基于LightTools的激光四象限探测系统仿真

摘要：激光四象限探测系统是激光制导武器的重要组成部分，在设计阶段对其性能的准确评估有利于设计方案的迭代和优化。采用LightTools软件对四象限探测系统进行了仿真建模。通过建立目标模型、光学系统模型和四象限探测器模型，可以有效地对系统进行仿真，并结合四象限探测系统原理，得到角度偏差的和差比幅值；建立的模型可以对系统的杂散光进行仿真，评估杂散光对系统的影响；另外，还可以模拟激光散斑效应，分析散斑特性对探测系统输出和差比幅值的影响。通过LightTools软件建模和仿真为设计优化提供了准确的依据。最后，通过实验对仿真模型进行验证，在±15°范围内仿真得到的和差比幅值和实验得到的基本一致。

关键词：四象限探测系统；LightTools；杂散光；激光散斑

引言

激光四象限探测系统是激光半主动导引头的核心器件，可应用于多种激光制导武器系统中。激光半主动导引头的工作原理是位于弹体之外的激光目标指示器照射目标，弹上的激光制导导引头跟踪目标反射的激光信号，并根据此信号解算出目标信息，再由弹上计算机综合弹体姿态信号并按照给定的制导形式处理成制导信号，输出给执行机构，使武器跟踪目标。其优点是制导精度高，抗干扰能力强，结构简单，武器系统成本低。如美国的铜斑蛇和俄罗斯的红土地激光制导炮弹均采用半主动激光导引头，性能优异。美国的海尔法激光制导导弹也采用半主动激光导引头。

本文利用LightTools软件仿真了激光半主动导引头中的四象限探测系统，对系统的性能进行有效地评估，为设计提供依据。同时，针对激光散斑现象进行了分析，为系统设计和优化提供了理论依据。

另外，本文还利用LightTools软件对系统的杂散光情况进行了分析，进一步提升了系统的性能。目前，国际上最常用的光学设计分析软件有Code V，LightTools，Tracepro，Zemax等，其中LightTools在光机系统一体化仿真，杂散光分析等方面具有明显的优势。

1.   LightTools仿真模型建立

1.1   四象限探测器建模

四象限探测器是探测系统的主要部件，四象限探测器是把4个性能相同的探测器按照直角坐标系的要求排列成4个象限并集成在同一芯片上，中间由十字形分划线隔开，如图1所示。图1中φ为探测器光敏元的直径，d为分划线宽度，A、B、C、D代表4个光敏面，即4个象限。四象限探测器具有响应频率快，响应波长宽，灵敏度高，工作温度范围大等优点。

图1.四象限探测器示意图

本文仿真的四象限探测器参数如表1所示。

表1.四象限探测器参数