一种脉冲激光引信探测器发射模块数字化预测系统及方法

本发明涉及一种脉冲激光引信探测器发射模块数字化预测系统及方法，属于激光引信。

背景技术：

1、引信是利用环境信息(如发射条件)、目标信息(如散射特性)或按照事先设定的条件(如时间、指令等)，在保证弹药勤务和发射安全的前提下，对弹药实施起爆控制、点火控制及姿态控制等功能的装置。激光引信是近炸引信的三大体制之一，具有抗电磁干扰能力强、定距精度高等优点，广泛应用于空空导弹、地(舰)对空导弹、反辐射导弹、反辐射无人机等多种武器平台，是终端武器系统实现精确打击与高效毁伤的关键。脉冲激光引信探测器发射模块包括激励电路、激光器和光学系统，存在成本高、加工周期长等特点，设计加工完成后，上述硬件相应固化。调试过程中，若发现输出结果和预期设计存在较大差异，相应的硬件需要重新进行设计加工，不利于产品的快速研发。因此，通过计算机建立脉冲激光引信探测器发射模块的激励电路、激光器和光学系统数字化模型，采用参数化仿真方式对模型中关键部件进行设计优化，可从物理层级实现脉冲激光引信探测器发射模块的优化设计，高效缩短研制周期。

技术实现思路

1、针对脉冲激光引信探测器发射模块存在的硬件调试周期长，仿真模型分立，无法实现电学、光学一体化设计优化的问题。本发明的主要目的是提供一种脉冲激光引信探测器发射模块数字化预测系统及方法，通过对脉冲激光引信探测器发射模块进行数字化协同建模，提高发射模块硬件预测精度，缩短硬件调试周期，实现脉冲激光引信探测器发射模块激励电路、激光器和光学系统一体化设计及优化，有效提升脉冲激光引信探测器的探测距离和定距精度，且本发明能够实现上述各模块间的数据交互与兼容，并对仿真预测结果进行可视化呈现。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的一种脉冲激光引信探测器发射模块数字化预测系统，包括激励电路仿真预测模块、激光器仿真预测模块、光学系统仿真预测模块和数据处理与可视化模块，其中基于simulink仿真平台完成激励电路仿真预测模块和电学仿真软件的数据交互，以及建立激光器仿真预测模块并与激励电路仿真预测模块进行联合参数协同仿真。所述激励电路仿真预测模块用于仿真脉冲激光引信探测器的发射激励电路在不同工况下关键参数变化，进而提升脉冲激光引信探测器的探测距离和定距精度，所述激励电路模型除添加电路参数(mos管开关、开关驱动芯片、回路电感、储能电容和回路电阻)外，还考虑到第一激光器参数(内阻、杂散电感和杂散电容)对引信探测距离和定距精度的影响，构建用于电学仿真模块的激励电路模型，通过仿真优化激光器内阻、杂散电感和杂散电容参数，提高第一前向驱动电流的峰值，缩短第一前向驱动电流的脉宽和上升时间，进而提升脉冲激光引信探测器的探测距离和定距精度。所述simulink仿真平台用于添加pspice仿真单元，调用所述激励电路仿真预测模块构建的激励电路模型，基于所述激励电路模型搭建用于仿真脉冲激光引信探测器的激励电路参数变化规律，实现所述激励电路仿真预测模块和电学仿真软件之间的数据交互，通过pspice仿真单元对脉冲激光引信探测器的激励电路仿真得到激励电路第二前向驱动电流，作为激光器仿真预测模块的输入。所述激光器仿真预测模块在simulink仿真平台中建模，用于将pspice仿真单元得到的第二前向驱动电流，输入激光器仿真预测模块中的激光器输出功率模型，同时输入第二激光器参数(阈值电流、峰值电流、电光效率和调整系数参数)，通过所述激光器输出功率模型解算得到激光器输出功率，并输出激光器峰值功率给光学系统仿真预测模块中的光学系统模型。光学系统仿真预测模块用于将激光器仿真预测模块输出的激光器峰值功率，输入光学系统模型，同时输入第三激光器参数(中心波长、子午发散角、弧矢发散角、发光面长度、发光面宽度)和透镜参数(透镜类型、材料、物距、厚度、光学孔径、曲率半径和圆锥系数)，通过光学系统模型解算得到近场光斑直径、远场光斑直径和光斑能量峰值照度，并输出所述仿真结果给数据处理与可视化模块。数据处理与可视化模块记录激励电路仿真预测模块、激光器仿真预测模块和光学系统仿真预测模块的预测结果，进行数据处理与可视化显示。所述预测结果包括激励电路仿真预测模块输出的第一前向驱动电流、激光器仿真预测模块输出的激光器输出功率、光学系统仿真预测模块输出的近场光斑直径、远场光斑直径和光斑能量峰值照度。

4、本发明公开的一种脉冲激光引信探测器发射模块数字化预测方法，基于所述一种脉冲激光引信探测器发射模块数字化预测系统实现。所述一种脉冲激光引信探测器发射模块数字化预测方法，包括如下步骤：

5、步骤一：为提升脉冲激光引信探测器的探测距离和定距精度，在激励电路仿真预测模块构建电学仿真模块的激励电路前向驱动电流模型，所述激励电路模型除添加电路参数(mos管开关、开关驱动芯片、回路电感、储能电容和回路电阻)外，还考虑到第一激光器参数(内阻、杂散电感和杂散电容)对第一前向驱动电流脉宽、峰值和上升时间的影响。所述激励电路前向驱动电流模型，通过仿真优化激光器内阻、杂散电感和杂散电容参数，提高第一前向驱动电流峰值，缩短第一前向驱动电流的脉宽和上升时间，从而使受第一前向驱动电流波形影响的脉冲激光信号具有脉宽窄、上升时间短和峰值功率高的特点，进而提升脉冲激光引信探测器的探测距离和定距精度。

6、在激励电路仿真预测模块中，根据rlc回路充放电原理，考虑激光器布局引起的杂散电感、杂散电容和电阻值，放电时c1、c2、r1、r2、l1和l2组成rlc谐振电路，放电回路有如下方程成立：

7、

8、

9、i＝i1+i2 (3)

10、式中，c1为储能电容的容值，c2为激光器外围杂散电容，r1为回路电阻，r2为激光器内阻，l1为回路电感，l2为激光器杂散电感，i1、i2分别是流过激光器和激光器外围杂散电容的电流，i为总回路电流，将式(2)、式(3)代入式(1)并进行微分、化简得：

11、

12、式(4)的通解用如下形式表示：

13、

14、式中，常数系数s1、s2、a1、a2的值由电路的工作状态决定，电路的工作状态取决于r、l和c的取值。理论上定义电路的衰减系数为δ＝r/2l，其中r为串联电路的总电阻，l为串联电阻的总电感，因此定义衰减系数为：

15、

16、固有频率为：

17、

18、阻尼系数为：

19、

20、电路的自然振荡角频率为：

21、

22、

23、由式(9)知，当时，电路处于欠阻尼状态，此时产生的第一前向驱动电流峰值最大，脉宽最窄，因此脉冲激光激励电路前向驱动电流建立如下模型：

24、i＝ae-δt sin(ωt) (11)

25、

26、将参数代入式(11)后，得到脉冲激光激励电路前向驱动电流模型为：

27、

28、作为优选，采用pspice电学仿真软件建立所述激励电路前向驱动电流模型。首先添加mos管开关和mos开关驱动芯片，完成mos管开关驱动电路和rlc充放电回路搭建，然后对电路中的储能电容、回路电感、回路电阻以及激光器内阻、杂散电感和杂散电容进行控制变量设置，选择参数化扫描的仿真模式，在选择合适参数值的前提下使得到的第一前向驱动电流具有脉宽窄、上升时间短、峰值电流高的性能。

29、步骤二：在simulink仿真平台中添加pspice仿真单元，根据所述激励电路仿真预测模块构建的激励电路前向驱动电流模型，基于pspice仿真单元搭建用于仿真脉冲激光引信探测器的激励电路，即通过simulink仿真平台实现所述激励电路仿真预测模块和pspice仿真单元之间的仿真数据交互。此外，利用simulink元件库中的信号源模型实现激励电路中脉冲信号源(重频、脉宽、幅值)、驱动芯片供电电压和rlc充放电回路供电电压的参数输入，通过pspice仿真单元对脉冲激光引信探测器的激励电路仿真得到激励电路第二前向驱动电流。

30、作为优选，在simulink仿真平台，添加pspice仿真单元，为实现述激励电路仿真预测模块和pspice仿真单元之间的仿真数据交互，将simulink与pspice仿真文件保存在同一路径下，随后对pspice仿真单元添加输入源，利用simulink元件库中的信号源模型实现激励电路中电压源的输入，通过pspice仿真单元对已经参数化设置的电路参数进行赋值，以便将仿真输出的第二前向驱动电流作为激光器仿真预测模块的输入，并将输出结果输入到数据处理与可视化模块进行可视化显示，实现数据传递。

31、步骤三：在激光器仿真预测模块中构建用于确定激光器输出功率与第二前向驱动电流的函数关系的激光器输出功率模型。将步骤二simulink仿真平台仿真输出的激励电路第二前向驱动电流，输入激光器输出功率模型，同时输入第二激光器参数，即阈值电流、峰值电流、电光效率和调整系数参数，通过所述激光器输出功率模型解算得到激光器输出功率，取峰值功率结果作为光学系统仿真预测模块的输入，并将激光器输出功率输入到数据处理与可视化模块进行可视化显示。

32、由选取的激光器型号确定激光器输出功率与第二前向驱动电流的函数关系曲线，如下所示：

33、

34、式中，η为电光效率，k为调整系数，ith为激光器阈值电流，imax为激光器正常发光的峰值电流。根据此式，将步骤二所述的simulink仿真平台输出的激励电路第二前向驱动电流作为激光器模型的输入，建立激光器仿真预测模块，仿真得到激光器输出功率，在获得第二前向驱动电流值和第二激光器参数的前提下提高激光器输出功率的仿真精度。

35、步骤四：在光学系统仿真预测模块中构建用于确定第三激光器参数、透镜参数输入与光斑直径、峰值照度结果输出的光学系统模型。将步骤三所述激光器仿真预测模块输出的激光器峰值功率，输入光学系统模型，同时输入第三激光器参数，即中心波长、子午发散角、弧矢发散角、发光面长度、发光面宽度，并且输入透镜参数，即透镜类型、材料、物距、厚度、光学孔径、曲率半径和圆锥系数，通过所述光学系统模型解算得到近场光斑直径、远场光斑直径和光斑能量峰值照度，将结果输入到数据处理与可视化模块进行可视化显示。所述光学系统仿真是在得到激光器仿真预测模块输出结果和所用透镜具体参数下进行的，确保准确预测光斑直径和峰值照度，进而实现激光器发射光束在电、光耦合仿真条件下的性能预估。

36、作为优选，步骤四中所述透镜采用一体化的非球面透镜作为准直透镜，轴对称的非球面准直镜的透镜方程为：

37、

38、光束通过透镜最终出射为一条平行的直线，针对子午方向准直，根据等光程原理，激光的准直模型中两条光线的光程相等，得：

39、

40、式中，f是透镜焦距，wf为透镜有效孔径高度，透镜厚度为m，n1和n2折射率为空气和透镜折射率。空气折射率为1，得到：

41、

42、从式(17)分析得到wf是双曲面方程，因此非球面透镜曲面特性是双曲线。定义激光发散角为θ，与镜头距离为d，以双曲线定义镜面，l为准线，f为焦点，c1为焦距，折射率为n，出射光平行光束为wf。根据费马定理有：

43、

44、定义r1为s1曲率半径，s1像距为d，根据球面成像原理得：

45、r1＝(n-1)d1 (19)

46、镜面双曲线方程为：

47、

48、根据双曲线的特性，双曲线曲率半径为焦距双曲线到准线距离为离心率e＝c1/a1，得到方程：

49、

50、联立式(20)和式(21)可确定双曲线方程，得到激光准直模型，进而确定镜面参数，输入参数包括透镜类型、材料、物距、厚度、光学孔径、曲率半径、圆锥系数。

51、作为优选，采用zemax光学仿真软件搭建光学系统模型并进行仿真，输入参数包括第三激光器参数和所述上式计算得到的透镜参数，通过光学系统仿真预测模块输出的近场光斑直径、远场光斑直径和光斑能量峰值照度来有效表征光学系统准直性能。

52、步骤五：在数据处理与可视化模块中搭建人机交互界面，首先调用激励电路仿真预测模块的第一前向驱动电流仿真结果并取峰值数据，进行数值和波形的可视化显示；然后调用激光器仿真预测模块的激光器功率仿真结果并取峰值数据，进行数值和波形的可视化显示；最后调用光学系统仿真预测模块的光斑图和光斑照度仿真结果并取光斑直径和峰值照度数据，进行数值和图形的可视化显示。

53、为了实现上述各模块间的数据交互与兼容，作为优选，数据处理与可视化模块基于matlab软件实现，通过matlab软件搭建gui界面，首先调用激励电路仿真预测模块的第一前向驱动电流仿真结果并取峰值数据，进行数值和波形的可视化显示；然后调用激光器仿真预测模块的激光器功率仿真结果并取峰值数据，进行数值和波形的可视化显示；最后调用光学系统仿真预测模块的光斑图和光斑照度仿真结果并取光斑直径和峰值照度数据，进行数值和图形的可视化显示。

54、还包括步骤六：基于步骤一至步骤四变换参数进行多次仿真。基于步骤一所述激励电路仿真预测模块，通过多次仿真合理设定第一激光器参数，使得到的第一前向驱动电流具有脉宽窄、上升时间短、峰值电流高的性能；基于步骤三所述激光器仿真预测模块，通过多次仿真合理设定用于确定激光器输出功率与第二前向驱动电流的函数关系的激光器输出功率模型，并输入第二激光器参数，使得到的激光器输出功率具有脉宽窄、峰值功率高的性能；基于步骤四所述光学系统仿真预测模块，通过多次仿真合理设定用于确定第三激光器参数、透镜参数输入与光斑直径、峰值照度结果输出的光学系统模型，用于得到最优近场光斑直径、远场光斑直径与光斑能量峰值照度的仿真结果；基于步骤五所述数据处理与可视化模块，实现上述各模块间的数据交互与兼容并对仿真结果进行可视化呈现。通过对脉冲激光引信探测器发射模块进行数字化优化，提高对发射模块硬件预测精度，缩短硬件调试周期，实现电路、光学一体化设计优化，有效提升脉冲激光引信探测器的探测距离和定距精度。

55、有益效果：

56、1、本发明公开的一种脉冲激光引信探测器发射模块数字化预测系统及方法，在激励电路仿真预测模块构建电学仿真模块的激励电路前向驱动电流模型，所述激励电路模型除添加电路参数(mos管开关、开关驱动芯片、回路电感、储能电容和回路电阻)外，还考虑到第一激光器参数(内阻、杂散电感和杂散电容)对第一前向驱动电流脉宽、峰值和上升时间的影响。所述激励电路前向驱动电流模型，采用参数扫描仿真技术优化激光器内阻、杂散电感和杂散电容参数，提高第一前向驱动电流峰值，缩短第一前向驱动电流的脉宽和上升时间，从而使受第一前向驱动电流波形影响的脉冲激光信号具有脉宽窄、上升时间短和峰值功率高的特点，进而提升脉冲激光引信探测器的探测距离和定距精度。

57、2、本发明公开的一种脉冲激光引信探测器发射模块数字化预测系统及方法，对探测器分立的仿真模型进行电学、光学一体化优化设计，通过pspice电学仿真软件建立激励电路仿真预测模块，使用zemax光学仿真软件建立光学系统仿真预测模块，基于simulink仿真平台完成激励电路仿真预测模块和电学仿真软件的数据交互，以及建立激光器仿真预测模块并与激励电路仿真预测模块进行联合参数协同仿真，利用matlab软件搭建数据处理与可视化模块实现上述各模块间的数据交互与兼容，为脉冲激光引信探测器发射模块电学、光学一体化设计提供预测途径和解决方案。

58、3、本发明公开的一种脉冲激光引信探测器发射模块数字化预测系统及方法，在实现有益效果1、2基础上，能够准确预测脉冲激光探测器在获得第一前向驱动电流电学仿真结果条件下的激光器输出功率，能够分析在得到激光器仿真预测模块输出结果和所用透镜具体参数条件下的光斑直径和峰值照度变化规律，以便进一步优化光学系统准直效果，实现脉冲激光引信探测器发射模块数字化协同建模，提高对发射模块硬件预测精度，缩短硬件调试周期，为脉冲激光引信探测器的硬件设计与优化提供有效的预测方法。