CN111174640B

CN111174640B - 一种多目标同时指示的激光多目标指示设备

Info

Publication number: CN111174640B
Application number: CN201911003138.6A
Authority: CN
Inventors: 程高峰; 闫宗群; 王顺
Original assignee: Changchun Junsheng Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Zhongke Tongzhuang Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2039-10-22
Also published as: CN111174640A

Abstract

本发明公开了一种多目标同时指示的激光多目标指示设备，包括激光器模块、激光频率场调制模块、投影模块、激光光束偏转控制模块、变焦系统模块、物镜组件模块、分光模块、目镜模块、目标图像探测处理及人机交互模块以及同步器及控制模块。本发明从进一步提高激光制导武器系统的首次打击毁伤效果的需求出发，构建可用于多个目标同时指示的激光多目标指示设备；该设备采用新型激光光场频率调制技术和激光光束偏转控制技术，能够有效解决当前激光目标指示设备单指示周期内只能指示一个目标、指示激光信息场频率编码固定不可变、数量有限容易且容易被窃取或破解等问题，大大提高现有激光制导武器系统的首次精确打击能力。

Description

一种多目标同时指示的激光多目标指示设备

技术领域

本发明涉及激光光束频率调制和激光光束角度偏转控制技术领域，尤其涉及一种多目标同时指示的激光多目标指示设备。

背景技术

在现代信息化战争以及未来战争中，激光制导导弹、炮弹和炸弹将起着关键性的作用。激光制导技术是一项提高武器打击精度的重要技术。在激光制导武器中激光目标指示器是一个重要组成部分，它能赋予导弹正确的攻击方向，使其能够在预期位置精准无误的毁伤敌方目标。随着科学技术的不断发展，许多高新技术在激光目标指示器上得到了广泛的应用，从而使半主动激光制导技术得到迅速发展。最早的激光制导武器是由美国于1972年6月因成功炸毁越南杜美桥而闻名的宝石路激光制导炸弹。经过数十年的发展，激光制导技术已经十分成熟，世界上出现了种类众多的激光制导武器，有激光制导炸弹、激光制导导弹、激光制导炮弹以及激光制导火箭弹。但是当前各种激光制导武器系统的激光目标指示设备一次只能对单个打击目标进行指示；当面对集群目标时，单个目标的精确打击会引起集群目标中其它重要目标立即采取烟雾干扰、激光诱偏等光电对抗措施，这将大大制约激光制导武器的打击效率和一次性打击目标的数量；同时，当前各国激光目标指示设备的制导激光信息场频率只有若干个固定频率编码，一旦这些频率编码方式被敌方获悉，敌方将采用激光诱偏技术对我方激光制导炮弹、火箭弹及炸弹进行诱偏，大大降低我方武器的打击精度和毁伤效果。因此实现同时对多目标的稳定激光指示和激光信息场频率灵活、可变编码，是激光制导武器领域亟待解决的问题。

随着科学技术的发展，现代军事领域作战环境日益复杂、光电对抗日益激烈。为适应未来高技术条件下作战特点，设计一种可以同时对多个目标进行激光指示的激光多目标指示设备，对指示范围内对方多个重要目标同时进行高效、可靠、快速、精确的激光指示，从而同时引导多发激光制导炸弹、激光制导导弹、激光制导炮弹或激光制导火箭弹同时对集群目标进行一次性多目标同步打击；同时采用特殊的激光频率场调制模块，实现战前临时设定制导激光信息场频率编码方式，大大提高了制导激光编码的保密性，有效增强了激光制导武器系统的精确打击效果和首次攻击能力。这对提高我军作战能力、争取战场主动权具有重要意义，是新时代下迫切的作战使命任务。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种多目标同时指示的激光多目标指示设备。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明一种用于多目标同时指示的激光多目标指示设备，包括激光器模块、激光频率场调制模块、投影模块、激光光束偏转控制模块、变焦系统模块、物镜组件模块、分光模块、目镜模块、目标图像探测处理及人机交互模块以及同步器及控制模块。所述激光器模块的光源输出端与所述激光频率场调制模块连接，所述激光频率场调制模块的通信端与所述同步器及控制模块连接，所述激光频率场调制模块的光源输出端与所述投影模块连接，所述投影模块的光源输出端与所述激光光束偏转控制模块连接，所述激光光束偏转控制模块的通信端口与所述同步器及控制模块连接，所述激光光束偏转控制模块的光源输出端与所述变焦系统模块连接，所述变焦系统模块与所述物镜组件模块连接，所述物镜组件模块通过所述分光模块与所述目镜模块和所述目标与图像探测处理及人机交互模块连接。设备可用于激光末制导打击系统和激光驾束制导打击系统，可根据应用需求灵活改变制导激光光束频率场的制导频率编码，可针对集群目标中的多个威胁目标进行同时激光指示，导引多发炮射导弹同时对多个目标进行一波次的同时精确打击。

进一步，激光器模块主要用于产生高单色性、低发散的高能连续激光或者高重频脉冲激光以及测距激光脉冲。

进一步，激光频率场调制模块主要是在同步器及控制模块的控制下，利用频率调制盘或DLP数字光处理器件(DMD)等激光光场调制器件实现对激光光场进行指定空间频率的调制，可根据应用需求灵活改变制导激光光束频率场的制导频率编码。

进一步，投影模块主要用于将调制后带有空间频率场分布的激光光束进行转换投影到激光光束偏转控制模块。

进一步，激光光束偏转控制模块主要是在同步器及控制模块的控制下，用于对激光光束进行二维大角度的偏转控制，从而使得激光多目标指示设备发射的指示激光能够在二维空间内快速、准连续、精确偏转。

进一步，变焦系统模块主要是在指定程序的控制下，利用传动系统改变该系统的放大倍率，从而对发射出的激光空间频率场进行放大。

进一步，物镜组件模块一方面主要和变焦系统构成激光空间频率场和测距激光脉冲的发射系统，另一方面对侦察目标区域进行成像。

进一步，分光模块主要用于将反射回的测距激光脉冲反射进入激光测距单元内进行目标距离解算，将目标区域图像一部分反射分光至目标图像探测处理及人机交互模块、一部分透射至目镜模块给操作人员进行观察。

进一步，目镜模块主要将目标图像放大给操作人员进行观察。

进一步，目标图像探测处理及人机交互模块主要利用图像探测器件对目标区域进行成像、对对方所有目标进行识别并标记显示，提供各目标特性信息供操作人员进行多个备指示目标的选择确认，同时将多个备指示目标的空间位置坐标传递给同步器及控制模块。

进一步，同步器及控制模块主要用于接收处理多个备指示目标的空间位置坐标并控制激光频率场调制模块给各个备指示目标分配指示激光频率，控制激光光束偏转控制模块解算各个备指示目标指示激光偏转角度的控制信息，同时与后方武器发射系统的指挥同步器进行指示频率、发射时间等信息的同步控制，最后这些信息还可以同步在目标图像探测处理及人机交互模块进行显示。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种多目标同时指示的激光多目标指示设备，本发明从进一步提高激光制导武器系统的首次打击毁伤效果的需求出发，构建可用于多个目标同时指示的激光多目标指示设备；该设备采用新型激光光场频率调制技术和激光光束偏转控制技术，能够有效解决当前激光目标指示设备单指示周期内只能指示一个目标、指示激光信息场频率编码固定不可变、数量有限容易且容易被窃取或破解等问题，大大提高现有激光制导武器系统的首次精确打击能力。

附图说明

图1为用于多目标同时指示的激光多目标指示设备。

图2激光光束偏转控制模块的组成示意图。

图3液晶相控阵各参数对其远场光束的影响(a)填充比F,(b)电极大小a,(c)周期内台阶数M,(d)周期数N。

图4相位调制图。

图5一定偏转角度下LCOPA相位偏转锯齿图。

图6是量化数对偏转角的影响曲线图。

图7激光光束偏转控制模块工作流程图。

图8第一种情形下LCOPA1和LCOPA2的相位控制图谱(a)LCOPA1,(b)LCOPA2。

图9第二种情形下LCOPA1和LCOPA2的相位控制图谱(a)LCOPA1,(b)LCOPA2。

图10第三种情形下LCOPA1和LCOPA2的相位控制图谱(a)LCOPA1,(b)LCOPA2。

图11修正前后偏转点与瞄准点的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

(一)一种用于多目标同时指示的激光多目标指示设备，包括激光器模块、激光频率场调制模块、投影模块、激光光束偏转控制模块、变焦系统模块、物镜组件模块、分光模块、目镜模块、目标图像探测处理及人机交互模块以及同步器及控制模块。设备可用于激光末制导打击系统和激光驾束制导打击系统，可根据军事应用需求在战时灵活改变制导激光光束频率场的制导频率编码组合，并可对不同的目标快速分配不同的频率编码，进而可针对集群目标中的多个威胁目标进行同时激光指示，同时导引多发炮射导弹、炸弹或火箭弹分别对多个目标进行一波次的同时精确打击。

(二)激光器模块为激光发射系统提供光源，采用Nd:YAG固体激光器，工作波长为1064nm，功率20W，激光束散角为3～4mrad，工作方式为连续，带制冷装置，采用液体循环制冷，冷却液采用有机溶液，高温不挥发，低温不凝固。

(三)激光频率场调制模块为导弹或炮弹飞行提供信息场，其采用超高速DLP数字光处理模组，16GB超大容量片内存和高速USB3.0数据传输接口，DLP数字光处理模组上的DMD振镜在1024×768分辨率下可实现不小于22KHz的全分辨率图形刷新频率，在1920×1080分辨率下可实现不小于10KHz的全分辨率图形刷新频率；DMD上的每个精微反射镜面的尺寸在10μm左右，其法线方向在控制芯片的单独控制下都可以在“ON”状态时旋转至﹢12度，在“OFF”状态时旋转至-12度，这样相当于一个个精微光开关，可以控制光场中每一细小光束进入或退出光路，进而实现对光束整个光场的频率编码。

因此，激光频率场调制模块可以在战前根据作战需求快速确定、分配各个备指示目标的激光指示频率场频率编码，并根据照射指示逻辑，配合激光光束偏转控制模块的激光光束指向控制快速刷新；该模块可用波长范围覆盖350nm到2500nm近红外波段，这样便可以灵活匹配较宽波长范围内的激光器；经优化散热和高效制冷设计可承受60W的持续光功率照射，激光目标指示设备的指示距离和激光发射功率直接相关，因此该模块可以满足不同照射指示距离的设计需求。

(四)投影模块采用透镜和棱镜组成光束透射模块，对携带频率场的激光光束按照一定的角度投射到激光光束偏转控制模块。

(五)激光光束偏转控制模块利用两组超高速或高速液晶光学相控阵单元和两块呈正交关系的多路复用体全息光栅组成二维大角度准连续激光光束偏转控制系统；该系统单元主要包括三个子模块，分别是第一、第三子模块的液晶光学相控阵单元和第二子模块的一组多路复用体全息光栅单元。第一和第三子模块液晶光学相控阵(LCOPA1和LCOPA2)的分辨率为1920×1152，帧频为600Hz，损伤阈值为150W/cm²，填充因子为95％，偏转效率高，能够根据需要可编程的快速实现激光光束的灵活控制和空间扫描；由于单液晶光学相控阵单元对激光光束的偏转控制角度范围有效(3°～5°)；因此，该激光光束偏转控制模块在第一子模块后面增加两块呈正交关系的多路复用体全息光栅(MVBG(X)和MVBG(Y))来对激光光束偏转角度进行进一步放大；然后，利用第三子模块的液晶光学相控阵单元来对放大后的激光光束进行角度的精确调制。激光光束偏转控制模块的组成框图如图2所示。

1.LCOPA偏转基本原理

理想条件下，LCOPA的相位调制可认为与阶梯状闪耀光栅产生的相位类似；根据LCOPA的波前相位分布及其像素化的结构特点，可将LCOPA看作为一个相位型光栅和一个振幅型光栅的组合；其相位调制来自移相器阵列，其振幅调制来自其像素化结构。其远场光强分布如下式所示：

式中：a为电极大小，d为电极中心距，M为单周期内相移器数，f为傅里叶透镜的焦距，其中fx＝x/f·d；因子sinc²(a·fx)来自宽度为a矩孔衍射，因子

来自于带相位调制的多矩孔干涉，因子

来自于LCOPA周期结构的调制作用。由此可见，LCOPA进行光束偏转的物理实质实际上是受单孔衍射调制的多孔干涉过程。

为深入研究LCOPA各参数对远场光强和偏转角度的影响，更好的选择适合激光目标指示器使用的LCOPA；特根据远场光强分布公式，利用MATLAB对相关参数进行分析，结果如图3所示，得出以LCOPA器件作为激光偏转控件器件时其参数的选取规则。

(1)填充比越高越好；因填充比越高，衍射次级大光强比主极大光强越弱，可尽可能避免其对主极大指示的干扰且偏转角度逐渐变大。

(2)为达某角度偏转时可适当牺牲光强，选择电极稍小的LCOPA。因为随着电极大小增加，偏转角变小，归一化光强明显增强且主极大线宽更小，次级大的抑制效果都很好。

(3)为达某角度偏转时可适当选取相对较少的台阶数，但为保证光强的大小，台阶数并不能过小；而应综合考虑出射激光光强和偏转角度来折中确定单周期内移相器的个数。

(4)周期数越多越好；随周期数的增加，在偏转角基本保持不变的同时归一化光强明显增强，同时主极大聚集程度增强。

综上所述，在设计LCOPA时应权衡光强大小和偏转角度，对各参数进行设置；在光强达标的前提下实现偏转角度的最大化。LCOPA的角度偏转主要是通过设置其周期内台阶数从而实现角度偏转的变化，但由于周期内台阶数是离散的；故所得角度值也是离散的。

2.LCOPA偏转角度连续控制

根据LCOPA的相位调制过程的本质，利用单孔衍射和多孔干涉的基本原理可得：若进行θ角度偏转时，LCOPA的相位调制应为：

式中：θ为光束偏转角度；mod(2π)表示对该相位进行2π相位回卷。利用公式(2)解算的固定角度的相位调制图如图4：(固定偏转角度为：17.7mrad)。将上述相位图进行多列扩展，便可得到一维光束偏转的LCOPA相位偏转锯齿图，如图5所示。

若要实现光束角度二维偏转，只需要在一维偏转的相位图中加入相位图偏转角即可；但在实际参数输入时，多数情况下是以横向和纵向偏转角度的形式来确定一维角度偏转。下面给出了一维偏转角，相位图旋转角与横纵偏转角之间的转换公式：

式中：θ为一维角度偏转，α为横向偏转转角，β为纵向偏转角，γ为相位图旋转角。

3.激光光束偏转控制模块的设计

第一子模块由可编程LCOPA构成角度精偏转系统；其主要功能是根据输入的目标参数选取合适的二维角度精偏转，从而保证第二子模块MVBG对匹配入射角的精度要求，进而保证MVBG能够实现较高效率的二维角度放大。在已知偏转出射角时，通过公式(2)可得出经过2π回卷的一维液晶偏转的理论相位控制图；通过公式(5)可得出液晶相控阵量化为M_n的一维液晶偏转的实际相位控制图。

根据横向、纵向偏转角度，利用公式(3)与公式(4)可得出二维液晶相控阵的一维偏转角以及相位图偏转角；进而可得出液晶相控阵的二维偏转相位控制图来控制液晶的偏转。

由于液晶光学相控阵的相位调制精度取决于相控阵的量化数，而在实际制造过程中由于工业水平的限制并不能做到量化数的无穷大，因此必然存在由于量化数引起的出射光线角度存在误差，进而该误差将会导致在多路体全息光栅单元中，实际光束入射角与预设的匹配入射角存在误差，从而影响多路体全息光栅对入射激光光束的高效率角度放大。通过MATLAB程序建模计算发现，量化数对液晶相控阵偏转角度的影响如图6所示。由此可见，随着量化数的增加，实际偏转角与预设偏转角的误差也随之减小。因此在工业技术允许的情况下尽可能的增大量化数可以有效的提高液晶相控阵的偏转精度。同时，在第一子模块液晶相控阵各项参数确定后，由其量化数所决定的偏转误差为已知固有系统误差。

为了有效的减小放大角度的误差，必须减小因第一子模块LCOPA1固有误差所引起的多路体全息光栅的入射角误差；由于第一子模块LCOPA1的输出角度需要与多路体全息光栅的入射角进行匹配，所以其横纵角度偏转数是有限的几组固定角度，多路体全息光栅的入射角误差来源于LCOPA1相控阵单元的量化数，因此在确定量化数的前提下对LCOPA1的误差进行修正可以有效的抑制多路体全息光栅的理论误差的产生。

误差修正方法一：

(1)确定LCOPA1包括量化数在内的的具体参数。

(2)按照LCOPA1偏转角度运算出实际的第一模块偏转出射角。

(3)将得出的第一模块实际偏转角作为第二模块的修正入射角。

(4)以修正入射角和预设放大角为依据设计体全息光栅的参数。

误差修正方法二：

(1)确定LCOPA1包括量化数在内的的具体参数。

(2)根据LCOPA1的量化数计算标定出其在几组固定偏转角(与选定MVBG匹配的偏转角)下的角度偏转误差；

(3)利用角度偏转误差进一步修正LCOPA1实现对应角度偏转时的二维偏转相位控制图；从而保证输出的偏转光束角度正好满足后续体全息光栅的入射匹配角要求。

LCOPA1输出的光束经过两块体全息光栅的角度放大后，虽已接近实际需要的角度，但仍与真实需求的偏转角度之间存在偏差；因此在体全息光栅单元后增加了LCOPA2对偏转光束进行进一步的二维偏转控制，且其由量化数所引起的偏转角度误差可以参考LCOPA1的误差修正方法进行修正。其具体流程图如图7所示。

假设LCOPA1的角度分辨率为0.2mrad，角度扫描范围为-1.5°～1.5°；第二子模块的两块三路复用VBG的三路入射角与出射角分别为(0°,4°)、(-1°,5°)、(-2°,10°)，利用LCOPA1可实现对MVBG三路入射角(0°,-1°,-2°)的匹配；第二块进行角度分选LCOPA2的角度分辨率约为0.2mrad，其扫描范围为-2°～2°。由于系统偏转角度的角度分辨率由LCOPA2的角度分辨率所决定，故系统的角度分辨率为0.2mrad，但由于该值小于光束的远场发散角，因此可以认为系统的光束扫描为准连续的。

假设无人机飞行高度为2000米，下面将列举三个不同角度的例子，分别对相位控制图进行仿真，并对修正前后的角度进行对比。

第一情形：需要被调制的激光信息场光束的横向偏转角为8°，纵向偏转角为12°，则第二子模块的MVBG选择横向(X)第二路、纵向(Y)第三路复用；则第一和第三子模块的相位控制图谱如图8中的(a)和(b)所示。

第二情形：需要被调制的激光信息场光束的横向偏转角为2°，纵向偏转角为5°，则第二子模块的MVBG选择横向(X)透射、纵向(Y)第一路复用；则第一和第三子模块的相位控制图谱如图9中的(a)和(b)所示。

第三情形：需要被调制的激光信息场光束的偏转角为8°，纵向偏转角为3°，则第二子模块的MVBG选择横向(X)第二路、纵向(Y)透射复用；则第一和第三子模块的相位控制图谱如图10中的(a)和(b)所示。

采用第一种误差修正方法修正前后的实际偏转角和误差角如表1所示。修正前后实际偏转点与预定瞄准点(偏转角度×无人机飞行高度)的对比如图11所示。

由表1和图10可知，未经过误差修正的误差角最高达0.0445°，而在修正误差之后，误差角控制在0.02°以内。说明误差修正起到了减小误差的效果。最后在2000米高度指示时指示误差控制在0.66米的范围，在指示装甲或坦克目标时并不会造成指示激光光束偏离目标。

表1修正前后实际偏转角与误差角统计

(六)变焦系统模块将已经调制并偏转的光线按照指定的程序进行光束直径的变化控制，从而保证激光信息场在任意弹尾接收面上激光光束直径不变；最后调制并偏转好的激光通过棱镜、物镜组件模块发射出去，形成制导激光信息场。

(七)由物镜组件模块、分光模块和目镜模块构成的白光观瞄通道，主要用于操作人员观察、发现、瞄准目标区域。

(八)由物镜组件模块、分光模块和目标图像探测处理及人机交互模块构成的目标自动探测、识别、显示和选择系统，主要用于观察视场内目标区域的成像探测、目标识别、解算显示以及由操作人员确定待指示的多个目标。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种多目标同时指示的激光多目标指示设备，其特征在于：包括激光器模块、激光频率场调制模块、投影模块、激光光束偏转控制模块、变焦系统模块、物镜组件模块、分光模块、目镜模块、目标图像探测处理及人机交互模块、同步器及控制模块，所述激光器模块的光源输出端与所述激光频率场调制模块连接，所述激光频率场调制模块的通信端与所述同步器及控制模块连接，所述激光频率场调制模块的光源输出端与所述投影模块连接，所述投影模块的光源输出端与所述激光光束偏转控制模块连接，所述激光光束偏转控制模块的通信端口与所述同步器及控制模块连接，所述激光光束偏转控制模块的光源输出端与所述变焦系统模块连接，所述变焦系统模块与所述物镜组件模块连接，所述物镜组件模块通过所述分光模块与所述目镜模块和所述目标与图像探测处理及人机交互模块连接；

所述激光频率场调制模块主要是在同步器及控制模块的控制下，利用频率调制盘激光光场调制器件或DLP数字光处理器件激光光场调制器件实现对激光光场进行指定空间频率的调制，可根据应用需求灵活改变制导激光光束频率场的制导频率编码；

所述激光光束偏转控制模块主要是在同步器及控制模块的控制下，用于对激光光束进行二维大角度的偏转控制，从而使得激光多目标指示设备发射的指示激光能够在二维空间内快速、准连续、精确偏转；

所述目标图像探测处理及人机交互模块主要利用图像探测器件对目标区域进行成像、对对方所有目标进行识别并标记显示，提供各目标特性信息供操作人员进行多个备指示目标的选择确认，同时将多个备指示目标的空间位置坐标传递给同步器及控制模块；

所述同步器及控制模块主要用于接收处理多个备指示目标的空间位置坐标并控制激光频率场调制模块给各个备指示目标分配指示激光频率，控制激光光束偏转控制模块解算各个备指示目标指示激光偏转角度的控制信息，同时与后方武器发射系统的指挥同步器进行指示频率、发射时间信息的同步控制，最后这些信息还可以同步在目标图像探测处理及人机交互模块进行显示。

2.根据权利要求1所述的多目标同时指示的激光多目标指示设备，其特征在于：所述激光器模块主要用于产生高单色性、低发散的高能连续激光或者高重频脉冲激光以及测距激光脉冲。

3.根据权利要求1所述的多目标同时指示的激光多目标指示设备，其特征在于：所述投影模块主要用于将调制后带有空间频率场分布的激光光束进行转换投影到激光光束偏转控制模块。

4.根据权利要求1所述的多目标同时指示的激光多目标指示设备，其特征在于：所述变焦系统模块主要是在指定程序的控制下，利用传动系统改变该系统的放大倍率，从而对发射出的激光空间频率场进行放大。

5.根据权利要求1所述的多目标同时指示的激光多目标指示设备，其特征在于：所述物镜组件模块一方面主要和变焦系统构成激光空间频率场和测距激光脉冲的发射系统，另一方面对侦察目标区域进行成像。

6.根据权利要求1所述的多目标同时指示的激光多目标指示设备，其特征在于：所述分光模块主要用于将反射回的测距激光脉冲反射进入激光测距单元内进行目标距离解算，将目标区域图像一部分反射分光至目标图像探测处理及人机交互模块、一部分透射至目镜模块给操作人员进行观察；所述目镜模块主要将目标图像放大给操作人员进行观察。