基于LightTools的激光四象限探測系統(tǒng)仿真

摘要：激光四象限探測系統(tǒng)是激光制導武器的重要組成部分，在設計階段對其性能的準確評估有利于設計方案的迭代和優(yōu)化。采用LightTools軟件對四象限探測系統(tǒng)進行了仿真建模。通過建立目標模型、光學系統(tǒng)模型和四象限探測器模型，可以有效地對系統(tǒng)進行仿真，并結合四象限探測系統(tǒng)原理，得到角度偏差的和差比幅值；建立的模型可以對系統(tǒng)的雜散光進行仿真，評估雜散光對系統(tǒng)的影響；另外，還可以模擬激光散斑效應，分析散斑特性對探測系統(tǒng)輸出和差比幅值的影響。通過LightTools軟件建模和仿真為設計優(yōu)化提供了準確的依據(jù)。最后，通過實驗對仿真模型進行驗證，在±15°范圍內(nèi)仿真得到的和差比幅值和實驗得到的基本一致。

關鍵詞：四象限探測系統(tǒng)；LightTools；雜散光；激光散斑

引言

激光四象限探測系統(tǒng)是激光半主動導引頭的核心器件，可應用于多種激光制導武器系統(tǒng)中。激光半主動導引頭的工作原理是位于彈體之外的激光目標指示器照射目標，彈上的激光制導導引頭跟蹤目標反射的激光信號，并根據(jù)此信號解算出目標信息，再由彈上計算機綜合彈體姿態(tài)信號并按照給定的制導形式處理成制導信號，輸出給執(zhí)行機構，使武器跟蹤目標。其優(yōu)點是制導精度高，抗干擾能力強，結構簡單，武器系統(tǒng)成本低。如美國的銅斑蛇和俄羅斯的紅土地激光制導炮彈均采用半主動激光導引頭，性能優(yōu)異。美國的海爾法激光制導導彈也采用半主動激光導引頭。

本文利用LightTools軟件仿真了激光半主動導引頭中的四象限探測系統(tǒng)，對系統(tǒng)的性能進行有效地評估，為設計提供依據(jù)。同時，針對激光散斑現(xiàn)象進行了分析，為系統(tǒng)設計和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

另外，本文還利用LightTools軟件對系統(tǒng)的雜散光情況進行了分析，進一步提升了系統(tǒng)的性能。目前，國際上最常用的光學設計分析軟件有Code V，LightTools，Tracepro，Zemax等，其中LightTools在光機系統(tǒng)一體化仿真，雜散光分析等方面具有明顯的優(yōu)勢。

1.   LightTools仿真模型建立

1.1   四象限探測器建模

四象限探測器是探測系統(tǒng)的主要部件，四象限探測器是把4個性能相同的探測器按照直角坐標系的要求排列成4個象限并集成在同一芯片上，中間由十字形分劃線隔開，如圖1所示。圖1中φ為探測器光敏元的直徑，d為分劃線寬度，A、B、C、D代表4個光敏面，即4個象限。四象限探測器具有響應頻率快，響應波長寬，靈敏度高，工作溫度范圍大等優(yōu)點。

圖1.四象限探測器示意圖

本文仿真的四象限探測器參數(shù)如表1所示。

表1.四象限探測器參數(shù)