CN111473698A - 一种用于激光半主动导引头光学系统的测角装置 - Google Patents

一种用于激光半主动导引头光学系统的测角装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，包括：光学系统组件、四象限探测器、前置放大电路、主放大电路、模数转换电路和主控单元；其中，光学系统组件位于最前端，用于接收目标漫反射回来的激光束，并筛选出目标激光信号；四象限探测器位于光学系统组件后方，用于探测目标激光信号，将其转换为电流信号；前置放大电路包含跨阻放大器，用于将电流信号转变为电压信号；主放大电路包含压控放大器，用于将电压信号进行放大处理。本发明采用四象限探测器获取光斑信息，通过设计对探测信息的信号处理电路，实现了对共模噪声的有效抑制，同时实现了目标角度的精确测量，实时性好。

Description

一种用于激光半主动导引头光学系统的测角装置
技术领域
本发明涉及激光制导导引装备技术领域，具体涉及一种用于激光半主动导引头光学系统的测角装置。
背景技术
激光半主动导引头在跟踪目标的过程中，由于受到环境及背景因素的影响，往往得不到精确的跟踪指令。究其原因，主要是环境及背景的干扰信号所致；同时在相同的光学系统和探测器的情况下，造成跟踪指令不精确还由于在探测到目标的情况下，对角度信息处理的不精确、不及时，因此，如何消除环境及背景的干扰信号，利用激光实时、精确的测量目标的角度信息对于导弹的精确制导至关重要。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，采用四象限探测器获取光斑信息，通过设计对探测信息的信号处理电路，实现了对共模噪声的有效抑制，同时实现了目标角度的精确测量，实时性好。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，包括：光学系统组件、四象限探测器、前置放大电路、主放大电路、模数转换电路和主控单元；其中，所述光学系统组件位于测角装置的最前端，用于接收目标漫反射回来的激光束，并筛选出目标激光信号，将目标激光信号汇聚于四象限探测器的光敏面上；
所述四象限探测器位于光学系统组件后方，用于探测目标激光信号，将目标激光信号转换为电流信号，并将该电流信号传输至前置放大电路；
所述前置放大电路包含跨阻放大器，且为四路并行电路，用于将四象限探测器每个象限的电流信号转变为电压信号，并将该电压信号传输至主放大电路；
所述主放大电路包含压控放大器，且为四路并行电路，用于将每路电压信号进行放大处理，使其满足模数转换处理的要求后传入模数转换电路；
所述模数转换电路将模拟电压信号转变为数字信号后传入主控单元；
所述主控单元根据传入的数字信号计算出偏角信息；同时生成门控信号控制模数转换电路对模拟电压信号的采样过程。
本发明技术方案的特点和进一步的改进在于：
进一步地，所述光学系统组件为透射式光学系统，由前后依次同轴设置的滤光片、第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜组成。
更进一步地，所述第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜的半径依次减小，厚度依次增加。
进一步地，所述前置放大电路包含依次电连接的跨阻放大模块和第一峰值保持模块，跨阻放大模块将每个象限的电流信号转换成电压信号后再进行放大，放大后的电压信号通过第一峰值保持模块得到与该电脉冲的峰值成比例的脉冲信号。
进一步地，所述主放大电路包含依次电连接的模拟运算模块、第二峰值保持模块、归一化模块和功率放大模块；所述模拟运算模块采用和差模拟运算对峰值保持后的脉冲信号进行处理，得到反映目标x方向的脉冲信号Ux、反映目标y方向的脉冲信号Uy和反映目标光斑总能量的脉冲信号U∑；该三个脉冲信号分别经过第二峰值保持模块进行信号拓展后，对应形成拓展后的脉冲信号Uxh、Uyh及U∑h；归一化模块对拓展后的脉冲信号Uxh和Uyh分别进行归一化处理，输出反映目标光斑偏离导引头中心的距离信息的信号UxH和UyH；功率放大模块分别对UxH和UyH进行功率放大，并将放大后信号传入主控单元进行偏角计算；
其中，x方向、y方向与四象限探测器的x轴、y轴对应；Uxh为扩展后的反映目标x方向的脉冲信号，Uyh为扩展后的反映目标y方向的脉冲信号，U∑h为扩展后的反映目标光斑总能量的脉冲信号。
更进一步地，所述反映目标x方向的脉冲信号Ux、反映目标y方向的脉冲信号Uy和反映目标光斑总能量的脉冲信号U∑的获取过程为；
Ux＝K[(A+D)-(B+C)]
Uy＝K[(A+B)-(C+D)]
U∑＝K′(A+D+B+C)，
其中，A、B、C、D分别表示与四象限探测器的第一象限、第二象限、第三象限、第四象限对应的峰值保持后的脉冲信号，K为距离比例系数，K′为能量比例系数；
所述归一化处理为：
UxH＝Uxh/U∑h
UyH＝Uxh/U∑h；
其中，UxH为反映目标光斑在x方向偏离导引头中心的距离，UxH反映目标光斑在y方向偏离导引头中心的距离。
进一步地，所述四象限探测器为四象限硅光电探测器。
进一步地，所述跨阻放大电路采用NE5210型号作为集成跨阻放大器，其在-3db的带宽为200MHz。
进一步地，所述压控放大电路采用压控放大器型号为AD8330，其输入信号和输出信号分别为差分信号。
进一步地，所述模数转换电路采用200Mbps高速AD转换器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用四象限探测器作为激光探测接收部件，通过并行四路放大电路及每个放大电路的设计，通过二级峰值保持模块实现了角度信息的准确测量，保证了实时性；通过跨阻放大器和压控放大器的两级联合作用，有效消除了环境及背景带来的共模噪声干扰信号，大大提高了装置测角的准确性，且装置成本低。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明实施例的一种用于激光半主动导引头光学系统的测角装置的结构连接示意图；
图2为本发明实施例的光学系统组件的内部结构图；
图3为本发明实施例的前置放大电路和主放大电路的结构连接示意图。
以上图中，1光学系统组件；101滤光片；102第一凸透镜；103第二凸透镜；104第三凸透镜；2四象限探测器；3前置放大电路；301跨阻放大模块；302第一峰值保持模块；4主放大电路；401模拟运算模块；402第二峰值保持模块；403归一化模块；404功率放大模块；5模数转换电路；6主控单元。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
参考图1，本发明提供一种用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，包括：光学系统组件、四象限探测器、前置放大电路、主放大电路、模数转换电路和主控单元；其中，所述光学系统组件位于测角装置的最前端，用于接收目标漫反射回来的激光束，并筛选出目标激光信号，将目标激光信号汇聚于四象限探测器的光敏面上；
所述四象限探测器位于光学系统组件后方，用于探测目标激光信号，将目标激光信号转换为电流信号，并将该电流信号传输至前置放大电路；
所述前置放大电路包含跨阻放大器，且为四路并行电路，用于将四象限探测器每个象限的电流信号转变为电压信号，并将该电压信号传输至主放大电路；
所述主放大电路包含压控放大器，且为四路并行电路，用于将每路电压信号进行放大处理，使其满足模数转换处理的要求后传入模数转换电路；
所述模数转换电路将模拟电压信号转变为数字信号后传入主控单元；
所述主控单元根据传入的数字信号计算出偏角信息；同时生成门控信号控制模数转换电路对模拟电压信号的采样过程。
以上实施例中，场外制导激光器照射目标，激光束在目标表面发生漫反射，漫反射回来的激光束被位于测角装置最前端的光学系统组件接收，滤除选定波长以外的其他波长的信号，得到目标激光信号，并将其汇聚在四象限探测器的光敏面上；四象限光电探测器将探测到的目标激光信号转换为电流信号，每个象限对应一个电流信号，电流信号的大小与每个象限的光斑面积呈正比，并将该电流信号传输至前置放大电路；前置放大电路包含跨阻放大器，能够抑制共模噪声，实现I-V转换，主放大电路包含压控放大器，通过电压控制将微弱的电压信号放大到满足后级处理的要求后送入200Mbps高速模数转换电路(ADC)，能够进一步地抑制系统的共模噪声，提高信号准确性。高速ADC电路将放大器输出的模拟信号转换为处理器可以处理的数字信号。本实施的主控单元选择FPGA，生成门控信号实现对高速ADC采样流程的控制，同时完成对数据信息的处理解算，得到偏角信息。最终通过RS485上传给上位机软件。本发明采用四象限探测器获取光斑信息，并通过与四象限对应的四路并行的信号放大处理，完成目标反射激光信息的有效获取和快速处理，每一路信号放大处理中设置跨阻放大器和压控放大器，实现两级级联抑制共模噪声，有效消除了环境及背景带来的共模噪声干扰信号，大大提高了装置测角的准确性，且装置成本低。
参考图2，根据本发明的一个实施例，光学系统组件为透射式光学系统，由前后依次同轴设置的滤光片、第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜组成。所述第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜的半径依次减小，厚度依次增加。以上实施例中，目标漫反射回来的激光束首先经过滤光片，过滤掉多余光谱波段的光信号，使特定波段的光信号透过；该光信号再通过半径依次减小，厚度依次增加的第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜的聚焦作用，使聚焦光斑最终落在四象限探测器的光敏面上，通过三个凸透镜的设计，使得最终聚焦光斑的亮度大，光能量损失小，利于后续的信号处理过程。
参考图3，根据本发明的一个实施例，图3中Ar、Br、Cr、Dr是目标光斑落在四象限探测器的各象限区内后，经光电探测器转换后对应于各象限的电脉冲信号。所述前置放大电路包含依次电连接的跨阻放大模块和第一峰值保持模块，跨阻放大模块的核心部件为跨阻放大器，将每个象限的电流信号Ar、Br、Cr、Dr转换成电压信号后再进行放大，放大后的电压信号通过第一峰值保持模块得到与该电脉冲的峰值成比例的脉冲信号。
进一步地，参考图3，所述主放大电路包含依次电连接的模拟运算模块、第二峰值保持模块、归一化模块和功率放大模块；所述模拟运算模块采用和差模拟运算对峰值保持后的脉冲信号进行处理，得到反映目标x方向的脉冲信号Ux、反映目标y方向的脉冲信号Uy和反映目标光斑总能量的脉冲信号U∑；该三个脉冲信号分别经过第二峰值保持模块进行信号拓展后，对应形成拓展后的脉冲信号Uxh、Uyh及U∑h；归一化模块对拓展后的脉冲信号Uxh和Uyh分别进行归一化处理，输出反映目标光斑偏离导引头中心的距离信息的信号UxH和UyH；功率放大模块分别对UxH和UyH进行功率放大，并将放大功率后的信号传入主控单元进行偏角计算；
其中，x方向、y方向与四象限探测器的x轴、y轴对应；Uxh为扩展后的反映目标x方向的脉冲信号，Uyh为扩展后的反映目标y方向的脉冲信号，U∑h为扩展后的反映目标光斑总能量的脉冲信号。
所述反映目标x方向的脉冲信号Ux、反映目标y方向的脉冲信号Uy和反映目标光斑总能量的脉冲信号U∑的获取过程为：
Ux＝K[(A+D)-(B+C)]
Uy＝K[(A+B)-(C+D)]
U∑＝K′(A+D+B+C)，
其中，A、B、C、D分别表示与四象限探测器的第一象限、第二象限、第三象限、第四象限对应的峰值保持后的脉冲信号，K为距离比例系数，K′为能量比例系数；
所述归一化处理为：
UxH＝Uxh/U∑h
UyH＝Uxh/U∑h；
其中，UxH为反映目标光斑在x方向偏离导引头中心的距离，UxH反映目标光斑在y方向偏离导引头中心的距离。
偏角的计算过程为：根据UxH和UyH进行功率放大后的信号UxHm和UyHm计算UyHm/UxHm得到角度的正切值，进而得到角度值，再通过脉宽调制器驱动伺服转台转动，实现光轴的调转和跟踪。
进一步地，参考图1和图2，本发明实施例的四象限探测器为四象限硅光电探测器GT111，它具有响应速度快、盲区小、噪声低、均匀性、对称性好。
进一步地，所述跨阻放大电路采用NE5210型号作为集成跨阻放大器，其在-3db的带宽为200MHz。具体地，跨阻放大器为Philips公司生产的NE5210集成跨阻放大器，具有噪声低，带宽宽和跨阻适中等优点，其输出为差分形式，有利于抑制共模噪声。NE5210的差分跨阻值为7kΩ，故前置放大电路的增益为38db；NE5210的-3dB带宽为200MHz，电路中不存在其他形式的低通电路，因此上限截止频率可认为是200MHz，它能对脉宽在20ns的信号脉冲不失真的进行放大，提高测角准确性。
进一步地，所述压控放大电路采用压控放大器型号为AD8330，其输入信号和输出信号分别为差分信号，有利于抑制共模噪声。具体地，压控放大电路的作用是对跨阻放大模块的输出电压信号进行放大，并且可以通过电压控制电路增益，理想的情况是输出电压信号不随距离变化。本实施例的压控放大器为AD公司生产的AD8330，它具有增益调整范围大、噪声低和带宽高等优点。它还具有另外一个显著优点是带宽在整个增益范围内都固定，具有线性增益控制和指数增益控制两种增益控制方法。
进一步地，参考图1，所述模数转换电路采用200Mbps高速AD转换器。具体地，采用National型号为ADC08200CIMI的高速AD转换器，该模数转换器具有体积小、功耗低、单端输入的特点。
本实施例的主控单元FPGA主要实现对高速ADC的控制采样过程、数据的处理和解算、偏角信息的RS485传输和门控信号的输出。采用型号为Cyclone II系列芯片作为主控单元，具有低成本、低功耗、最多达68416个逻辑单元(LE)和1.1M比特的嵌入式存储器的优点，及简便易读可移植性好的特点。
本发明的激光半主动导引头测角装置经过四象限光电探测器接收被目标漫反射回来的激光光波，通过前置放大电路和主放大电路，200Mbps高速模数转换电路和FPGA主控单元完成对目标空间角度信息的实时测量处理，有效地抑制了系统中的共模噪声，可得到精确的角度信息指令，使得导弹舵机系统依据该角度信息，及时驱动调整飞行方向，实现对目标的精确跟踪打击。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，其特征在于，包括：光学系统组件、四象限探测器、前置放大电路、主放大电路、模数转换电路和主控单元；其中，所述光学系统组件位于测角装置的最前端，用于接收目标漫反射回来的激光束，并筛选出目标激光信号，将目标激光信号汇聚于四象限探测器的光敏面上；
所述四象限探测器位于光学系统组件后方，用于探测目标激光信号，将目标激光信号转换为电流信号，并将该电流信号传输至前置放大电路；
所述前置放大电路包含跨阻放大器，且为四路并行电路，用于将四象限探测器每个象限的电流信号转变为电压信号，并将该电压信号传输至主放大电路；
所述主放大电路包含压控放大器，且为四路并行电路，用于将每路电压信号进行放大处理，使其满足模数转换处理的要求后传入模数转换电路；
所述模数转换电路将模拟电压信号转变为数字信号后传入主控单元；
所述主控单元根据传入的数字信号计算出偏角信息；同时生成门控信号控制模数转换电路对模拟电压信号的采样过程。
2.根据权利要求1所述的用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，其特征在于，所述光学系统组件为透射式光学系统，由前后依次同轴设置的滤光片、第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜组成。
3.根据权利要求2所述的用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，其特征在于，所述第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜的半径依次减小，厚度依次增加。
4.根据权利要求1所述的用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，其特征在于，所述前置放大电路包含依次电连接的跨阻放大模块和第一峰值保持模块，跨阻放大模块将每个象限的电流信号转换成电压信号后再进行放大，放大后的电压信号通过第一峰值保持模块得到与该电脉冲的峰值成比例的脉冲信号。
5.根据权利要求4所述的用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，其特征在于，所述主放大电路包含依次电连接的模拟运算模块、第二峰值保持模块、归一化模块和功率放大模块；所述模拟运算模块采用和差模拟运算对峰值保持后的脉冲信号进行处理，得到反映目标x方向的脉冲信号Ux、反映目标y方向的脉冲信号Uy和反映目标光斑总能量的脉冲信号U∑；该三个脉冲信号分别经过第二峰值保持模块进行信号拓展后，对应形成拓展后的脉冲信号Uxh、Uyh及U∑h；归一化模块对拓展后的脉冲信号Uxh和Uyh分别进行归一化处理，输出反映目标光斑偏离导引头中心的距离信息的信号UxH和UyH；功率放大模块分别对UxH和UyH进行功率放大，并将放大后信号传入主控单元进行偏角计算；
其中，x方向、y方向与四象限探测器的x轴、y轴对应；Uxh为扩展后的反映目标x方向的脉冲信号，Uyh为扩展后的反映目标y方向的脉冲信号，U∑h为扩展后的反映目标光斑总能量的脉冲信号。
6.根据权利要求5所述的用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，其特征在于，所述反映目标x方向的脉冲信号Ux、反映目标y方向的脉冲信号Uy和反映目标光斑总能量的脉冲信号U∑的获取过程为：
Ux＝K[(A+D)-(B+C)]
Uy＝K[(A+B)-(C+D)]
U∑＝K′(A+D+B+C)，
其中，A、B、C、D分别表示与四象限探测器的第一象限、第二象限、第三象限、第四象限对应的峰值保持后的脉冲信号，K为距离比例系数，K′为能量比例系数；
所述归一化处理为：
UxH＝Uxh/U∑h
UyH＝Uxh/U∑h；
其中，UxH为反映目标光斑在x方向偏离导引头中心的距离，UxH反映目标光斑在y方向偏离导引头中心的距离。
7.根据权利要求1所述的用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，其特征在于，所述四象限探测器为四象限硅光电探测器。
8.根据权利要求1所述的用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，其特征在于，所述跨阻放大电路采用NE5210型号作为集成跨阻放大器，其在-3db的带宽为200MHz。
9.根据权利要求1所述的用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，其特征在于，所述压控放大电路采用压控放大器型号为AD8330，其输入信号和输出信号分别为差分信号。
10.根据权利要求1所述的用于激光半主动导引头光学系统的测角装置，其特征在于，所述模数转换电路采用200Mbps高速AD转换器。
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