技术领域
[0001] 本
发明涉及一种接收机，具体涉及一种激光驾束制导的测角接收机，属于地地、地空近程导弹控制及
姿态测量技术领域。
背景技术
[0002] 弹药作为武器系统的终端，直接决定了打击的效能和战场的胜负。随着现代战争作战模式、作战方式的变化，各主要军事强国正在大
力发展以首发命中率高、发射后不管、高效毁伤等为特点的信息化智能弹药武器系统。激光驾束制导弹药凭借其制导
精度高、成本低、附带损伤小、反应时间快、作战效能高等优势成为智能化弹药的一个重要发展领域和方向。
[0003] 激光驾束制导是一种由弹外激光照射器发射激光波束照射和
跟踪目标，弹上激光接收机接收激光信息，通过控制系统控制导弹沿激光波束中心线飞行的精确制导体制。激光驾束制导信息场的形成可以有多种方案，目前工程应用最为成熟的为
频率编码方案，该方案通过地面激光驾束制导仪中的调制系统对发射的激光波束进行调制，在空间不同
位置形成不同的串行频率编码，导弹上的接收机接收到激光频率编码后，就能解算出其自身相对信息场中心的位置坐标，从而形成控制指令控制导弹飞行。
[0004] 采用激光驾束制导体制的导弹系统一般采用“三点法”导引规律，导弹会在控制系统作用下自动沿激光驾束制导信息场的中心飞行，而制导信息场的中心与瞄准装置的中心重合，从而实现对静止/机动目标的攻击。现有激光驾束制导系统只能测量出导弹相对激光信息场中心的位置坐标，用于导弹制导回路进行导弹质心位置的控制，然而在导弹受控飞行过程中，需要导引导弹始终沿激光信息场中心飞行，在此过程中导弹弹体会存在着姿态角的变化，当姿态角变化超过一定范围，如出现锥摆运动，会对导弹精度和战斗部威力、导引头性能等造成很大影响，因此现代导弹设计已越来越多地通过采用姿态控制来改善弹体的动力学特性，以提升导弹的控制品质。姿态控制回路的采用需要测量出导弹的姿态运动信息，传统上这些信息是由陀螺等惯性器件测得的，但增加惯性器件不仅成本高，还要占用弹上空间，会为导弹的总体设计带来困难。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明提供一种激光驾束制导测角接收机，该接收机不仅能测量出导弹相对于激光信息场中心的位置坐标，还能测量出导弹轴线相对于激光射线的
俯仰偏移角和
偏航偏移角，从而为导弹姿态控制回路提供控制信息，该夹角信息的引入可以有效解决目前旋转导弹锥摆运动对战斗部破甲能力造成影响等问题。
[0006] 所述的激光驾束制导测角接收机放置于导弹弹体尾部，令所述导弹弹体的轴向为X向，其俯仰方向为Y向，偏航方向为Z向；包括：光学镜头组件、四象限光电探测器、
信号转换及放大
电路、滤波电路和模/数混合解算电路；
[0007] 所述光学镜头组件用于接收地面制导仪发射出的编码激光，并将其汇聚于所述四象限光电探测器的靶面上；
[0008] 所述四象限光电探测器设置在光学镜头组件后方；所述四象限光电探测器在四个象限内各有一个光学敏感面，且四个光敏面互相独立；每个光学敏感面上引出一根
导线作为
电极，作为对应光学敏感面的信号输出端；激光波束经过所述广角光学镜头组件在四象限光电探测器上成像，当所述成像光斑中心位于所述四象限光电探测器靶面中心时，四个光学敏感面输出的
电信号幅度相同；当成像光斑中心偏离靶面中心时，四个光学敏感面输出的电信号幅度不同，且输出的电信号幅度与对应象限上的光斑面积成正比；
[0009] 所述信号转换及放大电路用于对所述四象限光电探测器输出的四路电信号进行放大处理，然后发送给所述滤波电路进行滤波，滤波后的电信号发送给所述模/数混合解算电路；
[0010] 所述模/数混合解算电路包括：坐标位置解算电路和姿态角解算电路；所述坐标位置解算电路用于实时解算导弹相对于激光制导信息场中心的坐标位置ΔY、ΔZ；
[0011] 所述姿态角解算电路实时解算经光学镜头组件汇聚后、成像于四象限光电探测器靶面的激光光斑的中心相对于探测器靶面中心的位置参数，即光斑中心在探测器靶面上的位置坐标(z,y)；然后利用该位置坐标计算导弹轴线相对于激光制导信息场激光射线的俯仰偏移角和偏航偏移角。
[0012] 所述光学镜头组件包括：依次同轴设置的透镜A、透镜B、滤光片、透镜C和透镜D，所述透镜A朝向入射激光的面为平面，朝向所述透镜B的面为凹面；所述透镜B朝向透镜A的面为平面，朝向滤光片的面为凸面；所述透镜C朝向滤光片的面为平面，朝向透镜D的面为凸面；所述透镜D朝向透镜C的面为凸面，另一面为平面。
[0013] 所述信号转换及放大电路包括：四路与四象限光电探测器的四个光学敏感面的信号输出端一一对应连接的I-V转换电路以及与四个I-V转换电路一一对应连接的信号放大电路；所述I-V转换电路用于将与之相连的光学敏感面感应得到的
电流信号转换为
电压信号。
[0014] 所述信号放大电路采用两级放大模式，第一级为固定增益运放电路、第二级为增益自调节运放电路。
[0015] 所述坐标位置解算电路包括：依次相连的加法器A、A/D转换电路和坐标解算控制电路，所述坐标解算控制电路包括：两个以上频率选通放大电路、与频率选通放大电路一一对应连接的比较器、与比较器一一对应连接的整形电路和低通
滤波器组；四象限探测器组输出的四路电流信号分别经过I-V转换电路、信号放大以及滤波处理后进入加法器A进行加法计算，进行加法计算后通过所述A/D转换电路转换为
数字信号，之后输入两路以上中心频率不同的选通滤波器分别检出组成激光信息场的不同频率的信号，经放大后输入各路比较器中得到幅值一定、频率不变的方波，再经过与之对应的整形电路输出幅值与信号占空比成正比的单向脉冲信号并发送给
低通滤波器组，所述低通
滤波器组中的低通滤波器将不同占空比的脉冲信号展成慢变化的直流信号，所述直流信号的幅度随输入的不同频率的信号的持续时间而变，从而形成和导弹与信息场中心位置偏差ΔY、ΔZ对应的电压信号Uy和Uz；然后依据Uy＝Ky*ΔY，Uz＝Kz*ΔZ，计算导弹相对于制导激光信息场中心的坐标位置ΔY、ΔZ；Ky，Kz分别为俯仰偏差指令系数和偏航偏差指令系数。
[0016] 所述姿态角解算电路包括：和差处理电路、两个A/D转换电路和夹角解算控制单元；所述和差处理电路用于进行激光光斑中心相对于探测器靶面中心位置偏差(z,y)的计算，包括五个加法器、两个减法器和两个除法器，五个加法器分别为加法器B、加法器C、加法器D、加法器E以及与所述坐标位置解算电路共用的加法器A；加法器B、加法器C、加法器D、加法器E的
输入信号分别为四路电流信号的两两组合；所述加法器B和加法器E的输出端分别与减法器A的输入端相连，所述减法器A的输出端与除法器A的输入端相连；所述加法器C和加法器D的输出端分别与减法器B的输入端相连，所述减法器B的输出端与除法器B的输入端相连；所述加法器A的输出端分别与除法器A和除法器B的输入端相连；所述除法器A的输出端通过一个A/D转换电路与夹角解算控制单元相连，所述除法器B的输出端通过另一个A/D转换电路与夹角解算控制单元相连；
[0017] 所述夹角解算控制单元依据所述和差处理电路计算的(z,y)，进行俯仰偏移角和偏航偏移角的计算；
[0018] 所述俯仰偏移角α为：
[0019] 所述偏航偏移角β为：
[0020] 其中：光斑中心在探测器光敏面上的位置坐标为(z,y)，f'为光学镜头组件的等效焦距。
[0021] 有益效果：
[0022] (1)通过本发明可以在测得导弹相对于信息场中心的二维位置坐标ΔY、ΔZ的同时，测得导弹轴线相对于制导信息场激光射线的俯仰偏移角和偏航偏移角，该角度的获得能够为导弹控制系统引入姿态控制回路稳定弹体姿态提供保证，从而大幅度提升导弹控制精度和飞行
稳定性。该部件既能用于采用频率编码体制的激光驾束系统，也能用于采用条带扫描体制等其他体制的激光驾束系统。
[0023] (2)本发明延迟时间小、实时跟踪性能好，并且俯仰偏移角和偏航偏移角的获得可为导弹控制系统引入姿态控制回路稳定弹体姿态提供保证，能够大幅度提高激光驾束制导导弹的控制品质和目标命中精度。
[0024] (3)本发明所述的测角接收机在提供导弹位置坐标信息与姿态信息的情况下并未在弹上加装多余的惯性元件等测量器件，易于实现，成本较低，且不会过多占用弹上空间。
[0025] (4)本发明的测角接收机的信号解算处理采用模/数组合的设计方式可实现对较大
频率范围的编码激光的快速、实时处理和二次结果校验，具有较强的抗干扰能力和实时性，其在线
软件升级的功能具备宽频率自适应能力。
附图说明
[0026] 图1为该系统的测量原理图；
[0028] 图3为光学会聚原理图；
[0029] 图4为四象限探测器示意图；
[0030] 图5为测角接收机内部电路原理框图；
[0031] 图6为高精度模/数混合解算电路原理框图；
[0032] 图7为坐标位置解算电路原理框图；
[0033] 图8为姿态角解算功能框图。
[0034] 其中：1-透镜A、2-透镜B、3-滤光片、4-透镜C、5-透镜D
具体实施方式
[0035] 下面结合附图和
实施例对本发明的内容作进一步描述。
[0036] 本实施例提供一种基于激光驾束制导体制的测角接收机，能够获得激光驾束类制导导弹在空间激光驾束制导信息场中相对于制导激光信息场中心的二维位置坐标ΔY、ΔZ以及导弹轴线相对于激光驾束制导信息场激光射线(即激光中
心轴)的俯仰偏移角和偏航偏移角。
[0037] 该接收机放置于导弹弹体尾部，其测量原理如图1所示，导弹
起飞后在激光制导信息场(编码制导激光场边缘所包围的区域，制导激光信息场的轴向截面为圆形)中飞行并逐渐收敛至制导激光信息场中心轴附近，安装在导弹尾部的测角接收机实时接收带有设定编码的激光制导信息，测角接收机通过对接收到的激光制导信息进行处理完成位置和角度测量功能。具体为：
[0038] 该测角接收机的组成如图2所示，包括：广角光学镜头组件、四象限光电探测器、信号转换及放大电路、滤波电路和模/数混合解算电路。
[0039] 其中广角光学镜头组件用于接收地面制导仪发射出的编码激光，并将其汇聚于光电探测器的靶面上。本实施例所使用的光学镜头组件如图3所示，包括依次同轴设置的透镜A1、透镜B2、滤光片3、透镜C4和透镜D5，透镜A1与透镜B2和透镜C3与透镜D4组成改进型双高斯透镜组结构，其中透镜A1朝向透镜B2的面为凹面，另一面为平面(该面朝向入射激光)；透镜B2朝向透镜A1的面为平面，朝向滤光片3的面为凸面；透镜C4朝向滤光片3的面为平面，朝向透镜D5的面为凸面；透镜D5朝向透镜C4的面为凸面，另一面为平面。滤光片3为窄带滤光片，用于抑制环境光以消除色差。对于该广角光学镜头组件而言，其等效焦距f'为透镜A1的焦距f1与其他三个透镜倍率的乘积，计算公式为：
[0040] f'＝f1·β2·β3·β4
[0041] 其中：β2为透镜B2的倍率，β3为透镜C4的倍率，β4为透镜D5的倍率。
[0042] 四象限光电探测器设置在光学镜头组件后方(透镜D5后方)，该光电探测器为圆形四象限PIN光电探测器，如图4所示，光学镜头组件将地面制导仪发射出的编码激光汇聚于四象限探测器的有效靶面内。具体为：将光电探测器所在圆形区域分为四个象限，光电探测器在四个象限内各有一个光学敏感面，且四个光敏面互相独立；每个光学敏感面上引出一根导线作为电极。将四象限PIN光电探测器置于广角光学镜头组件中稍离开焦平面的位置，激光波束经过广角光学镜头组件在四象限光电探测器上成像，光电探测器将
光信号转换为电信号并输出至信号转换及放大电路。当成像光斑中心位于四象限光电探测器靶面中心时，四个象限上的光学敏感面输出的电信号幅度相同；当成像光斑中心偏离靶面中心时，四个象限上的光学敏感面输出的电信号幅度不同，且输出的电信号幅度与该象限上的光斑面积成正比。
[0043] 测角接收机内部电路原理框图如图5所示，包括：信号转换及放大电路、滤波电路和模/数混合解算电路。其中信号转换及放大电路包括四路与四象限光电探测器中四个光学敏感面的电极一一对应连接的I-V转换电路以及与四个I-V转换电路一一对应连接的信号放大电路。光电探测器输出的电信号为电流信号，I-V转换电路用于将与之相连的光学敏感面感应得到的光生电流信号转换为电压信号，在飞行距离较远的情况下导弹接收机接收到的光信号
能量较小，因此需通过信号放大电路进行放大处理。信号放大电路采用两级放大模式，第一级为固定增益运放电路、第二级为增益自调节运放电路，经两级运放放大后可得到较为稳定的信号。在信号转换及放大电路将转换后的电压信号发送给模/数混合解算电路进行信号计算前，对每路信号采用低通、
带通滤波器(滤波电路)对已知的激光频率信号进行滤波选通，滤除干扰和噪声信号，提高计算结果的精度。
[0044] 如图6所示，模/数混合解算电路包括：坐标位置解算电路和姿态角解算电路，其中坐标位置解算电路用于实时解算导弹相对于制导激光信息场中心的坐标位置ΔY、ΔZ(
坐标系为：以光制导信息场轴向截面内，制导激光信息场中心为坐标原点，
水平方向(对应导弹的偏航方向)为Z向，竖直方向(对应导弹的俯仰方向)为Y向)；姿态角解算电路实时解算经光学镜头组件汇聚后、成像于探测器靶面的激光光斑的中心相对于探测器靶面中心的位置参数，即光斑中心在探测器靶面中心的位置坐标(z,y)；(坐标系为：探测器靶面的中心为坐标原点，水平方向为(对应导弹的偏航方向)Z向，竖直方向(对应导弹的俯仰方向)为Y向)，然后利用光斑中心的位置坐标(z,y)计算导弹轴线(X轴)相对于激光制导信息场激光射线的俯仰偏移角和偏航偏移角。两组解算电路属于并联结构，共同使用四象限光电探测器、信号转换及放大电路以及滤波电路处理得到的四路电信号,实现对于导弹相对制导信息场的位置和姿态信息的同时测量。
[0045] 坐标位置解算电路的测量原理为利用导弹位于激光信息场中不同位置时接收机所收到的激光信息中各频率激光持续时间不同，即占空比不同的性质来测量导弹在激光信息场中与激光信息场中心的线偏差，该电路包括：依次相连的加法器A、A/D转换电路和MCU数字电路(即控制单元)，其中MCU数字电路如图7所示，包括：多个频率选通放大电路(包括选通滤波器和
放大器)、与频率选通放大电路一一对应连接的比较器、与比较器一一对应连接的整形电路和低通滤波器组。四象限探测器输出的四路电流信号分别经过I-V转换电路、信号放大以及滤波处理后进入加法器A进行加法计算，进行加法计算后通过A/D转换电路转换为数字信号，之后输入多路中心频率不同的选通滤波器分别检出组成激光信息场的不同频率的信号，经放大后输入各路比较器中得到幅值一定、频率不变的方波，再经过与之对应的整形电路输出幅值与信号占空比成正比的单向脉冲信号并送入低通滤波器组，低通滤波器将不同占空比的脉冲信号展成慢变化的直流信号，其幅度随输入的不同频率信号的持续时间不同，从而形成和导弹与信息场中心位置偏差ΔY、ΔZ对应的电压信号Uy和Uz，由于Uy＝Ky*ΔY，Uz＝Kz*ΔZ，由此便可获得导弹相对于制导激光信息场中心的坐标位置ΔY、ΔZ，其中，Ky，Kz分别是俯仰偏差指令系数和偏航偏差指令系数，由频率选通放大电路中放大器的放大倍数决定。
[0046] 姿态角解算电路包括：和差处理电路、两个A/D转换电路和MCU数字电路(即控制单元)。和差处理电路用于进行激光光斑中心相对于探测器靶面中心位置偏差的计算，包括：五组加法电路，其中四组加法电路(分别令为加法器B、加法器C、加法器D和加法器E)的输入信号为四路电流信号的两两组合，另一组加法电路(即为上述坐标位置解算电路中的加法器A)输入全部四路电流信号，两个减法器(分别令为减法器A和减法器B)和两个除法器(分别令为除法器A和除法器B)，其中加法器B和加法器E的输出端分别与减法器A的输入端相连，减法器A的输出端与除法器A的输入端相连，加法器C和加法器D的输出端分别与减法器B的输入端相连，减法器B的输出端与除法器B的输入端相连；加法器A的输出端分别与除法器A和除法器B的输入端相连。除法器A的输出端通过一个A/D转换电路与MCU数字电路相连，除法器B的输出端通过另一个A/D转换电路与MCU数字电路相连。
[0047] 姿态角解算电路对俯仰偏移角和偏航偏移角的计算原理相同，下面以计算俯仰偏移角α为例，详细介绍姿态角解算电路的计算原理：当光斑在四象限光电探测器上移动时，各象限光学敏感面受光面积将发生变化，从而引起四个象限产生的电信号强度变化。根据四个象限获得的信号幅值大小，即可计算获得光斑中心在探测器光敏面(靶面)上的位置坐标(z,y)；计算光斑中心位置偏移量所采用的基本
算法类似于物理质心的质心算法，具体为：和差处理电路的工作过程为利用加法器B、加法器E与减法器A得到俯仰方向的偏差信号电压Vel＝(Va+Vb)-(Vc+Vd)，同时利用加法器A获得V＝Va+Vb+Vc+Vd，令四象限光电探测的个象限分别为象限A、象限B、象限C和象限D,其中Va为象限A对应的电压信号，Vb为象限B对应的电压信号，Vc为象限C对应的电压信号，Vd为象限D对应的电压信号；并采用线性四象限乘法器构成的四象限除法电路实现除法运算，加法器A的输出的电压信号作为除法器A(俯仰和偏航方向各有一个除法器获取光斑中心的位置坐标，在只计算俯仰方向时只是用俯仰方向的即可)的一个输入端，另一个输入端信号由和差运算电路输出的俯仰偏差信号电压Vel提供，由此计算得出最终俯仰方向输出的信号电压Voy，即：
[0048]
[0049] 则俯仰方向的偏移量y与电压信号Voy成比例，即：
[0050] y＝k·Voy
[0051] 其中k为比例系数。假设f'为光学镜头组件的等效焦距，则由位置坐标(z,y)可求出俯仰偏移角α：
[0052]
[0053] 计算偏航偏移角时用偏航偏移量z，偏航偏移角的计算方法与上述俯仰偏移角的计算方法一样，只是用到的偏移量不同。
[0054] 偏航偏移角β为：
[0055] 将和差处理电路输出的信号电压Voy输入到A/D
采样电路与MCU数字电路中，对参数进行A/D采样、软件滤波和二次校对后剔除有可能出现的前级未滤除的干扰和噪声信号产生的无效超差参数，并根据导弹控制周期输出时间的要求对一个周期内得到的参数进行均值处理，以提高信号的精度。判断是否为照射目标的编码激光，若是则由已知的光学位置和探测器相关指标解算，求出目标光斑中心在四象限探测器中相应的坐标位置，然后结合探测器直径、
光学透镜的通光口径和等效焦距计算导弹飞行过程中的导弹X轴相对于激光信息场激光射线的俯仰偏移角和偏航偏移角，其计算由MCU数字电路进行，计算功能框图如图8所示，同时形成俯仰偏移角和偏航偏移角对应的电压信号并输出给导弹弹上
控制器，用于导弹姿态和命中精度控制使用。导弹相对于激光制导信息场中心的坐标位置ΔY、ΔZ以及导弹X轴与激光信息场激光射线夹角的解算均集成在MCU数字电路中。
[0056] MCU数字
信号处理电路的软件设计有在线升级
接口，可在导弹射击前进行参数升级，以提高对于不同频率编码激光信息的自适应能力。
[0057] 该测角接收机的工作过程为：
[0058] 该接收机被放置于导弹弹体尾部，在接收到瞄准制导装置产生的空间激光
编码信号后，广角光学镜头将激光会聚于四象限探测器的有效靶面内，
硅基四象限探测器将接收到的四路光信号转换为电流信号，经过取样
电阻采样后形成四路电压脉冲信号，经过二级放大后将电压信号送入低通和带通滤波器。由于瞄准制导装置产生的激光是经过编码以后的信号，信号通过低通和带通滤波器可将干扰噪声滤除以提高后续解算电路的精度。经滤波后的电压信号同时送入两条并联的解算电路，一方面将电压信号送入由模拟
运算放大器电路组成的加法电路将四路信号进行求和处理后，经过求和的带有频率编码的电压脉冲信号送入A/D转换电路转换成数字信号，后送入由数字电路实现的选频、检波电路，在固定周期T的条件下对不同频率信号的占空比进行识别和处理，获得不同频率之间的占空比之差，从而获得与导弹相对于信息场中心的位置偏差ΔY、ΔZ对应的位置电压信号。
[0059] 另一方面，将滤波整形后的探测器四个不同象限的电压信号送入由模拟运算放大器电路组成的和差处理电路，通过和差处理电路解算得到成像于探测器靶面的激光光斑中心与探测器靶面中心的相对位置对应的电压信号，该信号通过A/D电路采集，由MCU组成的
数字信号处理器再次进行软件滤波、参数校对后，结合探测器靶面尺寸、光学镜头焦距、通过口径等参数计算得到导弹X轴与制导激光信息场激光射线之间的夹角。位置信息与夹角信息的解算同时进行。
[0060] ΔY、ΔZ和俯仰偏移角和偏航偏移角两个信号经数字处理电路获取后，再根据导弹弹上控制系统的周期要求和编码要求进行处理，送入导弹控制系统使用。数字处理电路的软件滤波器和算法可通过在线升级的方式实现对较广频率范围内的激光编码进行自适应，提高系统的通用性和适用范围。
[0061] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
