新型半主动激光制导仿真系统设计与实现

随着以计算机为代表的信息化技术的飞速发展，半实物仿真技术[1]在国内外的航空航天、通信等众多军用和民用领域都发挥着重要作用，具有费用低，开发周期短等特点。激光半主动制导半实物仿真系统[2]在激光制导武器的研究、试验、作战仿真和教学训练中有重要作用。为测试激光制导干扰设备对激光制导的干扰效果，开发研制了该系统。1系统组成及工作原理该仿真系统主要由光学系统、光电探测器、信号处理电路和执行机构组成，实物如图1所示。系统的工作原理是模拟激光源发射经过编码的激光束经过滤光片照射到四象限光电探测器，光电探测器将激光信号装换为电信号输出。光电探测器输出的电信号进过前置放大滤波电路、采样保持电路和AD转换电路，进入微处理器，通过光斑检测定位算法[3]，解算出目标光斑偏离中心的偏差即偏离目标光源中心点的脱靶量[4]，根据脱靶量形成对伺服系统的控制指令，二维转台伺服控制系统根据控制指令适时调整导引头的姿态，稳定跟踪模拟目标，原理流程框图如图1所示。滤光片四象限探测器前置放大滤波电路AD转换电路单片机信息处理转台伺服控制器激光束采样保持电路采样保持器电路峰值检测电路图1系统工作原理图Fig.1Schematicdiagramofsystem系统光电探测器组件采用中国电子工业集团公司第四十四所生产的GD4311Y四象限光电探测器。它具有可控增益、响应速度快、盲区小、噪声低；均匀性、对称性好等特点，在激光定位、激光制导等方面应用广泛。它的光敏尺寸为8mm，响应波长范围为850到1064nm。为了增强探测效果，滤除其他背景的干扰，加装了滤光片，对进入到探测器的激光进行了过滤。伺服系统为双自由度高精度数字云台PT01502，前后俯仰72°，水平旋转-157°至157°，RS485通信接口，24V/3A直流供电，七十多条默认缺省指令集，指令响应时间12ms。2硬件电路设计2.1前置放大电路GD4311Y四象限探测器电路如图2所示，其中U1为GD43311Y探测器，D1、D2、D3、D4为四象限电流信号输出，+80V的作用是给探测器提供的典型偏置电压，+2V的作用是给探测器提供增益控制电压，+5V的作用是给探测器提供的正电源，在正电源与地之间接入100pF的电容。四象限探测器的作用是将光信号转变成了微弱的电信号，其输出相当于一个高速脉冲电流源。前置放大电路采用跨阻放大器对探测器输出的微弱电信号进行放大，并将电流信号转为为电压信号输出，电路图如图3所示。图2探测电路图3前置放大电路Fig.2DetectioncircuitFig.3Preamplifercircuit跨阻放大器选用AD8007低失真的高速放大器，放大器最高增益跨阻为?k，650MHz带宽。D1为探测器输出，R1为200Ω限流电阻，流入跨阻放大器；+5V、-5V作用是提供工作电压；F1为经过放大的输出信号。2.2峰值保持电路[5-8]在将信号输入到AD转换之前，由于信号频率高，AD无法在短时间内完成装换，需要将信号的峰值保持一段时间。而峰值保持电路的作用就是将采集到的信号峰值保持下来，供ADC采样所用。系统采用具有响应速度快、动态范围大和误差小等优点的跨导型峰值保持电路，电路如图4所示。图4峰值保持电路Fig.4Peakholdingcircuit跨导放大器（WTA）选用Maxim公司的MAX436。MAX436无需另外设置静态工作点，是高速、宽带跨导型放大器。其反向输入端电阻很大，反馈回路从图中的S1处引入，这样减少了电压缓冲器的延时。图中U27、U28信号缓冲器为MAX4201开环单缓冲器。它们的作用是对信号进行缓冲，提高驱动能力和抗干扰能力。U28的输出即为峰值保持结果，通过接插件与后续采样保持器电路连接。电阻R18用于设置MAX436的跨导增益，当R12=50Ω时，跨导增益为160mS。电阻R19用于设置MAX436的最大输出电流，当R19=5.9kΩ时，最大输出电流为20mA。保持电容取100pF，反馈回路直接从U28的输出端接入。图中N1为放电回路的控制端，低电平使放电回路放电，由单片机输出使能74HC4066模拟开关芯片控制。Q3在这里起高速开关的作用。当峰值保持器采集完成，单片机输出高电平放电使能信号，峰值保持电路开始放电。放电回路的目的是对保持电容进行复位，以便于下一次的峰值保持。2.3峰值检测与AD转换电路峰值检测[9]电路将放大后的信号进行峰值时刻鉴别检测，在信号达到峰值前输出触发信号输入到峰值保持电路，系统采用高速差动比较器LM361芯片设计峰值检测电路，如图5所示。图中P1为1路信号输入，经过LM361的反向输入端电压由电位器分压得到。比较器的输出为TTL电平信号，由于其时间较短，其输出信号经过74HC123单稳态触发器，延长其保持时间。图5峰值检测电路Fig.5PeakdetectioncircuitADC电路将峰值保持电路的输出信号进行模拟到数字信号的转换。系统选用AD7994作为AD转换芯片。3应用程序设计系统的单片机应用程序主要包括四元定位、脱靶量计算、串口通信等模块，采用C语言进行模块化编程。单片机程序流程如图6所示。开始系统初始化四元定位串口发送缓冲区伺服控制结束脱靶量允许？是否图6程序流程图Fig.6Flowchartofprogram4结束语本文简介了系统的工作原理，并对处理电路的关键电路进行详细的描述，根据实际的情况，通过选择合适的处理芯片，完成对探测器输出信号的放大、鉴别、保持和AD转换，最后通过单片机的CPU处理电路解算出误差，通过转台伺服控制机构完成对模拟激光源的稳定跟踪。电路设计合理，进行了反复测试，实物如图7所示。实际应用结果表明，系统工作稳定，抗干扰能力强，性能良好。图7系统实物图Fig.7PhotoofSystem