初检模块503对经过低通滤波处理的信号进行求和，并识别出激光脉冲信号，激光脉冲信号通过初检信号发送模块504发送至DSP主控电路6，通过波门模块505控制宽度为2us的使能高速ADC采样时间。
参见图4，DSP主控电路6包括DMA并行接收模块601、信号锁定解算模块602、比例导引解算与控制模块603、自动增益控制模块604和对外通信模块605，DMA并行接收模块601连接FPGA预处理电路5和信号锁定解算模块602，信号锁定解算模块602连接比例导引解算与控制模块603和自动增益控制模块604，比例导引解算与控制模块603连接对外通信模块605，自动增益控制模块604连接信号调理电路4和FPGA预处理电路5；
DMA并行接收模块601用于接收经过FPGA预处理电路5初检的激光脉冲信号；
信号锁定解算模块602用于识别经过FPGA预处理电路4初检的激光脉冲信号是否确实为目标反射激光回波信号，将目标反射激光回波信号发送至比例导引解算与控制模块603，并控制FPGA预处理电路5开启波门模块505，增强抗干扰能力；
比例导引解算与控制模块603用于将目标反射激光回波信号和差运算后得出弹目视线角误差，通过比例导引算法转换为弹目视线角速率信号发送至双轴伺服***3；
自动增益控制模块604通过调节大动态范围程控放大电路增益变化实现控制激光脉冲信号和电压幅值稳定为1.8V，保证采样电路403采样数据稳定可靠；
对外通信模块605用于发送弹目视线角速率信号和激光导引头状态信息并接收上位机指令。对外通信模块(605)为CAN通信接口，DSP主控电路(6)通过对外通信模块(605)发送弹目视线角速率信号和激光导引头状态信息并接收上位机指令，CAN接口通信速率为500KHz。
通过DMA并行接收模块601接收经过FPGA预处理电路5激光脉冲信号，信号锁定解算模块602使用相干检测算法提取经过FPGA预处理电路5初检的激光脉冲信号中的目标反射激光回波信号，比例导引解算与控制模块603将的目标反射激光回波信号进行和差运算后得出弹目视线角误差，通过比例导引算法转换为弹目视线角速率信号供双轴伺服***3，自动增益控制模块604控制信号调理电路4的增益变化。
双轴伺服***6，跟踪范围为俯仰±40°、航向±30°。

Claims (10)

1.一种远距离随动激光导引头，其特征在于，包括具有四象限激光PIN探测器的透射式光学***(2)，透射式光学***(2)前设置有光学整流罩(1)，透射式光学***(2)中四象限激光PIN探测器连接信号调理电路(4)，透射式光学***(2)设置在双轴伺服***(3)上，信号调理电路(4)连接FPGA预处理电路(5)，FPGA预处理电路(5)连接DSP主控电路(6)，DSP主控电路(6)连接双轴伺服***(3)；
透射式光学***(2)将接收到的激光回波信号进行汇聚成像和光电转换后送入信号调理电路(4)；
信号调理电路(4)用于进行自动增益控制和模数转换，并输出四象限激光回波信号数字量进入FPGA预处理电路(5)；
FPGA预处理电路(5)进行信号初检预处理，并发送至DSP主控电路(6)；
DSP主控电路(6)用于确认识别目标、和差运算和增益控制，同时利用比例导引算法控制双轴伺服***(3)跟踪指向目标；
双轴伺服***(3)用于带动透射式光学***(2)转动。
2.根据权利要求1所述的一种远距离随动激光导引头，其特征在于，透射式光学***(2)包括滤光片(201)、非球面透镜(202)、球面透镜(203)和四象限PIN激光探测器(204)，四象限PIN激光探测器(204)连接信号调理电路，四象限PIN激光探测器(204)的接收端前设置有球面透镜(203)，球面透镜(203)前设置有非球面透镜(202)，非球面透镜(202)前设置有滤光片(201)。
3.根据权利要求1所述的一种远距离随动激光导引头，其特征在于，信号调理电路(4)包括跨阻放大电路(401)、程控放大电路(402)、采样电路(403)，跨阻放大电路(401)和程控放大电路(402)分别包含有4个完全相同的电路通道，跨阻放大电路(401)的4个通道输入端分别连接至四象限PIN激光探测器(204)的A、B、C、D四象限输出端，跨阻放大电路(401)4个通道的输出分别连接至程控放大电路(402)的4个通道的输入端，程控放大电路(402)的4个通道的输出端连分别接至采样电路(403)的4个采样通道输入端连接放大电路放大电路。
4.根据权利要求1所述的一种远距离随动激光导引头，其特征在于，FPGA预处理电路(5)包括缓冲接收模块(501)、低通滤波模块(502)、激光脉冲信号初检模块(503)、初检信号并行发送模块(504)、波门模块(505)，信号调理电路(4)连接缓冲接收模块(501)和波门模块(505)，缓冲接收模块(501)连接低通滤波模块(502)，低通滤波模块(502)连接激光脉冲信号初检模块(503)，激光脉冲信号初检模块(503)连接初检信号并行发送模块(504)，初检信号并行发送模块(504)和波门模块(505)均连接DSP主控电路(6)；
缓冲接收模块(501)用于缓冲接收四象限激光回波信号；
低通滤波模块(502)用于对四象限激光回波信号进行低通滤波；
激光脉冲信号初检模块(503)用于对经过低通滤波处理的信号进行求和，并识别激光脉冲信号；
初检信号发送模块(504)用于将经过信号初检模块(503)识别的激光脉冲信号原始数字量发送至DSP主控电路(6)；
波门模块(505)用于控制宽度为2us的使能高速ADC采样时间。
5.根据权利要求1所述的一种远距离随动激光导引头，其特征在于，DSP主控电路(6)包括DMA并行接收模块(601)、信号锁定解算模块(602)、比例导引解算与控制模块(603)、自动增益控制模块(604)和对外通信模块(605)，DMA并行接收模块(601)连接FPGA预处理电路(5)和信号锁定解算模块(602)，信号锁定解算模块(602)连接比例导引解算与控制模块(603)和自动增益控制模块(604)，比例导引解算与控制模块(603)连接对外通信模块(605)，自动增益控制模块(604)连接信号调理电路(4)和FPGA预处理电路(5)；
DMA并行接收模块(601)用于接收经过FPGA预处理电路(5)初检的激光脉冲信号；
信号锁定解算模块(602)用于识别经过FPGA预处理电路(4)初检的激光脉冲信号是否确实为目标反射激光回波信号，将目标反射激光回波信号发送至比例导引解算与控制模块(603)，并控制FPGA预处理电路(5)开启波门模块(505)；
比例导引解算与控制模块(603)用于将目标反射激光回波信号和差运算后得出弹目视线角误差，通过比例导引算法转换为弹目视线角速率信号发送至双轴伺服***(3)；
自动增益控制模块(604)控制程控放大电路(402)的增益变化；
对外通信模块(605)用于发送弹目视线角速率信号和激光导引头状态信息并接收上位机指令。
6.根据权利要求1所述的一种远距离随动激光导引头，其特征在于，双轴伺服***(6)，跟踪范围为俯仰±40°、航向±30°。
7.权利要求1所述的一种远距离随动激光导引头的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，目标漫反射激光回波信号通过光学整流罩(1)进入透射式光学***(2)的四象限激光PIN探测器；
步骤二，透射式光学***(2)将激光回波信号汇聚成像，并进行光电转换后送入信号调理电路(4)；
步骤三，信号调理电路(4)将接收到的信号进行自动增益控制和模数转换，并输出四象限激光回波信号数字量至FPGA预处理电路(5)；
步骤四，FPGA预处理电路(5)对四象限激光回波信号数字量进行初检预处理，并送入DSP主控电路(6)；
步骤五，DSP主控电路(6)确认识别目标、和差运算和比例导引计算后控制双轴伺服***(3)跟踪指向目标。
8.权利要求7所述的一种远距离随动激光导引头的控制方法，其特征在于，信号调理电路(4)由跨阻放大电路(401)、程控放大电路(402)、采样电路(403)组成；
首先，跨阻放大电路(401)接收到的信号转化为电压脉冲信号，并通过程控放大电路(402)进行增益调节，通过采样电路(403)采集四象限激光回波信号数字量后发送至FPGA预处理电路(5)。
9.权利要求7所述的一种远距离随动激光导引头的控制方法，其特征在于，FPGA预处理电路(5)包括缓冲接收模块(501)、低通滤波模块(502)、激光脉冲信号初检模块(503)、初检信号并行发送模块(504)和波门模块(505)；
通过缓冲接收模块(501)接收四象限激光回波信号数字量，通过低通滤波模块(502)对接收到的四象限激光回波信号数字量进行低通滤波，通过激光脉冲信号初检模块(503)对经过低通滤波处理的信号进行求和，并识别出激光脉冲信号，激光脉冲信号通过初检信号发送模块(504)发送至DSP主控电路(6)，通过波门模块(505)控制宽度为2us的使能高速ADC采样时间。
10.权利要求7所述的一种远距离随动激光导引头的控制方法，其特征在于，DSP主控电路(6)包括DMA并行接收模块(601)、信号锁定解算模块(602)、比例导引解算与控制模块(603)、自动增益控制模块(604)、对外通信模块(605)；
通过DMA并行接收模块(601)接收经过FPGA预处理电路(5)预处理的激光脉冲信号数字量，信号锁定解算模块(602)使用相干检测算法提取经过FPGA预处理电路(5)初检的激光脉冲信号中的目标反射激光回波信号，比例导引解算与控制模块(603)将的目标反射激光回波信号进行和差运算后得出弹目视线角误差，通过比例导引算法转换为弹目视线角速率信号供双轴伺服***(3)，自动增益控制模块(604)控制信号调理电路(4)的增益变化。
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