CN108020121B - 一种激光导引头能量控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光导引头能量控制系统及其控制方法，其包括四象限探测器、光电流转换电路、后级放大电路、跟随滤波电路、AD采样电路、触发脉宽生成电路以及控制芯片，四象限探测器连接光电流转换电路，光电流转换电路连接后级放大电路，后级放大电路连接跟随滤波电路，跟随滤波电路同时连接AD采样电路和触发脉宽生成电路，AD采样电路和触发脉宽生成电路同时连接控制芯片，控制芯片同时连接后级放大电路、跟随滤波电路以及四相限探测器。本发明还提供了采用以上系统进行导引头能量控制的方法。本发明系统和控制方法能够满适用于远距离激光导引头的探测，提高其探测精度。

Description

一种激光导引头能量控制系统及方法

技术领域

本发明属于激光精确制导技术领域，具体为一种用于APD激光导引头的能量识别和控制的系统及方法。

背景技术

激光导引头可以通过捕获打击目标点反射的特定码型的激光信号，实时结算出目标位置信息，并将该位置信息反馈给弹上计算机进行导引控制，能够有效提高打击精度。为了更好的适应武器发展的需要，各类武器系统对激光导引头的作用距离需求不断提高。

激光导引头所用探测组件根据光电二极管类型可以分为PIN型和APD(雪崩二极管)型两类。其中，PIN技术成熟，成本较低，但是此类探测组件作用距离有限，一般不超过3km，不适用于新时代末端激光制导武器的需求。APD型探测器能够感知极弱的激光能量信号，因此作用距离相比PIN型存在质的飞跃，其作用距离超过8km，能够适应飞行速度较高的激光制导武器系统末端精确导引的需求。

APD型探测器由于能够感知极弱能量，所应用的武器平台一般飞行速度较快，飞行过程中探测器感知的能量变化极为迅速。APD型探测器采集激光能量后，转化成光电流，对于光电流信号的有效采集和控制识别处理，关系到探测精度，是一个比较棘手的问题。

因此，需要开发一种新型的激光导引头能量控制与识别方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明目在于提供一种激光导引头能量控制系统及方法，将其应用在远距离激光导引头探测中，其能满足远距离探测的精度需求。

为实现上述目的，本发明提供一种激光导引头能量控制系统，其包括四象限探测器、光电流转换电路、后级放大电路、跟随滤波电路、AD采样电路、触发脉宽生成电路以及控制芯片，其中，四象限探测器连接光电流转换电路，光电流转换电路连接后级放大电路，后级放大电路连接跟随滤波电路，跟随滤波电路同时连接AD采样电路和触发脉宽生成电路，AD采样电路和触发脉宽生成电路同时连接控制芯片，控制芯片同时连接后级放大电路、跟随滤波电路以及四相限探测器，以能对后级放大电路、跟随滤波电路以及四相限探测器的参数进行调控，四象限探测器上具有光敏面，该光敏面用于感知目标反射回来的激光信号，并将该激光信号转换成四路光电流信号，该四象限探测器使用外部供电，光电转换电路用于将光电流信号转换成光电压信号，后级放大电路用于对光电压信号进行增益放大，跟随滤波电路用于对放大后的光电压信号进行降噪，AD采样电路用于将四象限对应的四路光电压模拟信号转换成数字电压信号，并将该数字电压信号传输给控制芯片，触发脉宽生成电路将四路光电压信号求和，通过自身包含的比较器触发与外界激光信号同频的脉宽信号，并将该脉宽信号传输给控制芯片，控制芯片用于根据数字电压信号获得目标点的位置，还用于根据脉宽信号识别外部的激光码型，以排除可能的干扰源。

进一步的，所述四象限探测器为APD型光电探测器。

按照本发明的另一个方面，还提供一种如上所述系统的控制方法，其为闭环控制，

S1：控制芯片同时采集数字电压信号和脉宽信号，

S2：控制芯片首先根据脉宽信号识别外部的激光码型，以排除可能的干扰源，然后，控制芯片根据数字电压信号以获得目标点的位置，

S3：控制芯片内预设了合理范围的调节阈值，具体的，

当数字电压信号在阈值范围±0.5V内，则认为数字电压信号合理，不对后级放大电路的可变增益和光电探测器的负偏压进行调节，跳转至步骤S1，

当数字电压信号在阈值范围不在±0.5V内，则认为数字电压信号不合理，对后级放大电路的可变增益和光电探测器的负偏压进行调节，

S4：控制芯片控制后级放大电路对光电压信号进行增益放大，然后，控制芯片控制跟随滤波电路对放大后的光电压信号进行降噪，此外，还会控制芯片还会对光电探测器的负偏压进行调节，

接着，跳转至步骤S1。

进一步的，步骤S4中，先进行探测电路可变增益调节，后进行光电探测器偏压调节。

进一步的，步骤S2中，控制芯片中内设了预定激光码型，检测到的当前时刻的激光码型在预定激光码型±15μs内，同时当期时刻检测到的激光脉宽在0.1μs到1.5μs范围内，则判定其码型正确，以此方式，排除可能的干扰源。

进一步的，闭环控制频率与外部激光频率同步。

进一步的，硬件参数调节频率匹配能量随距离变化速度，硬件参数包括后级放大电路3的可变增益和光电探测器的负偏压。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案能够取得下列有益效果：

本发明装置包括四象限探测器、光电流转换电路、后级放大电路、跟随滤波电路、AD采样电路、触发脉宽生成电路以及控制芯片，控制芯片同时连接后级放大电路、跟随滤波电路以及四相限探测器，以能对后级放大电路、跟随滤波电路以及四相限探测器的参数进行调控，以在硬件设置上能对导引头探测系统接收能量进行有效控制。

在进行参数调控时候，采用闭环控制方式，控制芯片同时采集数字电压信号和脉宽信号，首先根据脉宽信号识别外部的激光码型，以排除可能的干扰源，然后，控制芯片根据数字电压信号以获得目标点的位置，控制芯片内预设了合理范围的调节阈值，当数字电压信号不在阈值范围内，对后级放大电路的可变增益和光电探测器的负偏压进行调节，控制芯片控制后级放大电路对光电压信号进行增益放大，然后，控制芯片控制跟随滤波电路对放大后的光电压信号进行降噪，此外，还会控制芯片还会对光电探测器的负偏压进行调节，最终实现对导引头探测系统接收能量的有效控制。

附图说明

图1为本发明提供的能量识别和控制的控制系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明结合比较成熟的PIN型导引头探测算法，结合APD型探测器的特点和技术参数、武器平台的需求、飞行试验条件以及照射器激光能量状态，设计了一种针对该型探测器的硬件电路动态控制以及处理方法，实现对导引头探测系统接收能量的有效控制。

图1为本发明提供的能量识别和控制的控制系统示意图，由图可知，其包括四象限探测器1、光电流转换电路2、后级放大电路3、跟随滤波电路4、AD采样电路5、触发脉宽生成电路6以及控制芯片7，其中，

四象限探测器1连接光电流转换电路2，光电流转换电路2连接后级放大电路3，后级放大电路3连接跟随滤波电路4，跟随滤波电路4同时连接AD采样电路5和触发脉宽生成电路6，AD采样电路5和触发脉宽生成电路6同时连接控制芯片7，控制芯片7同时连接后级放大电路3、跟随滤波电路4以及四相限探测器1，以能对后级放大电路3、跟随滤波电路4以及四相限探测器1的参数进行调控，四象限探测器1上具有光敏面，该光敏面用于感知目标反射回来的激光信号，并将该激光信号转换成四路光电流信号，该四象限探测器使用外部供电，光电转换电路2用于将光电流信号转换成光电压信号，后级放大电路3用于对光电压信号进行增益放大，跟随滤波电路4用于对放大后的光电压信号进行降噪，AD采样电路5用于将四象限对应的四路光电压模拟信号转换成数字电压信号，并将该数字电压信号传输给控制芯片7，触发脉宽生成电路6将四路光电压信号求和，通过自身包含的比较器触发与外界激光信号同频的脉宽信号，并将该脉宽信号传输给控制芯片7，控制芯片7用于根据数字电压信号获得目标点的位置，还用于根据脉宽信号识别外部的激光码型，以排除可能的干扰源。本发明的四象限探测器1优选为APD型光电探测器。

更具体的，四象限探测器1为APD型光电探测器(裸片不带阻放电路)，将光敏面感知的激光信号，转换为四路光电流信号(对应探测器四个象限)；探测器工作需外部供电，其中负偏压大小与光生因子系数关联(同样激光能量，负偏压越高，光电流越大)；光电流转换电路2为跨阻放大电路，将光电流信号转换成电压信号，放大系数固定为21倍；后级放大电路3加入可变增益控制放大器，放大倍数1～40为可调；跟随滤波电路4滤除电路中的部分负噪声信号，减小噪声对探测精度的干扰，主要起到降噪的作用；AD采样电路5，将四象限对应的四路采样模拟信号转换成数字信号，用于检测目标点的位置；触发脉宽生成电路6将四路电压信号求和，通过自身包含的比较器触发与激光信号同频的脉宽信号，用于后续的控制芯片7识别外部的激光码型(激光的频率不同，则其码型不同，激光的码型即为激光的频率)，排除可能的干扰源；控制芯片7用于采集数字信号(电压数字信号)和脉宽信号(激光频率脉宽信号)，并进行分析处理，根据采集的电压大小和采集时刻系统硬件参数(系统硬件参数包括探测器负偏压和后级放大电路可变增益，后级放大电路可变增益即为其放大倍数)，确定当前时刻的激光能量强度，并根据此时激光能量强度，对硬件系统参数进行合理地闭环调节，保证探测电路信号稳定。

控制芯片中内预设了合理范围的调节阈值，对于四路电压和信号，如果在阈值范围±0.5V内，则认为电压信号合理，不对硬件参数(光探和放大电路)进行调节。控制芯片中内设了预定激光码型，检测到的当前时刻的激光码型在预定激光码型±15μs内，同时当期时刻检测到的激光脉宽在0.1μs到1.5μs范围内，则判定其码型正确，以此方式，排除可能的干扰源。只有脉宽信号满足了激光码型要求，才会解算根据采样得到的电压数字信号得到位置信息。

本发明中，硬件系统的参数包括四象限光电探测器的负偏压，通过调节负电压从而可以调整光电流的大小。硬件系统的参数还包括后级放大电路的可变增益，通过调节可变增益可以调节光电流转换电路2的输出电压信号，可以降低光电压信号的信噪比。针对硬件系统参数的闭环控制必须考虑探测系统作用全过程中从最远端到探测盲区的能量波动宽度和作用时间。

本发明系统和方法的实现主要分为以下两个方面：

(1)激光能量信号的能量识别

四象限光电探测器由四个光电二极管组成，将光信号转换成光电流；光电转换电路为常见的跨阻放大电路，将电流信号转换成电压信号；后级放大电路主要将前级电压进行放大，为了提高采样精度，通常会加入可变增益控制的电位器，结合具体调试情况选择合适的运放系数；跟随滤波电路主要是对输入四象限电压信号进行正向滤波，并结合后级采样电路的供电范围进行合理的电压限幅处理；至于AD采样电路则是采集四象限电压信号，进行模数转换，为定位算法提供输入数据支持；触发脉宽生成电路，一方面利用多路电压叠加生成触发脉宽，用于控制芯片波门控制，另一方面同时对触发电压进行阈值滤波处理，防止噪声误触发。

(2)探测硬件电路的可变参数的闭环控制

光电探测器接收能量范围较大(实际上，其远端到盲区跨度超过4千倍)，光电探测器可以实现全范围接收，但是固定增益的电路不可能实现这样的电压范围，因此探测电路中存在可变部分进行调节，一方面针对光电探测器本身的供电偏压进行调节，用于光生因子系数的控制，调整外部进光量，另一方面对后级放大电路的增益系数进行调节，合理对采集光电信号进行放大。通过这些方式，光电探测器能够对接收的外部能量合理地调节探测电路的参数，让探测电路输出电压信号稳定可靠。

本发明公开了一种基于APD探测器的激光导引头能量识别和控制的方法，能量识别过程是探测电路对送入的光电流信号进行转换、放大、滤波，然后得到合适的电压信号送入AD转换芯片，控制芯片采集数字信号分析处理和对比；能量控制过程是结合识别的外部激光能量强度，对探测电路部分可变硬件参数进行实时控制，保证送入采样芯片的电压信号稳定，无剧烈波动。

实施例：

本实例采用的控制芯片为采用TI公司的处理器DSP2812，采样芯片选用ADI公司的采样芯片AD7656。

本探测系统应用过程中8Km接收激光信号，此时激光能量按1个单位计算，125m理论为4048个能量单位；弹体飞行速度平均在2.9马赫左右，考虑到拉偏状态，探测系统工作时间在6～8s。因此，必须控制在6s以内实现硬件参数跨越4048个能量单位的硬件参数匹配。

远端解锁后，偏压为230，增益为140，均为最大；

随着光强变强，增益首先调节到0；(放大电路相应更快)

随着光强变强，增益调节到0后，偏压进行调节；

一共调节范围可以等价为460(220+140)种变化刻度；导引头实际调节时间按7000ms设计，然后考虑到调节次数最大为140(7000/50，常用的激光为50ms的频率)。

目前调节频次为：

增益调节刻度为5，因此增益变化次数为28次；

偏压调节刻度为3，排除末端情况，偏压变化次数为70次；

在100次范围内可以调节完成，硬件闭环控制频率同激光码型频率20Hz，所需时间为5s，满足设计需求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种激光导引头能量控制系统，其特征在于，其包括四象限探测器(1)、光电流转换电路(2)、后级放大电路(3)、跟随滤波电路(4)、AD采样电路(5)、触发脉宽生成电路(6)以及控制芯片(7)，其中，

四象限探测器(1)连接光电流转换电路(2)，光电流转换电路(2)连接后级放大电路(3)，后级放大电路(3)连接跟随滤波电路(4)，跟随滤波电路(4)同时连接AD采样电路(5)和触发脉宽生成电路(6)，AD采样电路(5)和触发脉宽生成电路(6)同时连接控制芯片(7)，控制芯片(7)同时连接后级放大电路(3)、跟随滤波电路(4)以及四相限探测器(1)，以能对后级放大电路(3)、跟随滤波电路(4)以及四相限探测器(1)的参数进行调控，

四象限探测器(1)上具有光敏面，该光敏面用于感知目标反射回来的激光信号，并将该激光信号转换成四路光电流信号，该四象限探测器使用外部供电，

光电流转换电路(2)用于将光电流信号转换成光电压信号，后级放大电路(3)用于对光电压信号进行增益放大，跟随滤波电路(4)用于对放大后的光电压信号进行降噪，AD采样电路(5)用于将四象限对应的四路光电压模拟信号转换成数字电压信号，并将该数字电压信号传输给控制芯片(7)，触发脉宽生成电路(6)将四路光电压信号求和，通过自身包含的比较器触发与外界激光信号同频的脉宽信号，并将该脉宽信号传输给控制芯片(7)，

控制芯片(7)用于根据数字电压信号获得目标点的位置，还用于根据脉宽信号识别外部的激光码型，以排除可能的干扰源。

2.如权利要求1所述的一种激光导引头能量控制系统，其特征在于，所述四象限探测器(1)为APD型光电探测器。

3.一种如权利要求1-2之一所述系统的控制方法，其特征在于，其为闭环控制，

S1：控制芯片(7)同时采集数字电压信号和脉宽信号，

S2：控制芯片(7)首先根据脉宽信号识别外部的激光码型，以排除可能的干扰源，然后，控制芯片(7)根据数字电压信号以获得目标点的位置，

S3：控制芯片(7)内预设了合理范围的调节阈值，具体的，

当数字电压信号在阈值范围±0.5V内，则认为数字电压信号合理，不对后级放大电路(3)的可变增益和光电探测器的负偏压进行调节，跳转至步骤S1，

当数字电压信号不在阈值范围±0.5V内，则认为数字电压信号不合理，对后级放大电路(3)的可变增益和光电探测器的负偏压进行调节，

S4：控制芯片(7)控制后级放大电路(3)对光电压信号进行增益放大，然后，控制芯片(7)控制跟随滤波电路(4)对放大后的光电压信号进行降噪，此外，控制芯片(7)还会对光电探测器的负偏压进行调节，

接着，跳转至步骤S1。

4.如权利要求3所述控制方法，其特征在于，步骤S4中，先进行探测电路可变增益调节，后进行光电探测器偏压调节。

5.如权利要求4所述控制方法，其特征在于，步骤S2中，控制芯片中内设了预定激光码型，检测到的当前时刻的激光码型在预定激光码型±15μs内，同时当期时刻检测到的激光脉宽在0.1μs到1.5μs范围内，则判定其码型正确，以此方式，排除可能的干扰源。

6.如权利要求5所述控制方法，其特征在于，闭环控制频率与外部激光频率同步。