低速飞行器弹道末段激光半主动目标方位探测技术研究

摘要

为了应对新型现代战场的需求，针对常规单兵火箭弹这类无控低速飞行器经过增程发射后落点散布大的问题，将原有的无控低速飞行器进行低成本制导化改造。其方式是把导弹中的弹道修正技术经过改造应用到单兵火箭弹等低速飞行器中，通过在飞行弹道上的一次或两次修正，减少无控低速飞行器的落点偏差，提高战场效费比。但是考虑到低速飞行器发射时需承受一定发射过载的特点，并考虑到低速飞行器口径较小，以及末段弹道不稳定的特性，因此不能直接照搬较成熟的导弹制导技术。另外，激光半主动目标方位探测技术具有抗电磁干扰能力强、目标定位精度高、成本低、速度快等优点，是解决无控低速飞行器制导化改造的成本与制导精度之间矛盾的一种可行途径。所以，研究低速飞行器用的激光半主动目标方位探测技术，对于加快常规低速飞行器低成本制导化的改造进程和新型制导低速飞行器的研制进程等方面具有重要的现实意义。
　　本文以低速飞行器为对象，分析了低速飞行器激光半主动目标方位探测的工作过程;基于近地面环境的激光传输路径因素，研究了飞行器上激光探测系统捕获激光信号的能力;针对环境背景噪声和电路噪声，研究了四象限探测器的数字式测量精度;通过对低速飞行器弹道诸元的计算，研究了末段弹道特性对激光半主动目标方位探测系统的影响。具体的研究内容如下:
　　确定了低速飞行器上的激光半主动目标探测系统为捷联式结构以及光学系统应采用折射式光学系统的总体结构。建立了四象限探测器目标方位偏差角的测量模型，并对测量算法误差进行了补偿。根据低速飞行器被动段六自由度弹道模型，研究了飞行器在末段弹道上的空间状态。
　　建立了低速飞行器上激光半主动目标探测系统捕获的激光信号功率模型。利用双向反射分布函数概念，推导了激光半主动体制目标反射截面公式，计算并分析了目标表面为斜面时，在末段弹道不同目标斜面倾角条件的激光半主动体制目标反射截面。基于Mie散射理论，研究了战场气溶胶粒子群对激光半主动信号传输效率产生的影响。基于Gamma-Gamma大气湍流光强闪烁理论，研究了不同条件下低速飞行器上激光半主动探测系统接收激光信号的归一化功率概率密度函数。
　　建立了激光半主动目标探测系统捕获的倒置抛物线型激光回波信号模型和泊松分布型环境背景噪声模型，基于泊松过程的光子捕获模式，推导了四象限探测器单象限捕获的激光脉冲峰值功率的克拉美罗下限计算公式。根据四象限探测器捕获的激光回波脉冲信号，建立了激光脉冲信号经过四象限探测器和跨阻放大器形成的理想电压信号模型，并基于高斯分布的电路白噪声模型，针对不同理想电压信号的波形、半峰宽度和系统总信噪比，利用蒙特卡罗方法研究了基于四象限探测器归一化和差算法数字式测量目标位置偏差角和目标方向偏差角的统计分布规律。
　　建立了捷联式激光半主动目标探测系统的目标捕获域模型，研究了捷联式激光目标方位探测系统的最小视场角和最佳起始探测点。建立了理想的捷联式激光接收离焦光学系统模型，设计了大视场、短焦距的离焦折射式光学系统，并通过光学仿真，提出了光学系统误差的补偿方法。反向计算了捷联式激光半主动目标探测系统在末段全弹道测量的目标位置偏差角和目标方向偏差角，并提出了利用Savitzky-Golay一阶平滑滤波算法提取准确的目标方位偏差信息的方法。针对低速飞行器弹道修正能力的局限性，通过分析在末段弹道上激光探测系统测量的目标方位偏差角的变化特性，设计了低速飞行器弹道修正的启控时机和方向。针对在末段弹道初、中期阶段，激光探测系统中的四象限探测器随飞行器绕纵轴旋转以及光斑中心远离四象限探测器光敏面中心的特点，提出了基于对下一探测时刻光斑中心预测的对单象限电路通道单独自适应增益的方法。
　　根据系统要求，设计了捷联式激光半主动目标方位探测电路系统总体方案以及激光脉冲探测电路系统和脉冲信号采集处理系统等子电路系统。通过加工光学系统和电路系统，以平面靶板为目标，搭建了目标方位偏差角测试平台，完成激光回波探测实验、目标方位偏差角测量与统计实验。实验结果表明模拟式测量目标位置偏差角的精度优于0.2°。

目录

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摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 激光半主动目标探测体制飞行器的发展与国内外研究现状

1．3 捷联式光学目标探测体制飞行器的发展与国内外研究现状

1．4 相关技术的研究进展

1．4．1 激光半主动目标探测体制下激光信号受传输环境的影响因素研究

1．4．2 四象限探测器测量与测角技术

1．4．3 捷联式激光半主动目标探测技术

1．5 本文的研究内容及结构安排

2 低速飞行器激光半主动目标探测系统原理与空间状态分析

2．1 系统构成

2．1．1 激光半主动目标探测系统原理与总体构成

2．1．2 激光目标指示器

2．1．3 低速飞行器上的激光半主动目标探测系统结构

2．2 激光半主动目标方位探测基本原理

2．2．1 四象限探测器基本原理与性能参数

2．2．2 四象限探测器测量原理

2．2．3 激光半主动目标方位探测测角原理

2．3 捷联式激光半主动目标探测系统在飞行器末段弹道的空间状态

2．3．1 坐标系及弹道参量的定义

2．3．2 六自由度外弹道方程组的线性简化

2．3．3 低速飞行器弹道末段空间状态

2．4 本章小结

3 激光半主动目标探测过程中激光信号的近地面传输路径特性

3．1 捷联式激光半主动目标探测系统接收功率方程

3．2 激光半主动目标探测体制的目标反射截面

3．2．1 目标表面反射特性

3．2．2 激光半主动目标探测体制目标反射截面的定义与计算

3．2．3 不同目标表面斜面倾角对目标反射截面的影响

3．2．4 低速飞行器末段弹道上目标反射截面的计算

3．3 近地面激光信号传输路径的散射衰减效应研究

3．3．1 球形粒子Mie散射理论

3．3．2 近地面战场混合烟灰粒子气溶胶粒子群的消光特性

3．3．3 气溶胶粒子群对激光半主动信号传输透过率的影响

3．4 近地面激光信号传输路径的大气湍流场研究

3．4．1 近地面大气湍流场

3．4．2 大气湍流的光强闪烁效应

3．4．3 大气湍流效应对激光半主动目标探测系统接收激光信号功率的影响

3．5 本章小结

4 基于脉冲激光的四象限探测器数字式测量统计方法研究

4．1 四象限探测器光子捕获模式的激光脉冲峰值估计

4．1．1 四象限探测器光子捕获模型

4．1．2 克拉美罗下限定理

4．1．3 四象限探测器捕获激光脉冲峰值的克拉美罗下限推导

4．1．4 四象限探测器捕获激光脉冲峰值功率的克拉美罗下限计算

4．1．5 四象限探测器捕获激光脉冲峰值功率估计的蒙特卡罗仿真

4．2 脉冲激光四象限探测器数字式测角不确定性统计分布

4．2．1 待测信号模型

4．2．2 四象限探测器测角不确定性统计分布的蒙特卡罗仿真

4．2．3 目标位置偏差角不确定性统计分布

4．2．4 目标方向偏差角不确定性统计分布

4．2．5 影响测角统计分布的信噪比因素分析

4．3 本章小结

5 末段弹道条件的捷联式激光目标方位探测技术研究

5．1 末段弹道捷联式激光半主动目标捕获特性

5．1．1 地面目标捕获域模型

5．1．2 捷联式激光半主动目标探测系统最小瞬时探测视场

5．1．3 捷联式激光半主动目标探测系统最佳起始探测弹道点计算

5．2 大视场短焦距激光半主动目标探测光学系统设计

5．2．1 捷联式激光半主动目标探测光学系统理想模型

5．2．2 大视场短焦距离焦激光接收折射式光学系统设计与误差分析

5．3 捷联式激光半主动体制低速飞行器弹道修正的启动特性

5．3．1 末段弹道条件下捷联式激光半主动目标方位偏差角的反向计算

5．3．2 目标方位偏差角的Savitzky-Golay滤波方法

5．3．3 低速飞行器弹道修正的的启控时机设计

5．4 四象限探测器单象限电路通道自适应增益方法

5．4．1 末段弹道条件下四象限探测器上光斑中心位置变化趋势

5．4．2 基于预测的单象限电路通道自适应增益方法

5．5 本章小结

6 低速飞行器激光目标探测系统功能实现

6．1 基于四象限探测器的激光脉冲探测电路与信号处理电路设计

6．1．1 电路系统总体设计

6．1．2 具有可编程增益控制功能的前置放大电路

6．1．3 信号调理电路

6．1．4 激光脉冲检测电路

6．1．5 窄脉冲峰值保持电路

6．1．6 模数转换与处理器电路

6．2 目标方位偏差角测量实验

6．2．1 测量实验平台搭建

6．2．2 目标方位偏差角模拟式测量实验

6．2．3 目标方位偏差角数字式测量统计实验

6．3 本章小结

7 总结及展望

7．1 全文的工作总结

7．2 本文的创新点

7．3 后续工作展望

致谢

参考文献

附录