激光制导是用来控制飞行器飞行方向，或引导兵器击中目标的一种激光技术，在光电制导领域发展较晚但却进步神速。激光制导与其他制导种类相比具有结构简单、作战实效成本低、抗干扰性能好、命中精度高等优点。不足之处是受大气及战场条件影响较大，不能全天候工作等。

【实验目的】

(1)学习光电位置传感器特性测量及光路设计方法;

(2)了解激光制导实验系统光路装配和调试方法。

【实验原理】

激光制导的基本原理是: 用激光器发射激光束照射目标，装于弹体上的激光接收装置则接收照射的激光信号或目标反射的激光信号，算出弹体偏离照射或反射激光束的程度，不断调整飞行轨迹，使战斗部沿着照射或反射激光前进，最终命中目标。

激光制导方式有半主动寻的式、全主动寻的式和波束式(驾束式)三种。目前激光制导武器中大都采用半主动激光制导方式，即导引头(它安装在导弹上，被用来自动跟踪目标并测量导弹的飞行误差)与激光照射装置分开配置于两地，前者随弹飞行，后者置于弹外。激光照射器用来指示目标，故又称激光目标指示器。导引头通过接收目标反射的激光照射器照射的激光或直接接收照射激光，引导导弹飞向目标。

(1)半主动式激光制导

半主动式激光回波制导系统的工作过程是: 激光发射机作为信号源装在地面、车船或飞机上，发射激光束为制导武器指示目标，弹上的激光导引头接收目标反射的激光信号，并跟踪目标上出现的激光光斑，引导战斗部飞向激光光斑，最终命中目标。半主动式回波制导广泛应用于各种武器的制导系统中，如激光制导炸弹、激光制导导弹、激光制导炮弹等，是所有制导武器中制导精度最高的。

(2)全主动式激光制导

这种制导方式是将激光照射器和目标寻的器都装在弹上，由激光照射器发射激光，目标寻的器接收目标反射回的激光信号，再通过弹上控制系统将弹体引向目标。

(3)波束式激光制导

激光波束制导又叫激光驾束制导，其工作过程是: 激光照射器先捕捉并跟踪目标，给出目标所在方向的角度信息，然后经火控计算机控制弹体发射架，以最佳角度发射导弹，使它进入激光波束中(进入波束的方向要尽可能与激光束轴线的方向一致)。弹体在飞行过程中，弹上激光接收机接收到激光器直接照射到弹上的激光信号，从中处理出制导所需的误差量，即弹体轴线与激光束轴线的偏离方向和大小，并将这个误差量送入弹的控制系统，由控制系统控制弹的飞行方向和姿态，始终保持弹与激光照射光束的重合，最终将战斗部引导于目标上。此种制导方式就像让导弹骑在激光束上滑行一样，所以俗称“驾束制导”。

本实验采用光电位置传感器(PSD，Position Sensitive Device)接收目标的激光信号，模拟半主动式激光制导过程。

半导体光电位置传感器PSD是一种基于横向光电效应的光电位置敏感探测器，除了具有光电二极管阵列和CCD的定位性能外，还具有灵敏度高、分辨率高、响应速度快和电路配置简单等特点。PSD的发展趋势是高分辨率、高线性度、快响应速度及信号采集处理等多功能集成。PSD可用于精密尺寸、三维空间位置和角度的测量，是近程(10m以内)实时测量飞行器位置和距离的极佳器件，如空中加油机等空间飞行器对接中可精确提供目标的相对位置、距离及角度姿态，空间光通信中位置误差信号的提取等。随着光电子技术和MEMS技术的结合，集成PSD器件系统的应用将更加广泛。

实用的PSD一般采用PⅠN结构，PⅠN二极管由三层半导体材料组成，即高浓度的P+区、高浓度的N+区及其在二者之间的高阻本征Ⅰ区。由于Ⅰ区的电阻率极高，其中能电离的掺杂原子很小，耗尽层将占据整个Ⅰ区并向P+区与N+区两边作少许扩展。但因为这两个区域的掺杂浓度很高，这种扩展极为有限，所以耗尽层的宽度基本上等于Ⅰ层厚度。

当外加电压为0时，整个Ⅰ区已成为耗尽层。进一步给二极管加反向偏压时，由于P+区和N+区掺杂浓度很高，其中相应地存在大量可以电离的施主与受主，因此耗尽层宽度增加得很少，结电容基本上与反向偏压无关。因此，PⅠN结构有助于减小电容效应，提高量子效率，改善波长特性。其结构如图25.1所示。

2D-PSD器件是一种以电荷分配为原理的位置灵敏探测器件。它把所产生的电流分成了四部分，进行归一化后，确定出X和Y位置坐标，完成二维位置的测量。图25.2为2D-PSD 表面结构图及光照下的等效电路图。图中，2D-PSD灵敏区面积为L ×L平方单位，四个电极结构设置如图所示。I1、I2、I3、I4分别为四个电极所收集的光电流，I为所产生的总的光电流，Ix和Iy为总的光生电流I在x、y方向的水平和垂直分量。能量为hv的光子入射位置如图25.2所示。

图25.1PSD基本结构示意图

图25.22D-PSD表面结构图及光照下的等效电路图

由于取灵敏面积的中心位置O为二维x-y坐标系原点，因而光点的位置坐标为(x， y)。等效电路图中，I为总的光电流，C为2D-PSD的单位耗尽层结电容，R为2D-PSD 的分流电阻。

2D-PSD器件灵敏表面位置薄层电阻率为ρ，厚度为W，坐标为(x，y)的光点把灵敏表面分成了四部分，即R1、R2、R3、R4。它们占据的灵敏表面面积分别为平方单位，表面薄层电阻Rs占据灵敏表面面积为L×L平方单位。

因而有

当能量为hv的光子入射到光敏表面向四面八方流动时，产生的光电流Ⅰ可用两个正交分量Ⅰx和Ⅰy表示。Ⅰx为平行于x轴方向的分量，Ⅰy为平行于y轴方向的分量，Ⅰx+Ⅰy=Ⅰ。由于表面薄层电阻线性均匀一致，载流子的移动符合欧姆定律，四个电流分量Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅰ4分别流经电阻R1、R2、R3、R4，同时Ⅰx、Ⅰy两个分量也都流经R1、R2、R3、R4，然后到达四个电极。因此每个电极上的电流分别为

其组合表达式为:

由式(25.4)可以看出，归一化的入射光点位置坐标(x，y)可以通过四个电极上的电流而获得。这样可以消除光点位置(x、y)与总的光生电流(即光强)的依赖关系，从而消除光强的不均匀性所引起的位置测量误差。

图25.3所示为2D-PSD检测x、y信号网络框图。图中U1、U2、U3、U4为低漂移前置运算放大器，对Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3和Ⅰ4电信号进行放大。U5、U6、U7、U8为集成运算加法器，分别输出Ⅰ1+Ⅰ2、Ⅰ3+Ⅰ4、Ⅰ2+Ⅰ3、Ⅰ1+Ⅰ4。U9、U11为集成运算减法器，分别输出Ⅰ1+Ⅰ( )2 - Ⅰ3+Ⅰ( )4 和 Ⅰ1+Ⅰ( )4 - Ⅰ2+Ⅰ( )3 。U10为集成运算加法器，输出为Ⅰ1+Ⅰ2+Ⅰ3+Ⅰ4。U12和U13为集成运算除法器，分别输出

图25.3 2D-PSD检测x、y信号网络框图

基于SOⅠ的PSD器件结构如图25.4所示。顶层为Si3N4/SiO2抗反射增透膜，单晶硅膜层为横向的PⅠN结构，中间一层为绝缘埋层(一般为SiO2)，底层为硅衬底。对于薄膜电路，顶层单晶硅膜一般不超过100nm，对于厚膜电路，顶层单晶硅膜一般在几个微米。基于SOⅠ结构的器件其显著特点有: 完全的介质隔离、提高电路的工作速度、消除闩锁效、优良的抗辐射性能及耐高温性能。

25.4 基于SOⅠ的PSD器件结构图

采用SOⅠ结构制作的光电位置传感器(PSD)可以使响应速度大大提高，其原因是埋层下面的光吸收层产生的光生载流子被自然隔离，使载流子扩散时间明显减少。利用表面SiO2/Si3N4为器件的抗反射增透膜层，埋层氧化层Ⅰ层作为底层反射层，使入射光被反复吸收，有助于在获得高响应速度的同时也能得到高的响应度。开发高性能的PSD器件，基于SOⅠ结构是其首选。对于非接触式的位置检测，PSD作为一种响应速度快、线性度好、分辨率高的光斑敏感器件越来越受到人们的重视。(www.daowen.com)

【实验仪器】

CA9005信息光电子综合实验系统、实验用电路板、850nm LED、光学成像镜头、光电位置传感器

【实验内容及步骤】

(1)光电位置传感器特性测量

①将光学成像镜头旋入光电位置传感器前端接口，再用75mm支架将组件固定于光学平台中心偏右15cm位置，镜头正对左方，与平台中心线平行。连接PSD输出信号至主机PD输入端口。

②将850nm LED用75mm支架固定于光学平台中心偏左15cm位置，出光口正对右方。连接850nm LED控制信号至主机LD1端口。

③检查电路连接无误后打开电源。

④设置LD1工作模式(MOD)为恒流驱动(ACC)，850nm LED为恒定电流工作模式，驱动电流(Ic)置为20mA。

⑤设置测量模式(OPMMOD)为PD/AM模式，量程(RTO)切换至1mW。

⑥为使光斑信号成像在PSD光敏区，需仔细调节LED高度，找到信号最强的位置后固定LED。如果测量数据太小或饱和，可以适当改变量程。记录此数据。

⑦将LED向光路水平两侧改变位置，两侧各测量四个孔位，重复上一步骤，记录相应数据。在不同位置处，LED应保持指向PSD。

⑧测量并计算各位置相对PSD光轴的角度，根据所得数据，作光电位置传感器I-θ特性曲线。

(2)光电自动寻的系统实验

①将光电位置传感组件装配到电动转台上，再用50mm支架将组件固定于光学平台中心偏右15cm位置。将电机控制接口连接至主机OSA端口，PSD输出信号连接至主机PD输入端口。

②将850nm LED用50mm支架固定于磁性表座上，置于光学平台中心偏左15cm位置，出光口正对右方。连接850nm LED控制信号至主机LD1端口。

③检查电路连接无误后打开电源，设置电机控制模式OSAMOD为MOTO模式，调节WL，使PSD镜头正对左方，光轴与平台中心线平行。

④设置LD1工作模式(MOD)为恒流驱动(ACC)，850nm LED为恒定电流工作模式，驱动电流(Ic)置为20mA。

⑤设置测量模式(OPMMOD)为PD/AM模式，量程(RTO)切换至1mW。

⑥为使光斑信号成像在PSD光敏区，需仔细调节LED高度，找到信号最强的位置后固定LED。如果测量数据太小或饱和，可以适当改变量程。记录此数据，忽略小数点后除以10作为制导数据，将该数据输入Vth。

⑦设置测量模式(OPMMOD)为TRACE-方式，进入自动跟踪模式。在TRACE-方式下，测量数据忽略小数点后除以10的值大于Vth时，将使电机向WL增加的方向转动。在TRACE+方式下，电机向相反方向转动。

⑧在PSD锁定目标后，微调Vth参数可以调节系统静态偏差角度。

⑨将LED向光路水平两侧缓慢滑行改变位置，滑行过程中LED应保持指向PSD。观察PSD光轴方向是否跟随LED的移动而改变。

⑩将LED在原位置左右前后各15cm范围内移动，记录系统能自动跟踪的目标区域，在方格纸上绘出自动跟踪区域的边界。

【思考题】

(1)简述激光制导的基本原理。

(2)激光制导的方式有哪几种?

【注意事项】

(1)LED通电后禁止对准人眼，以防被灼伤。

(2)光学成像镜头禁止用手触摸和接触硬物，只能用专用的镜头纸擦拭。