制导技术之光电制导实验室建设探索

    周海俊　翟优　郭鑫

    

    

    

    摘? 要 对制导技术课程中的光电制导部分进行重难点分析，针对重难点内容，提出由三种实验系统组成的光电制导实验室建设方案，然后详细介绍每一种实验系统的组成、功能、设备以及可开展实验，完成对光电制导实验室建设的初步探索。

    关键词 制导技术;光电制导;实验平台;實验室;实验设备;数字化资源库

    中图分类号：G482? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）04-0008-03

    1 前言

    制导技术课程是陆军工程大学石家庄校区本科学员的一门专业基础课程，是专业课程体系中的核心与关键内容。制导技术是装备的核心与灵魂，涉及原理复杂、内容抽象，理解掌握难度大，单纯依托讲授式教学很难达到良好的教学效果，因此迫切需要建设配套的实验环境条件，为教学模式改革创新提供手段，实现相关教学内容理论与实践的有机结合，帮助学员更好地理解掌握制导技术相关内容，显著改善教学效果，提升人才培养整体质量。

    2 分析总结光电制导重难点内容

    光电制导包括光学寻的制导和光电遥控制导两大类。光学寻的制导根据光源、波段不同分为红外点源寻的、红外成像寻的、电视寻的、激光半主动寻的等四种制导方式。光学遥控制导根据指令的形成位置及指令的传输方式不同，分为有线指令、激光指令、激光波束制导等三种制导方式，其中有线指令制导中又包括重要的光纤图像传输。下面对各自的重难点内容分别进行分析总结。

    光学（红外、激光、电视）寻的制导? 光学寻的制导是用制导武器上的设备接收目标辐射或反射的光波形成点源信号或图像信号，经过处理后实现对目标的跟踪和对制导武器的控制，是弹的重要制导方式，因光源、波段不同而各有特点。光学寻的制导技术分为光学点源信号寻的制导和光学图像寻的制导两种。光学点源寻的中红外点源和激光半主动寻的制导广泛应用;光学图像寻的中电视寻的和红外成像寻的制导广泛应用并发展很快。

    光学寻的制导中光学寻的器是核心，难点在寻的器的稳定、跟踪与搜索。除了共性的寻的器外，下面分析四种制导技术的关键内容，为后续的实验室建设做准备。

    1）红外点源寻的制导。除了共性的寻的器外，红外点源寻的制导中的重点是红外探测器、光学调制盘及光电弱信号探测。这部分难点内容是典型光电探测器原理、光学调制盘工作原理、有源滤波器原理等。

    2）红外成像寻的制导。实现红外成像寻的制导的关键在于寻的器中的红外摄像头和图像跟踪处理器。这部分难点内容是光机扫描型摄像头和凝视型摄像头原理，线阵CCD像传感器的驱动原理，热像仪原理，图像处理、目标识别和跟踪等。

    3）电视寻的制导。重点内容是电视寻的器的结构，电视摄像机的原理，图像处理、目标识别与跟踪，摄像管，CCD，摄像器件的使用及其信号处理方法;难点内容是光电信号的采样和保持、摄像机信号应用原理、模拟/数字电视信号提取等。

    4）激光半主动寻的制导。重点内容是激光寻的器结构、激光目标指示器及四象限探测器;难点内容是四象限式光电定向，激光编码、激光器系统、激光测距仪、声光调制器、光外差原理等。

    光电遥控制导? 光学遥控制导是用弹外的光学探测系统对目标和弹进行测量，提供目标和弹的坐标信息，根据导引规律形成相应的指令，在远距离上通过有线或无线传到弹上实现闭环控制，将弹引向目标或预定区域的一种制导技术，包括有线制导、激光指令制导、激光波束制导等三种制导技术。三者的共同点是均要依靠制导站向弹传送信息，这种信息是指令或者引导波束;三者的不同点是指令的形成位置不同，前两种在制导站，后一种在弹上。前两种虽然指令都在制导站形成，但是传输指令的方式不同，一个通过导线或光纤传输，一个通过激光传输。

    1）有线指令制导，如第一代、第二代反坦克弹制导，重点内容有可见光瞄准具、电视/红外测角仪、制导电子箱。

    2）激光指令制导，整个制导过程包括电视测角和激光传输指令两部分，重点内容是电视测角仪、激光发射机、激光编码、激光接收机、解调器、制导电子箱原理等。

    3）激光波束制导，包括瞄准与跟踪、激光发射与编码、弹上接收与译码、角误差指令形成与控制四个环节，重点内容是激光器系统、光束调制编码、四象限探测器等。

    光纤图像传输? 与电缆通信、微波通信等电通信方式相比，光纤通信具有很多优越性，因此非常适用于弹的制导。光纤传输指令制导的弹，一方面通过光纤，将弹头部拍摄的目标和场景图像及其他数据送回制导站，显示在监视器上;另一方面，制导站通过光纤传输各种信号指令给弹，正确导引弹飞向目标。因此，光纤信息传输是重点知识。

    3 光电制导实验室建设方案

    根据制导技术相关教学内容要求和人才培养需求，以及制导武器光学寻的制导的应用与发展情况，分析光学寻的制导的重难点内容，光电制导实验室主要由光学寻的制导实验系统、光电遥控制导实验系统、光纤图像传输实验系统等部分组成，体系结构图如图1所示。

    实验室具体包含光电信号产生捕捉与识别实验设备、光电信号传输实验设备、图像信息处理实验设备等，基本功能框图如图2所示。光电信号产生模块具备产生红外、电视、激光等光电信号的功能;光电信号传输模块通过光纤等方式，构建光电信号（图像）的传输通道;光电信号捕捉与识别用于捕捉接收到的光信号并进行识别，筛选出有用的光电信号;图像信息处理则对输入的图像信号进行处理，输出处理结果。

    实验室可以开展光电信号产生、传输、捕捉与识别、图像信息处理等实验;也可将光电测角仪、光电导引头等被试品接入实验系统，开展电视、红外、激光等光电测角仪或光电导引头工作原理（包括光学成像、光学调制、光电探测、信号处理、目标跟踪等）的演示实验;还能在实验系统的基础上，视情引入相应的被试品，进一步设计形成光电制导系统，开设光电制导系统性能测试实验、性能改进验证实验。

    光学寻的制导实验系统? 拟建设形成以下四种实验能力，系统组成图如图3所示。

    1）寻的器数字化资源库。建成涵盖国内外的各类典型寻的器数字化资源库，以典型寻的器作为对象，按实际结构和尺寸建立数字化三維模型，并能通过交互式应用程序在教学计算机、虚拟训练器材等设备上实现外观展示、组装拆解、工作原理演示、模拟操作等功能，并能够按需要生成外观图、结构分解图、三维视频动画等教学应用资源。

    2）光电技术创新综合实验平台，支持研究典型光电探测器的应用技术及工作原理，可以进行光电探测器光谱响应的测量、光电探测器响应时间的测试、光电探测器探测度的测量、光学调制盘输出信号的分析、低噪声放大器、有源滤波器等实验。

    3）彩色面阵CCD综合实验仪，着重开展面阵CCD的驱动原理及应用方法实验，提高学员对CCD工作原理及实际应用的认识;同时设置图像处理方面的实验内容，让学员对如何进行图像处理有一定的认识，更好地理解如何对图像质量进行增强、如何提取有效信息等。

    4）激光物理与技术综合实验平台，进行激光特性参数测量系列实验、激光应用技术系列实验，满足四象限式光电定向原理、激光编码、激光器系统、激光测距、声光调制、光外差原理等实验要求。

    光电遥控制导实验系统? 光学遥控制导实验系统围绕有线制导、激光指令制导、激光波束制导等三种制导方式实验需要开展建设，相关设备主要由三部分组成：对目标的观测跟踪装置、遥控信息的形成与传输装置、弹上的接收及控制装置（图4）。

    1）目标观察跟踪装置，用于对可见光目标或红外信标搜索捕获和跟踪，设备有可见光瞄准具、电视测角仪、红外测角仪。

    2）遥控信息的形成与传输装置。遥控信息的形成包括遥控指令和遥控激光波束的形成，传输装置包括导线、光纤和激光传输，设备有激光器、制导电子箱模拟器、光调制及解调综合实验仪。

    3）接收与控制装置。接收包括接收指令和接收激光波束两种，控制装置通过接入舵机实物或仿真模型实现。

    针对三种光电遥控制导方式，在共享激光物理与技术综合实验平台的基础上，再配置光调制及解调综合实验仪，可进行的实验内容有波形产生实验，幅度、脉冲调制解调实验，光学调制盘实验等，旨在原理验证及相关现象演示，便于学员理解实验原理。开设的主要实验如图5所示。

    光纤图像传输实验系统? 针对实验要求建设光纤通信与光纤技术综合实验平台，平台组成如图6所示，包括光端机模块、模拟信号源模块、数字信号源模块、串口通信模块、电话接口单元模块、数字端机模块等部分。实验项目由七个部分组成：光纤和光缆、通信用光器件（有源和无源器件）、数字光纤通信系统（光发、光收端机）、模拟光纤通信系统、光纤通信新技术、光纤通信网络。可开展光纤通信系统电接口、光源及光调制解调、模拟信号光纤传输、数字信号光纤传输、光纤通信网络及新技术等系列实验。

    光纤图像传输系统（模拟信号直接调制方法下的视频信号光纤传输）如图7所示，主要由摄像头（电视信号发生器）、视频监视器（小型电视机）和模拟光纤通信系统组成。通过观察视频信号的光纤传输，测试光纤传输模拟信号的性能。摄像头产生视频信号（模拟信号），经过模拟调制送入光发端机，经光纤传输后，由光收端机检测到视频信号并输出到监视器端，通过实验观测光纤传输视频信号的效果以及特点，图像效果越好，说明光纤传输模拟信号的性能就越好越稳定。

    4 结语

    实验室是从事实验教学、科学研究、技术开发和学术交流的重要场所，是培养人才创新思维和创新能力的重要基础，因此，实验室建设是高等院校建设的重要组成部分。本文通过分析光电制导的重难点内容，提出制导技术之光电实验室建设方案，接下来需要更进一步地进行调研分析研究，紧紧围绕人才培养、关键技术研究和服务部队练兵备战总体目标实施建设，主要目标是满足制导技术有关课程教学与关键技术研究需要，为核心课程教学、制导技术相关课题研究、制导武器装备运用与效能评估等提供实验条件。

    参考文献

    [1]江月松.光电技术与实验[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

    [2]李洪儒，李辉，李永军，等.导弹制导与控制原理[M].北京：科学出版社，2016.

    [3]张海明，王辅忠，任大庆，等.光信息与光电子技术实验室建设的思考[J].物理与工程，2008（4）：51-53.

    作者：周海俊，陆军工程大学石家庄校区，讲师，研究方向为制导技术;翟优，陆军工程大学石家庄校区，讲师，研究方向为检测技术;郭鑫，陆军工程大学石家庄校区，讲师，研究方向为电站技术（050003）。