激光駕束制導(dǎo)儀中調(diào)制盤的設(shè)計(jì)

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，中國(guó)科學(xué)院光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造技術(shù)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)

1 引言

世界上采用激光駕束制導(dǎo)的導(dǎo)彈已經(jīng)經(jīng)歷了三代，第一代以RBS-70地空導(dǎo)彈系統(tǒng)為代表，第二代為瑞士和美國(guó)聯(lián)合研制的防空/反坦克(ADATS)系統(tǒng)，第三代為法、德、英等國(guó)聯(lián)合研制的反坦克導(dǎo)彈TRIGAT制導(dǎo)系統(tǒng)。激光駕束制導(dǎo)是激光制導(dǎo)中的一種指令制導(dǎo)技術(shù)，它由地面激光發(fā)射系統(tǒng)向目標(biāo)發(fā)射編碼激光束并控制導(dǎo)彈在光束中飛行，當(dāng)導(dǎo)彈偏離激光束中心時(shí)，彈上激光接收機(jī)和解算裝置檢測(cè)出飛行誤差，形成控制信號(hào)，控制導(dǎo)彈沿瞄準(zhǔn)線飛行，最終摧毀目標(biāo)。調(diào)制盤編碼是激光駕束制導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，用于進(jìn)行激光束的空間位置編碼。編碼方式有多種，如調(diào)幅式、調(diào)頻式、調(diào)相式、調(diào)寬式和脈沖編碼式。激光駕束制導(dǎo)儀采用的是調(diào)頻法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：抗干擾性能好，解碼器識(shí)別固定頻率，比識(shí)別幅度等參數(shù)不易受干擾;編碼方式簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn);對(duì)激光器輸出的光強(qiáng)分布均勻性沒(méi)有苛刻的要求。

本文根據(jù)某激光駕束制導(dǎo)儀的需求，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式調(diào)制盤，在傳統(tǒng)調(diào)制盤的設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，提出了變角度設(shè)計(jì)方法。使用該方法可克服場(chǎng)與場(chǎng)交換處的誤碼，精確反應(yīng)坐標(biāo)的位置信息，實(shí)驗(yàn)表明該方法極大程度地提高了制導(dǎo)精度。

2 調(diào)制盤空間編碼原理

調(diào)制盤空間編碼原理如圖1所示。由激光器發(fā)射的連續(xù)激光，經(jīng)聚光系統(tǒng)后由調(diào)制盤外碼道入射，經(jīng)轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)由內(nèi)碼道出射，再經(jīng)變焦距物鏡后，將已調(diào)制的激光信號(hào)發(fā)射出去，形成供導(dǎo)彈識(shí)別坐標(biāo)位置的空間激光信息場(chǎng)，彈上接收機(jī)接收導(dǎo)彈位置信息信號(hào)，傳輸至彈上計(jì)算機(jī)，控制導(dǎo)彈飛行。

圖1 調(diào)制盤空間編碼原理Fig.1 Spatial encoding functional diagram of modulation disk

3 調(diào)制盤設(shè)計(jì)

3.1 單雙調(diào)制盤的選擇

為實(shí)現(xiàn)空間信息場(chǎng)方位(Z場(chǎng))和高低(Y場(chǎng))兩場(chǎng)的交替出現(xiàn)，可采用單調(diào)制盤雙碼道和雙調(diào)制盤單碼道兩種結(jié)構(gòu)形式。

雙調(diào)制盤單碼道方案中高速直流伺服電機(jī)通過(guò)齒輪組分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)調(diào)制盤分別產(chǎn)生高低和方位信息場(chǎng)，兩調(diào)制盤和兩碼道的尺寸完全相同。這種方案的缺點(diǎn)是齒輪精度要求高，加工難度大;占用空間體積大。

單調(diào)制盤雙碼道方案是在一塊調(diào)制盤上刻蝕兩條同心但不同半徑，而徑向?qū)挾认嗤拇a道，激光通過(guò)外碼道入射，經(jīng)過(guò)一倍轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)從內(nèi)碼道岀射，實(shí)現(xiàn)兩場(chǎng)的信息交替。該方案所占用的空間體積小，有利于制導(dǎo)儀的箱體內(nèi)部布局。因此本文選用了單調(diào)制盤雙碼道方案。

3.2 碼道設(shè)計(jì)

3.2.1 碼道寬度設(shè)計(jì)

調(diào)制盤碼道寬度b經(jīng)過(guò)變焦光學(xué)系統(tǒng)后，形成光斑信息場(chǎng)。碼道寬度b的選擇受兩方面限制：(1)變焦距的體積和重量。碼道寬度越寬，相當(dāng)于光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)增大，變焦距的徑向尺寸也加大，不利于減輕制導(dǎo)儀的體積和重量;(2)若空間光斑信息場(chǎng)的直徑φ為定值，則整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的倍率β只與碼道寬度b有關(guān)，碼道寬度越寬，β越小，變焦距在空間信息場(chǎng)上的光軸漂移量越小，制導(dǎo)精度越高。以上兩個(gè)因素互相影響和制約，因此，本文選擇調(diào)制盤碼道寬度b為1.65 mm，使變焦距尺寸適中，光軸漂移滿足要求。

3.2.2 兩碼道相對(duì)位置

外碼道的A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向與高低方向垂直，因此外碼道表征高低方向;內(nèi)碼道的B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向與水平方向垂直，因此內(nèi)碼道表征水平方向。根據(jù)制導(dǎo)儀的實(shí)際布局確定，激光的入射點(diǎn)為A點(diǎn)，岀射點(diǎn)為B點(diǎn)。為保證兩場(chǎng)信息的順序交替，需滿足以下幾點(diǎn)要求：

(1)兩碼道所在的圓周180°刻蝕調(diào)制碼，另外180°空白;

(2)兩碼道彼此相錯(cuò)90°;

(3)A點(diǎn)為外碼道的起點(diǎn)，B點(diǎn)為內(nèi)碼道的起點(diǎn)或者A點(diǎn)為外碼道的終點(diǎn)，B點(diǎn)為內(nèi)碼道的起點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 兩碼道的相對(duì)位置Fig.2 Relative positions between inner and outer code paths

4 調(diào)制頻率設(shè)計(jì)

4.1 最大可接受分辨率

為表征導(dǎo)彈的高低和方位信息，每個(gè)碼道至少有兩種頻率，最簡(jiǎn)單的編碼方式如圖3所示。圖3是將調(diào)制盤的內(nèi)碼道半圓展開，則呈矩形狀，矩形高是光帶的180°范圍，矩形寬是半圓周的徑向范圍，碼道內(nèi)只有f1和f2兩種頻率。由頻率f1和f2掃過(guò)彈上接收機(jī)的時(shí)間τf1，τf2可以確定導(dǎo)彈的空間位置C。從圖3看出，由于只有兩種頻率的碼，每種頻率的利用率只有50%。頻率的分辨率由下式計(jì)算：

圖3 調(diào)制盤內(nèi)碼道半圓展開圖Fig.3 Developed representation for inner code path of modulation disk

所以在線性區(qū)直徑φ'一定情況下，分辨率的大小取決于頻率碼的數(shù)量n1。在確定最大可接受分辨率后，可確定n1，則剩余3種頻率碼的數(shù)量要大于n1。

4.2 頻率值的確定

由于大氣抖動(dòng)和漩流會(huì)使空間頻率碼變形，變形后的碼頻率周期變長(zhǎng)或縮短。為此每?jī)煞N頻率的確定，要以接收機(jī)能區(qū)分開為前提，這就要求兩種碼的周期之差要大于10 μs。

根據(jù)最大可接受分辨率和兩頻率的周期之差大于10 μs兩個(gè)原則，當(dāng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)速為100 r/s時(shí)，確定內(nèi)外碼道的4種頻率如下：

頻率 f1在180°范圍內(nèi)100 對(duì)碼，f1=20 kHz，周期0.05 ms;

頻率f2在180°范圍內(nèi)125 對(duì)碼，f2=25 kHz，周期0.04 ms;

頻率 f3在 180°范圍內(nèi) 166對(duì)碼，f3=33.2 kHz，周期 0.03 ms;

頻率f4在180°范圍內(nèi)250 對(duì)碼，f4=50 kHz，周期0.02 ms。

但以上設(shè)計(jì)出現(xiàn)了在20～50 kHz，頻率范圍越寬，抗干擾能力越差的特點(diǎn)，這給接收機(jī)電路設(shè)計(jì)造成很大難度。為此，本文提出每個(gè)碼道3種頻率的方案，即內(nèi)碼道有f1，f2和f5，外碼道有f3，f4和f5，內(nèi)、外碼道的頻率f5相同，刻蝕密度大，分辨率高，如圖4所示。內(nèi)碼道所在圓環(huán)的半徑分別為R1和R2，f1外半徑為R1，每對(duì)的內(nèi)半徑呈線性減小變化。f2內(nèi)半徑為R2，每對(duì)的外半徑呈線性增大變化。f5的內(nèi)半徑和外半徑均呈線性增大變化，外碼道分布與內(nèi)碼道同理。圖4和圖5分別為調(diào)制盤局部放大圖和平面示意圖。

圖4 調(diào)制盤局部放大圖Fig.4 Partial enlarged detail of modulation disk

圖5 調(diào)制盤平面示意圖Fig.5 Schematic plan of modulation disk

4.3 偏航信息原理

將調(diào)制盤的內(nèi)、外碼道半圓展開，則呈矩形狀，矩形高是光帶的180°范圍，矩形寬是半圓的徑向范圍，內(nèi)碼道為R2～R1，外碼道為R3～R4，如圖6所示。內(nèi)碼道從上向下移動(dòng)，掃過(guò)接收機(jī)，表征導(dǎo)彈的左右位置信息;外碼道從左向右移動(dòng)，表征導(dǎo)彈的高低位置信息。彈上接收機(jī)通過(guò)接收頻率 f1，f2，f3，f4的掃描時(shí)間 τf1，τf2，τf3，τf4計(jì)算表征位置信息的調(diào)制系數(shù)Kz和Ky，可由下式計(jì)算得到：

圖6 調(diào)制盤給出偏航信息原理圖Fig.6 Schematic diagram of modulation disk defining deviation information

Kz＞0，導(dǎo)彈右偏;

Kz＜0，導(dǎo)彈左偏;

Ky＞0，導(dǎo)彈上偏;

Ky＜0，導(dǎo)彈下偏;

Kz=0，Ky=0，導(dǎo)彈零偏，位于信息場(chǎng)中心。

5 變角度設(shè)計(jì)

調(diào)制盤按3.2中的原理工作時(shí)，內(nèi)碼道產(chǎn)生的調(diào)制光是上下掃瞄，外碼道產(chǎn)生的調(diào)制光是左右掃瞄，由于各頻率明暗相間的碼是按調(diào)制盤的直徑方向刻制的，各頻率與掃描方向垂直，在場(chǎng)與場(chǎng)(一碼道起始與另外一碼道的末尾)的交接處，會(huì)產(chǎn)生兩碼道的碼重疊或丟失，使接收機(jī)不能識(shí)別信號(hào)，最終影響制導(dǎo)精度。接收機(jī)的位置不同，誤碼情況不同，圖7為z場(chǎng)(內(nèi)碼道末尾)與y場(chǎng)(外碼道起始)的交接示意圖。掃過(guò)透光區(qū)高電平，非透光區(qū)為低電平，當(dāng)接收機(jī)位于位置1時(shí)，f3與f2重疊，輸出波形如圖8所示;當(dāng)接收機(jī)位于位置2時(shí)，透光時(shí)間變長(zhǎng)，輸出波形如圖9所示;只有接收機(jī)位于位于位置3時(shí)，輸出信號(hào)正常，輸出波形如圖10所示。

圖7 z場(chǎng)與y場(chǎng)的交接示意圖Fig.7 Schematic of crossover position between z field and y field

圖8 接收機(jī)位于位置1時(shí)的輸出波形Fig.8 Output waveform of receiver in position 1

圖9 接收機(jī)位于位置2的時(shí)輸出波形Fig.9 Output waveform of receiver in position 2

圖10 接收機(jī)位于位置3時(shí)輸出波形Fig.10 Output waveform of receiver in position 3

針對(duì)上述問(wèn)題，基于原調(diào)制盤設(shè)計(jì)思想，將各頻率沿徑向方向旋轉(zhuǎn)45°，如圖10所示，使彈上接收機(jī)不論位于信息場(chǎng)任何位置時(shí)，場(chǎng)與場(chǎng)交接處均不會(huì)出現(xiàn)丟碼或錯(cuò)碼，輸出信號(hào)正常，從而保證了5 ms的場(chǎng)周期，提高了制導(dǎo)精度。圖11和圖12分別為變角度調(diào)制盤內(nèi)、外碼道展開圖和平面示意圖。

圖11 變角度調(diào)制盤內(nèi)、外碼道展開圖形Fig.11 Developed representation for inner and outer code paths of changing angle modulation disk

圖12 變角度調(diào)制盤平面示意圖Fig.12 Schematic plan of changing angle modulation disk

6 結(jié)論

根據(jù)激光駕束空間編碼原理，設(shè)計(jì)了某激光駕束制導(dǎo)儀中使用的旋轉(zhuǎn)調(diào)制盤，給出了該調(diào)制盤的型式、內(nèi)外兩碼道和5種頻率值。根據(jù)各頻率的掃描時(shí)間，計(jì)算出調(diào)制系數(shù)Kz和Ky，以表征導(dǎo)彈的坐標(biāo)位置信息。在傳統(tǒng)調(diào)制盤的設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上，提出了變角度調(diào)制盤設(shè)計(jì)方法，從而克服了場(chǎng)與場(chǎng)交接處的誤碼，精確反應(yīng)了坐標(biāo)的位置信息。對(duì)制導(dǎo)儀工程樣機(jī)的測(cè)試表明，變角度調(diào)制盤設(shè)計(jì)結(jié)果合理可行，很大程度上提高了制導(dǎo)精度。

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