激光駕束觀瞄制導(dǎo)儀參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)

李 娜，王 紅

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造技術(shù)中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100039）

激光駕束觀瞄制導(dǎo)儀參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)

李 娜1，2，王 紅1

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造技術(shù)中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100039）

為使激光駕束觀瞄制導(dǎo)儀各項(xiàng)性能參數(shù)能夠在室內(nèi)完成全面檢測(cè)，提出了一種參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。對(duì)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的各組成部分分別進(jìn)行了論述。該系統(tǒng)可檢測(cè)固定焦距的激光通道與瞄準(zhǔn)通道兩軸線平行度、典型位置的輸出特性、全程變焦過(guò)程中激光軸相對(duì)于瞄準(zhǔn)軸的最大失調(diào)量，并可運(yùn)用CCD圖像處理技術(shù)檢測(cè)激光信息場(chǎng)輻照度的均勻性等，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)。模擬試驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)方案能夠滿足工程中實(shí)際檢測(cè)的要求。

激光駕束觀瞄制導(dǎo)儀；性能參數(shù)；檢測(cè)

1 引言

激光制導(dǎo)技術(shù)是繼電視、雷達(dá)、紅外制導(dǎo)之后的又一類制導(dǎo)方式。激光駕束制導(dǎo)是激光制導(dǎo)中的一種指令制導(dǎo)方式，具有制導(dǎo)精度高、隱蔽性好、適應(yīng)性強(qiáng)、制導(dǎo)設(shè)備輕等特點(diǎn)，在中、短程導(dǎo)彈中得到了廣泛的應(yīng)用。激光駕束觀瞄制導(dǎo)儀主要由瞄準(zhǔn)通道和激光通道兩部分組成。首先操作手通過(guò)瞄準(zhǔn)通道手動(dòng)捕獲、瞄準(zhǔn)并跟蹤目標(biāo)，激光通道發(fā)射已調(diào)制的激光編碼信號(hào)，形成供導(dǎo)彈識(shí)別坐標(biāo)位置的空間信息場(chǎng)。位于彈尾的激光接收機(jī)接收導(dǎo)彈所在位置的信息場(chǎng)信息，經(jīng)電路處理后，控制導(dǎo)彈沿激光信息場(chǎng)中心飛行，直至命中目標(biāo)。因此，激光駕束觀瞄制導(dǎo)儀的有效工作需控制瞄準(zhǔn)通道和激光通道兩軸平行，并實(shí)時(shí)輸出導(dǎo)彈在空間信息場(chǎng)的位置信息，且信息場(chǎng)內(nèi)的輻照度具有較高的均勻性，才能保證導(dǎo)彈在信息場(chǎng)任何位置都可接收到激光能量，確保導(dǎo)彈不會(huì)失控。激光駕束觀瞄制導(dǎo)儀參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的主要作用是對(duì)觀瞄制導(dǎo)儀的以上各性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，確定各部分工作正常，技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

2 主要測(cè)試項(xiàng)目

本系統(tǒng)的主要測(cè)試項(xiàng)目有：

（1）檢測(cè)長(zhǎng)焦距時(shí)激光信息場(chǎng)與可見(jiàn)光瞄準(zhǔn)具軸線平行度；

（2）固定焦距的激光信息場(chǎng)特征點(diǎn)位置的輸出特性；

（3）全程變焦過(guò)程中激光軸相對(duì)于瞄準(zhǔn)軸的最大失調(diào)量；

（4）運(yùn)用CCD圖像處理技術(shù)，檢測(cè)激光信息場(chǎng)輻照度的均勻性。

3 參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

激光駕束觀瞄制導(dǎo)儀參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)主要由平行光管、特征孔提取機(jī)構(gòu)、激光接收機(jī)、CCD攝像機(jī)、綜合處理器等組成。圖1為參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖。觀瞄制導(dǎo)儀瞄準(zhǔn)（可見(jiàn)光）平行光管分劃板的十字絲后，由激光通道發(fā)射已調(diào)制的激光束，經(jīng)平行光管主鏡后，通過(guò)分光棱鏡分光，一路由激光接收機(jī)接收信息場(chǎng)功能特性，另一路由CCD攝取輻照度信息的視頻圖像。經(jīng)綜合處理器處理后可得到激光信息場(chǎng)典型位置的輸出特性、兩軸平行度、全程變焦過(guò)程中激光軸相對(duì)于瞄準(zhǔn)軸的最大失調(diào)量和輻照度均勻性。

圖1 參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Functional block diagram of parameter testing system

3.1 平行光管

系統(tǒng)平行光管的功能是提供觀瞄通道瞄準(zhǔn)用的無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)和已調(diào)制的激光信息場(chǎng)。為了使可見(jiàn)光和激光兩種波段像面齊焦，平行光管采用共軸全反射的牛頓式結(jié)構(gòu)。光學(xué)系統(tǒng)采用了拋物面主鏡，因而不產(chǎn)生球差。視場(chǎng)角較小，其成像質(zhì)量能夠滿足測(cè)量要求。圖2為平行光管的光學(xué)系統(tǒng)。

圖2 平行光管光學(xué)系統(tǒng)Fig.2 Optical system of collimator

3.2 特征孔提取機(jī)構(gòu)

特征孔提取機(jī)構(gòu)由分劃板、固定式金屬小孔板和轉(zhuǎn)動(dòng)式金屬小孔板組成。如圖3所示，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)的方式帶動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)不同位置的特征點(diǎn)的測(cè)量。

圖3 特征孔提取機(jī)構(gòu)Fig.3 Extraction structure of typical hole

3.2.1 分劃板

圖4給出了分劃板的刻線型式。雙夾線十字絲供觀瞄通道瞄準(zhǔn)，中心點(diǎn)為A，與中心孔1的圓心重合。在空間信息場(chǎng)上，激光通道的信息場(chǎng)中心軸始終位于觀瞄通道的瞄準(zhǔn)軸上方1m（稱為高飛量），對(duì)應(yīng)在分劃板上信息場(chǎng)中心B點(diǎn)距A點(diǎn)的距離為h′，其它4個(gè)孔2、3、4、5的圓心位于以B點(diǎn)為中心，以R′為半徑的圓上。

h′和半徑R′由下式計(jì)算得到。

圖4 分劃板刻線型式Fig.4 Division of the graticule

式中，S為制導(dǎo)距離，R為相應(yīng)距離信息場(chǎng)上特征點(diǎn)的半徑。

3.2.2 固定式金屬小孔板和轉(zhuǎn)動(dòng)式金屬小孔板

固定式金屬小孔板有5個(gè)小孔，與分劃板的5個(gè)特征孔相對(duì)應(yīng)，其作用是將分劃板除特征孔外的背景全部遮擋，如圖5所示。

圖5 固定式金屬小孔板Fig.5 Fixed metallic pore plate

圖6 轉(zhuǎn)動(dòng)式金屬小孔板Fig.6 Rotary metallic pore plate

圖6給出了轉(zhuǎn)動(dòng)式金屬小孔板。轉(zhuǎn)動(dòng)式金屬小孔板上只有兩個(gè)小孔，孔中心為C點(diǎn)和D點(diǎn)，與信息場(chǎng)中心B點(diǎn)距離仍為h′和R′。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)，齒輪傳動(dòng)副驅(qū)動(dòng)小孔板繞B點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，依次提取分劃板上特征孔中心孔1或孔2、3、4、5中的一個(gè)孔的指令值，來(lái)檢測(cè)輸出特性；由中心孔1的輸出特性來(lái)判斷瞄準(zhǔn)通道和激光通道的兩軸平行度并通過(guò)全程變焦測(cè)得兩軸的最大失調(diào)量。

3.3 激光接收機(jī)

激光接收機(jī)的作用是接收激光編碼信號(hào)，信號(hào)經(jīng)處理后輸出信息場(chǎng)的指令特性值。激光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)組成如圖7所示。激光通道的變焦距從短焦到長(zhǎng)焦，平行光管焦面上激光信息場(chǎng)的光斑直徑變化很大，根據(jù)接收機(jī)的分辨率和靈敏度，需恰當(dāng)選擇分劃板特征孔的直徑，合理地選擇接收機(jī)工作點(diǎn)，以滿足動(dòng)態(tài)范圍。

圖7 激光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)組成圖Fig.7 Composition diagram of laser receiver

3.4 CCD攝像機(jī)

用CCD攝像機(jī)攝取觀瞄制導(dǎo)儀特定焦距的激光光斑圖像，再由綜合處理器輸出輻照度均勻性。采用攝像機(jī)，靶面尺寸為8.8mm×6.6mm。為能在信息場(chǎng)上直徑為φ的范圍內(nèi)測(cè)試輻照度均勻性，最小的制導(dǎo)距離應(yīng)以靶面的短邊長(zhǎng)度6.6mm計(jì)算。

式中f′c為平行光管焦距。

因此，用CCD攝像機(jī)測(cè)量輻照度均勻性，要變焦到制導(dǎo)距離大于Smin所對(duì)應(yīng)的焦距。

3.5 綜合處理器

綜合處理器的功能是根據(jù)激光接收機(jī)輸出的信號(hào)值，計(jì)算處理出激光信息場(chǎng)的典型位置的輸出特性、兩軸平行度、全程變焦過(guò)程中激光軸相對(duì)于瞄準(zhǔn)軸的最大失調(diào)量。根據(jù)CCD輸出的視頻信號(hào)，處理判斷信息場(chǎng)內(nèi)輻照度均勻性是否符合要求。

4 功能檢測(cè)的計(jì)算

功能檢測(cè)包括激光軸與瞄準(zhǔn)軸的兩軸平行性、典型位置的特性指令和全程變焦過(guò)程中激光軸相對(duì)于瞄準(zhǔn)軸的最大失調(diào)量。

檢驗(yàn)人員首先由觀瞄準(zhǔn)通道瞄準(zhǔn)平行光管分劃板的雙十字線，激光通道變焦到制導(dǎo)距離2 000m所對(duì)應(yīng)的焦距并發(fā)射激光，使轉(zhuǎn)動(dòng)式金屬小孔板孔D與分劃板上中心孔重合，接收機(jī)便可測(cè)出中心孔1的指令值。若兩軸平行，測(cè)得歸一化指令值z(mì)向?yàn)?，y向?yàn)镃。若兩軸不平行，設(shè)測(cè)得歸一化指令值分別為Hz和Hy。r為空間信息場(chǎng)線性區(qū)的半徑，對(duì)應(yīng)的歸一化指令H＝1。兩軸平行性在z向和y向的偏差量按下式進(jìn)行計(jì)算。

兩軸不平行性的線量值為：

對(duì)應(yīng)距離S時(shí)，其角量值為

在此狀態(tài)下將觀瞄制導(dǎo)儀進(jìn)行全程變焦即可檢測(cè)出激光軸與瞄準(zhǔn)軸的最大失調(diào)量。

在檢測(cè)兩軸平行性的基礎(chǔ)上，將觀瞄制導(dǎo)儀變焦到固定焦距，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)式金屬小孔板旋轉(zhuǎn)，接收機(jī)便可依次檢測(cè)出信息場(chǎng)典型位置的指令值。

5 結(jié)論

本文所給出的方案為激光駕束觀瞄制導(dǎo)儀性能參數(shù)的室內(nèi)檢測(cè)開(kāi)拓了新的思路和途徑。該系統(tǒng)在以下3方面不同于以往的設(shè)計(jì)：（1）平行光管采用共軸全反射的牛頓式結(jié)構(gòu)，解決了以往折射式光管帶來(lái)的激光和可見(jiàn)光兩波段的像面不一致，影響檢測(cè)精度的問(wèn)題。（2）設(shè)計(jì)了特征孔提取機(jī)構(gòu)，通過(guò)分劃板、固定式金屬小孔板和轉(zhuǎn)動(dòng)式金屬小孔板的自身設(shè)計(jì)型式和三者之間的有效組合，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)信息場(chǎng)功能特性的測(cè)量。

（3）用CCD攝像機(jī)攝取觀瞄制導(dǎo)儀特定焦距的激光光斑圖像，由綜合處理器輸出輻照度均勻性。同時(shí)該系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，檢測(cè)精度高，并已通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。

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Parameter testing system for laser-beam riding guided sighting instrument

LINa1，2，WANG Hong1
（1.Key Laboratory of Optical System Advanced Manufacturing Technology，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）

In order tomeet the practical needs of laser-beam riding guided sighting instrumentswhich can be tested overall indoor，a parameter solution in the testing system is demonstrated to test the performance parameters.Each part in the parameter testing solution is discussed separately.The system can test the parallel error of the fixed focal length between laser axial and sighting axial，the typical position output characteristic of a controlling field，the biggest parallel error in the whole process of zoom，and the irradiance uniformity of a laser spot by applying the technique of CCD image processing.The system has advantages in simple structure，convenient operation，high accuracy and so on.In the analog test，the solution of the system meets the chal-lenge of practical needs in engineering.

laser-beam riding guided sighting instrument；performance parameter；testing

1674-2915（2010）03-0285-05

TH745

A

2010-03-11；

2010-04-13

李 娜（1982—），女，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，主要從事光學(xué)儀器設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：xingyunlina@sohu.com

王 紅（1969—），吉林長(zhǎng)春人，博士，副研究員，主要從事工程光學(xué)方面的研究。E-mail：wanghong@ciomp.ac.cn