李海廷，胡 鑫，曾 雙，李少波，周國(guó)家，隋 峻，魯 強(qiáng)，付培志

(西南技術(shù)物理研究所， 成都 610041)

引 言

半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器由于具有制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、通用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，一直在局部戰(zhàn)爭(zhēng)中占據(jù)重要地位，從20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始就得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)役裝備中半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器的典型代表為[1]：美國(guó)的Paveway和俄羅斯的KAB-1500L激光制導(dǎo)炸彈；美國(guó)Hellfire、AGM-65E、法國(guó)AS-30L和俄羅斯X-25ML激光制導(dǎo)導(dǎo)彈；美國(guó)銅斑蛇、俄羅斯紅土地、以色列火球等激光制導(dǎo)炮彈；以及美國(guó)BAE公司的AKPWS-Ⅱ[2]和洛克希德馬丁公司的DAGR激光制導(dǎo)火箭彈等。

由半主動(dòng)激光制導(dǎo)技術(shù)的原理可知，在激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭信息處理電路中，具有4個(gè)相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集通道，而由于通路上分立器件(電阻、電容、電感和放大器)的精度誤差，以及數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程中對(duì)模擬信號(hào)的量化誤差，會(huì)導(dǎo)致4個(gè)采集通道的對(duì)相同輸入信號(hào)的響應(yīng)度不一致。該不一致性會(huì)致使導(dǎo)引頭輸出的俯仰、偏航兩個(gè)方向的目標(biāo)指向都存在一個(gè)偏移量，從而降低激光制導(dǎo)導(dǎo)彈(或者炸彈)的打擊精度。傳統(tǒng)的不一致性校正方法是在信息處理器中，對(duì)4個(gè)采集通道采用系數(shù)修正的方式進(jìn)行校正。國(guó)外文獻(xiàn)中未看到相關(guān)技術(shù)的論述，而國(guó)內(nèi)僅參考文獻(xiàn)[3]中論述了通路不一致性的校正方法，但是該方案中尚存在一些不足之處，在實(shí)際應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)。

本文中針對(duì)上述工程應(yīng)用中對(duì)4個(gè)采集通道響應(yīng)不一致性校正的實(shí)際需求進(jìn)行了深入研究和探索，重點(diǎn)研究了信息處理處理電路中的增益控制電路，分析了其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并給出了一種增益控制電路的設(shè)計(jì)原理圖，提出了一種基于該增益控制電路的通道間響應(yīng)度不一致性的校正方法。該方法針對(duì)導(dǎo)彈(或者炸彈)實(shí)際飛行過(guò)程中的各個(gè)離散增益點(diǎn)，進(jìn)行不一致性校正。經(jīng)過(guò)線性區(qū)測(cè)試和半實(shí)物仿真驗(yàn)證,采用該方法校正后可明顯提高制導(dǎo)精度。

1 半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器工作原理和系統(tǒng)組成

半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)由激光照射器和激光制導(dǎo)導(dǎo)彈或者炸彈組成，激光照射器獨(dú)立于導(dǎo)彈之外，可由單兵地面手持照射目標(biāo)，也可由機(jī)載照射吊艙由空中照射目標(biāo)。在激光制導(dǎo)武器搜索、跟蹤目標(biāo)的過(guò)程中，接收激光照射器照射到目標(biāo)上的漫反射回波，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚在四象限激光探測(cè)器光敏面上，形成光斑，通過(guò)計(jì)算四象限探測(cè)器上光斑重心的位置，得到光軸在俯仰、偏航兩個(gè)方向上與目標(biāo)的夾角，并發(fā)送給綜合控制器，形成制導(dǎo)回路[4]。半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of semi-active laser guided weapon system

平臺(tái)式激光導(dǎo)引頭主要由光學(xué)系統(tǒng)、四象限激光探測(cè)器、激光信息處理板、綜合控制器和二次電源模塊組成，如圖2所示。

Fig.2 Block diagram of platform laser seeker

2 影響制導(dǎo)精度的主要因素分析

在激光制導(dǎo)導(dǎo)彈(或者炸彈)中，激光信息處理器的原理框圖如圖3所示。以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)為核心處理器，為激光探測(cè)器提供控制信號(hào)，并將其輸出的4路單端模擬信號(hào)經(jīng)高通濾波和電壓驅(qū)動(dòng)后，送入可變?cè)鲆娣糯笃?variable gain amplifier,VGA)進(jìn)行放大，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣并送入FPGA，最終將處理結(jié)果通過(guò)RS422輸出。

Fig.3 Schematic diagram of laser information processor

按照激光信號(hào)的傳輸路徑和處理流程，可將影響激光制導(dǎo)尋的器測(cè)角精度的因素分為外部環(huán)境因素和系統(tǒng)內(nèi)部因素[3]。其中外部環(huán)境因素主要為大氣湍流引起測(cè)角誤差[5-6]。系統(tǒng)內(nèi)部因素主要包括探測(cè)器安裝誤差、探測(cè)器性能引起的誤差以及激光信號(hào)處理電路導(dǎo)致的誤差[3]。這些誤差會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)引頭的線性度變差，從而降低激光導(dǎo)引頭的制導(dǎo)精度和打擊目標(biāo)時(shí)的命中精度。下面主要討論激光信息處理電路引起的制導(dǎo)誤差。

假設(shè)UA，UB，UC，UD分別為入射光斑在激光探測(cè)器A,B,C,D4個(gè)象限產(chǎn)生的光電壓，由激光制導(dǎo)的基本原理可知，如果4個(gè)通道對(duì)漫反射激光的響應(yīng)度是完全一致的，則導(dǎo)引頭在俯仰和偏航方向相對(duì)光軸的偏差可由以下公式計(jì)算得到[4]：

(1)

(2)

信息處理電路中導(dǎo)致采集通道響應(yīng)存在差異的主要原因包括：(1)模擬信號(hào)調(diào)理通道，包括放大器和濾波器等環(huán)節(jié)中分立器件(放大器、電阻、電容和電感等)的誤差造成的響應(yīng)不一致性；(2)數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程中對(duì)模擬信號(hào)的量化過(guò)程中導(dǎo)致的不一致性。

以上兩個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的響應(yīng)不一致性，會(huì)導(dǎo)致4個(gè)采集通道對(duì)相同特性輸入信號(hào)的響應(yīng)度產(chǎn)生差異，從而致使根據(jù)(1)式、(2)式計(jì)算出來(lái)的光軸在俯仰、偏航兩個(gè)方向上與目標(biāo)的夾角存在一個(gè)固定的偏移量，最終降低激光制導(dǎo)導(dǎo)彈(或者炸彈)的打擊精度。按照傳統(tǒng)的不一致性校正方法，在信息處理器中，對(duì)4個(gè)采集通道采用系數(shù)修正的方式進(jìn)行校正。假設(shè)以A路為基準(zhǔn)，這時(shí)計(jì)算兩個(gè)方向偏差的公式就變?yōu)?

Δx=

(3)

Δy=

(4)

式中,kB,kC和kD分別是B,C,D3個(gè)通道的校正系數(shù)。

然而，(3)式和(4)式為理論計(jì)算方法，由于激光信息處理電路中，在導(dǎo)彈(或者炸彈)飛行過(guò)程中，需要根據(jù)接收激光能量的強(qiáng)弱，通過(guò)VGA電路動(dòng)態(tài)調(diào)整放大電路的增益，而在不同增益點(diǎn)，4個(gè)信號(hào)通道的響應(yīng)也存在差異。圖4為未經(jīng)過(guò)校正的4個(gè)采集通道在不同增益點(diǎn)的響應(yīng)不一致性曲線。從圖中可以看出，在不同增益點(diǎn)，4個(gè)通道的響應(yīng)存在明顯差異，所以要在全接收能量范圍都保持4個(gè)采集通道具有較好的響應(yīng)一致性，就需要對(duì)不同增益點(diǎn)分別計(jì)算一組校正系數(shù)，而對(duì)于采用FPGA作為處理器的系統(tǒng)，(3)式和(4)式中的小數(shù)乘法運(yùn)算不僅耗費(fèi)邏輯資源，還會(huì)增加處理延時(shí)，所以在真正的工程實(shí)踐中很難實(shí)現(xiàn)。

Fig.4 Response inconsistency curves for four channels at different VGA gain points

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，在FPGA程序中每增加一個(gè)16位定點(diǎn)乘法器，綜合后，占用的邏輯資源增加0.1%，功耗增加約0.04%，而增加的處理延時(shí)約為200ns(假設(shè)輸入時(shí)鐘頻率為150MHz)，所以如果在每個(gè)離散增益點(diǎn)都采用傳統(tǒng)的系數(shù)校正方法進(jìn)行校正，產(chǎn)生的邏輯資源、功耗和處理延時(shí)的開(kāi)銷對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用極為不利。

3 半主動(dòng)激光制導(dǎo)技術(shù)中增益控制電路的研究

本文中研究的不一致性校正方法是基于接收電路中的自動(dòng)增益控制電路，所以首先討論自動(dòng)增益控制電路的原理及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。在半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器中采用的四象限激光探測(cè)器，其動(dòng)態(tài)范圍有限(一般是設(shè)置兩級(jí)衰減，動(dòng)態(tài)總共為50dB～125dB)，而在導(dǎo)彈(或者炸彈)從發(fā)射到命中目標(biāo)的整個(gè)飛行過(guò)程中，接收到的激光能量的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍，所以必須在信息處理電路中增加可變?cè)鲆娣糯箅娐?，根?jù)接收到的激光回波強(qiáng)弱，動(dòng)態(tài)調(diào)整放大倍數(shù)，以使得信號(hào)幅度始終處于最佳采集范圍，從而保證在導(dǎo)彈飛行過(guò)程中，可以在接收到的全信號(hào)幅度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度制導(dǎo)。

在設(shè)計(jì)自動(dòng)增益放大電路時(shí)需重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)因素：(1)輸入信號(hào)幅度范圍；(2)系統(tǒng)需要的動(dòng)態(tài)范圍。

本文中設(shè)計(jì)的自動(dòng)增益控制電路，輸入模擬信號(hào)幅度范圍為0V～5V，系統(tǒng)所需的自動(dòng)增益控制電路的動(dòng)態(tài)范圍不小于40dB。本文中研究的不一致性校正方法，對(duì)增益控制電路有特殊的要求，即在設(shè)計(jì)VGA電路時(shí)必須采用單通道VGA芯片，以避免雙路和4路VGA芯片片內(nèi)通道間存在的增益不一致性對(duì)校正結(jié)果的影響。模擬調(diào)理電路和VGA電路的原理圖如圖5所示。在本方案中，差分驅(qū)動(dòng)放大器采用ADI公司的ADA4937,VGA芯片采用ADI公司的AD8330，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(digital-to-analog converter，DAC)芯片采用ADI公司的AD5324。四象限激光探測(cè)器輸出的4路單端模擬信號(hào)經(jīng)高通濾波后，由ADA4937構(gòu)成的差分驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)后，送入由AD8330構(gòu)成的VGA電路進(jìn)行放大，使信號(hào)幅度始終處于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)的最佳采集范圍。DAC芯片AD5324用于調(diào)節(jié)VGA的增益。

Fig.5 Schematic design of gain control circuit

為了研究基于增益放大電路的不一致性校正方法，本方案中選用的VGA芯片AD8330屬于單通道模擬控制VGA，即由輸入到其增益控制管腳VDBS的模擬電壓來(lái)調(diào)節(jié)VGA的增益，VGA增益與輸入的模擬控制電壓是線性關(guān)系，當(dāng)輸入到VDBS管腳的電壓為(0～1.5)V 時(shí)，對(duì)應(yīng)的VGA電路的增益調(diào)節(jié)范圍為(0～50)dB，即調(diào)整率為30mV/dB， 輸入增益控制電壓與VGA增益的關(guān)系曲線如圖6所示。

Fig.6 Input gain control voltage vs. VGA gain

為了適應(yīng)本文中提出的基于增益控制電路的不一致性校正方法，并考慮到信息處理板的體積、功耗以及成本等因素，本方案中采用四輸出通道的12bit DAC(ADI公司的AD5324)實(shí)現(xiàn)VGA的增益調(diào)節(jié)，該芯片的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)輸入采用串行外設(shè)接口(serial peripheral interface，SPI)接口，其獨(dú)立的4路輸出電壓，分別用于調(diào)整4路VGA的增益。在實(shí)際使用中，通過(guò)FPGA設(shè)置送往DAC的12bit數(shù)據(jù)，改變DAC輸出的4路模擬電壓值，從而達(dá)到調(diào)節(jié)VGA增益的目的。

4 基于自動(dòng)增益控制電路的通道響應(yīng)不一致性校正方法

有些文獻(xiàn)中提出了4個(gè)通道不一致性校正方法[3]，但是都是采用基于傳統(tǒng)的系數(shù)修正的方式，而且沒(méi)有討論通道不一致性和VGA增益的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，在導(dǎo)彈(或者炸彈)飛行的過(guò)程中，根據(jù)接收到激光能量的強(qiáng)弱，動(dòng)態(tài)調(diào)整VGA增益，但是調(diào)節(jié)的過(guò)程中并不需要連續(xù)調(diào)節(jié)VGA電路增益，而是使用有限的固定增益點(diǎn)，例如3倍、5倍、9倍和12倍等等，如果針對(duì)這些固定增益點(diǎn)進(jìn)行不一致性校正，即可滿足系統(tǒng)對(duì)制導(dǎo)精度的要求。

本文中提出的不一致性校正方法的思路是基于第3節(jié)中的增益控制電路，針對(duì)在導(dǎo)彈(或者炸彈)從發(fā)射到命中目標(biāo)的整個(gè)飛行過(guò)程中設(shè)置的各個(gè)離散增益點(diǎn)，給信息處理電路的4個(gè)采集通道輸入4路參量完全相同的正弦波(固定頻率為5MHz，根據(jù)VGA增益的大小設(shè)置相應(yīng)的幅度)，根據(jù)要達(dá)到的響應(yīng)一致性范圍，動(dòng)態(tài)調(diào)整VGA的增益，達(dá)到一致性校正的目的。

需要設(shè)計(jì)專門的VGA增益一致性校正、測(cè)試軟件，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器給激光信息處理板輸入4路相同的單端模擬信號(hào)，測(cè)試軟件給FPGA寄存器下發(fā)VGA增益配置指令，設(shè)定需要測(cè)試的增益值，然后下發(fā)峰值檢測(cè)指令，獲取輸出的4路ADC通道采集到的峰值，然后對(duì)比4個(gè)通道峰值，以峰值最小的一個(gè)通道作為基準(zhǔn)，根據(jù)要達(dá)到的一致性范圍，微調(diào)用于調(diào)整VGA增益的DAC的數(shù)據(jù)。校正軟件的校正流程如圖7所示。

Fig.7 Calibration software calibration process

校正過(guò)程中，通過(guò)校正軟件將滿足增益一致性要求的用于調(diào)節(jié)VGA的4路DAC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH(一種非易失性內(nèi)存)特定的存儲(chǔ)單元中，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)系統(tǒng)選定的特定增益點(diǎn)，從相應(yīng)存儲(chǔ)地址對(duì)應(yīng)的FLASH存儲(chǔ)單元中讀取對(duì)應(yīng)的用于產(chǎn)生DAC的4路輸出電壓的12bit數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地利用該校正數(shù)據(jù)產(chǎn)生4路模擬電壓，將4路VGA增益設(shè)置成為一致性較好的狀態(tài)，從而起到不一致性校正的目的。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，利用查表法進(jìn)行不一致校正，假設(shè)A,B,C,D分別代表四象限激光探測(cè)器的4個(gè)象限對(duì)應(yīng)的4路信號(hào)，如果是以A路信號(hào)為基準(zhǔn)，在3倍(9.5dB)增益時(shí)，對(duì)B路信號(hào)進(jìn)行校正，假設(shè)對(duì)VGA配置增益為3倍(9.5dB)增益時(shí)，DAC的12bit數(shù)據(jù)為D0，校正的目標(biāo)偏差范圍為σ。通過(guò)校正軟件測(cè)試B路信號(hào)與A路信號(hào)峰值的差值為Δx，假設(shè)Δx>σ，則以十進(jìn)制數(shù)1為步進(jìn)將送往DAC的B路模擬電壓對(duì)應(yīng)的12bit數(shù)據(jù)增加致D0+1，寫(xiě)入DAC，重新設(shè)定VGA增益后，再重復(fù)上述過(guò)程，直至到第N次，ΔxN<σ,將此時(shí)的12bit數(shù)據(jù)D0+N寫(xiě)入FLASH相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，作為B路信號(hào)的校正數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中，到接收到的激光能量與3倍增益匹配時(shí)，從FLASH相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中讀出該校正數(shù)據(jù)，并以此設(shè)置VGA增益。對(duì)C路和D路信號(hào)重復(fù)上述校正過(guò)程，最終可使得4路信號(hào)的一致性都在要求的σ范圍內(nèi)，從而達(dá)到一致性校正的目的。

5 試驗(yàn)和半實(shí)物仿真驗(yàn)證

對(duì)于激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭而言，線性區(qū)是衡量其制導(dǎo)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，線性區(qū)曲線越是接近于直線，則表明其制導(dǎo)精度越高[7-10]。為了驗(yàn)證該校正方法的效果，對(duì)一個(gè)視場(chǎng)范圍為±4°的激光導(dǎo)引頭進(jìn)行校正前后線性區(qū)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8和圖9所示。對(duì)比圖中的線性區(qū)曲線可以看出，經(jīng)校正后的線性區(qū)曲線更接近于直線，表明其線性度越好，測(cè)角精度更高，對(duì)于伺服平臺(tái)而言，可明顯提高控制精度。

Fig.8 Calibration curve of horizontal direction linear area

Fig.9 Calibration curve of azimuth direction linear area

半實(shí)物仿真是以最接近導(dǎo)彈(或炸彈)真實(shí)的飛行過(guò)程的方式評(píng)估其命中精度的手段。一般采用圓概率偏差(circular error probable，CEP) 描述導(dǎo)彈命中精度[11-12]。為了更加充分地驗(yàn)證本文中提出的不一致性校正方法對(duì)制導(dǎo)精度的影響，還通過(guò)半實(shí)物仿真進(jìn)行了驗(yàn)證，針對(duì)同一枚導(dǎo)引頭產(chǎn)品，對(duì)采用該校正方法前后的狀態(tài)分別進(jìn)行了3次半實(shí)物彈道仿真，CEP統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。在仿真過(guò)程中，為了排除信噪比變化對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生的影響，使激光目標(biāo)模擬器的能量保持恒定，從而保證信息處理電路的VGA處于相同的增益點(diǎn)。

Table 1 Statistical table of miss distance in semi-physical simulation

由于本文中提出的校正方法，針對(duì)實(shí)際使用的各離散增益點(diǎn)，對(duì)4個(gè)采集通道的輸出響應(yīng)進(jìn)行精確校正，從而最大程度地減小了導(dǎo)引頭輸出的俯仰、偏航兩個(gè)方向上與目標(biāo)夾角的偏移量，最終達(dá)到提高制導(dǎo)精度的目的。

通過(guò)表中半實(shí)物仿真脫靶量數(shù)據(jù)可以看出，校正后可以將CEP數(shù)值降低約50%,理論上可以明顯提高激光導(dǎo)引頭的制導(dǎo)精度和打擊精度。

6 結(jié) 論

針對(duì)半主動(dòng)激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭中對(duì)4個(gè)采集通道響應(yīng)不一致性校正的實(shí)際需求，進(jìn)行了深入研究和探索，重點(diǎn)研究了信息處理處理電路中的增益控制電路，分析了其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并給出了一種增益控制電路的設(shè)計(jì)原理圖，提出了一種基于該增益控制電路的通道間響應(yīng)度不一致性校正方法，該方法針對(duì)導(dǎo)彈(或者炸彈)實(shí)際飛行過(guò)程中的各個(gè)離散增益點(diǎn)，進(jìn)行不一致性校正。通過(guò)校正前后實(shí)測(cè)的線性區(qū)標(biāo)定曲線和半實(shí)物仿真脫靶量的對(duì)比，驗(yàn)證了該校正方法的效果。該校正方法具有校正效率高、校正精度高、資源開(kāi)銷低和易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。