導(dǎo)引頭性能檢測裝置設(shè)計

紀小輝

摘要：為實現(xiàn)在室內(nèi)對多款導(dǎo)引頭的目標識別、跟蹤、光軸一致性、激光回波接收性能的檢測，提出多目標識別方法、基于相對運動的跟蹤方法和多光譜光軸一致性的檢測方法，并設(shè)計一套由目標模擬器和兩軸運動轉(zhuǎn)臺組成的檢測裝置。目標模擬器采用反射望遠系統(tǒng)，可以提供不同灰度值的可見光目標、不同能級的紅外目標以檢測導(dǎo)引頭的目標識別性能;轉(zhuǎn)臺帶動導(dǎo)引頭運動，檢測導(dǎo)引頭的跟蹤性能;目標模擬器的準直系統(tǒng)提供光軸基準，檢測導(dǎo)引頭的多光譜光軸一致性;目標模擬器發(fā)出不同能級和角度的模擬回波激光，來檢測激光回波接收性能。實際檢測結(jié)果表明，可以實現(xiàn)對3～5個目標的識別，跟蹤精度優(yōu)于0.001rad，光軸一致性檢測精度達到15”，可接收視場角±1°，能級1nW～10uW的激光回波信號。滿足在室內(nèi)對導(dǎo)引頭性能檢測的要求。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)引頭性能;兩軸轉(zhuǎn)臺;多光譜反射式準直儀;多光譜光軸一致性;目標跟蹤與識別

中圖分類號：TJ765.3文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）04-0092-06

0引言

導(dǎo)彈靠雷達或其他方式的導(dǎo)引從發(fā)射端飛向目標，在接近目標的末端時，導(dǎo)引頭就是導(dǎo)彈的“眼睛”，其作用是發(fā)現(xiàn)、跟蹤目標，并最終引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標。導(dǎo)引頭一般具有兩個以上譜段的光學(xué)系統(tǒng)，通過可見光或紅外來發(fā)現(xiàn)目標，鎖定目標后，觸發(fā)激光測距跟蹤系統(tǒng)對目標進行照射，接收目標的回波信號，對其進行跟蹤。由此可見，對可見光或紅外系統(tǒng)來說，要求較大的視場和目標的判別能力，完成對目標的搜索和鎖定;對于激光測距跟蹤系統(tǒng)來說，要求出射光發(fā)散角小，能量強，回波接收視場角大;對不同光譜系統(tǒng)的光軸一致性要求高。導(dǎo)引頭的特性指標主要體現(xiàn)為目標的發(fā)現(xiàn)和識別能力、回波接收能力、光軸一致性等。

光軸一致性檢測方法主要有大口徑測量法、遠距離目標測量法和激光相紙檢測法;目標的發(fā)現(xiàn)、識別和跟蹤能力檢測主要有外場試驗和室內(nèi)半實物仿真法，以上方法都是對單個指標進行檢測，本文提出一種綜合檢測裝置，可實現(xiàn)對多款導(dǎo)引頭一次安裝，檢測多個項目，提高檢測效率。

1裝置組成

裝置由目標運動單元（兩軸仿真轉(zhuǎn)臺）和目標模擬單元（模擬目標器）組成，兩者處于分離狀態(tài)，被測導(dǎo)引頭安裝在轉(zhuǎn)臺上，目標模擬器安置在導(dǎo)引頭前方，兩者光軸對齊，如圖l所示。

轉(zhuǎn)臺給導(dǎo)引頭提供俯仰和方位運動，模擬實際狀態(tài);模擬器給導(dǎo)引頭提供多光譜無窮遠目標，模擬實際中的打擊目標。

1.1兩軸仿真轉(zhuǎn)臺組成

轉(zhuǎn)臺由外環(huán)（方位）軸系、內(nèi)環(huán)（俯仰）軸系兩部分組成，臺體設(shè)計成一個雙軸uu型立式轉(zhuǎn)臺。雙軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中的負載為各種類型的導(dǎo)引頭，負載工裝是根據(jù)導(dǎo)引頭類型而定的支撐架。

1.2目標模擬器組成

目標器主要由準直（望遠）系統(tǒng)、可見光模擬源、紅外模擬源、激光模擬源、ccD成像單元、目標靶單元、激光衰減單元、綜合控制柜組成，如圖3所示。移動反射鏡Ⅱ的切入切出，實現(xiàn)3個光譜光源之間的切換。移動反射鏡I和可動衰減片的切入切出，實現(xiàn)對射人的激光的成像。以上的移動均由電控實現(xiàn)，靶標擬采用手工的方式更換。

2檢測內(nèi)容及原理

2.1目標的發(fā)現(xiàn)與識別

首先進行導(dǎo)引頭和目標器的光軸對齊。轉(zhuǎn)臺帶動導(dǎo)引頭做方位運動，當(dāng)目標器的出射光（可見光或紅外光）進入導(dǎo)引頭視場時，在成像面上可出現(xiàn)模擬目標的像，如圖4所示。當(dāng)像基本成像于視場中心時，即可停止轉(zhuǎn)臺的運動。更換目標靶，使用多目標靶板，這時在導(dǎo)引頭成像面上出現(xiàn)多個灰度值不同的目標，可實現(xiàn)3～5個目標的識別，如圖5所示，開啟導(dǎo)引頭自動搜索功能，對目標進行發(fā)現(xiàn)和識別，根據(jù)判斷準則鎖定目標。

2.2目標的跟蹤

根據(jù)相對運動原理，當(dāng)目標不動時，轉(zhuǎn)臺帶動導(dǎo)引頭運動，就相當(dāng)于目標相對導(dǎo)引頭做反向運動，為了始終將目標鎖定于視場中心，導(dǎo)引頭則做反向運動，形成對目標的跟蹤。導(dǎo)引頭的目標有兩種，空中目標和對地目標，鎖定目標后，其俯仰的運動范圍不大，因此，這里主要采用方位跟蹤檢測。轉(zhuǎn)臺以規(guī)劃角速度轉(zhuǎn)動，如果被跟蹤目標始終在波門或四象限器跟蹤區(qū)內(nèi)被鎖定，從轉(zhuǎn)臺的輸出位置信息，即可判定跟蹤性能和得到跟蹤精度。

2.3激光回波信號的接收

回波信號的接收主要考慮能量和接收視場，對不同距離、天氣和目標時，激光的反射信號能量不同。根據(jù)模擬不同的情況，利用控制器使激光器發(fā)出不同脈寬、能量的激光來模擬回波信號，經(jīng)過激光器前擴束鏡擴束，照射到不同尺寸的分化板上，經(jīng)準直系統(tǒng)后，形成最大視場為2。的回波信號。

2.4光軸一致性的檢測

導(dǎo)引頭最多有可見光成像系統(tǒng)光軸、紅外成像系統(tǒng)光軸、激光發(fā)射光軸、激光接收光軸4個光軸。理論上4個光軸只有嚴格平行時，目標才能都成像在它們的視場中心。所以在一定誤差的允許下，完成對同一個目標的瞄準，4個光軸必須要進行一致性檢測。被測導(dǎo)引頭安裝在轉(zhuǎn)臺上，調(diào)整轉(zhuǎn)臺的方位和俯仰，同時對導(dǎo)引頭支撐工裝的線位移調(diào)整，使可見光系統(tǒng)的光軸（沒有可見光系統(tǒng)時，使用紅外系統(tǒng)光軸）和目標器的光軸對準，即目標器分化板的像處于可見光視場中心。點亮紅外光源，記錄目標器紅外分化板在導(dǎo)引頭紅外系統(tǒng)成像面的位置（x，y），如圖6所示，則可見光與紅外兩軸的夾角θ為

同理，導(dǎo)引頭發(fā)射激光脈沖，經(jīng)過衰減片后，成像在目標器的CCD靶面上，記錄光斑位置（x，y），則可見光與激光發(fā)射系統(tǒng)光軸夾角可用式（1）計算，焦距換成目標器的焦距。

目標器的激光輻射源發(fā)射模擬回波脈沖，出射后被導(dǎo)引頭接收，根據(jù)四象限器A、B、c、D象限的輸出信號值，可以計算出光斑中心在四象限器上的坐標（x，y），則可見光與激光接收系統(tǒng)光軸夾角可用式（1）計算，焦距換成激光接收系統(tǒng)的焦距。

3系統(tǒng)設(shè)計

3.1轉(zhuǎn)臺的設(shè)計

由于是對多款導(dǎo)引頭進行檢測，因此轉(zhuǎn)臺具有結(jié)構(gòu)尺寸大、運動載荷大、定位精度高、運動速度范圍寬、運動角加速度高等特點。具體要求如下：

1）負載：不大于200kg（含工裝）;

2）安裝面為1200mmx1200mm方形吊籃臺面;

3）方位軸與俯仰軸的最大角加速度：100°/s²;

4）方位軸與俯仰軸的角速度：≤100°/s;

5）方位軸與俯仰軸的角位置精度：10”;

6）方位軸：可連續(xù)旋轉(zhuǎn)nx360°;

7）俯仰軸：-90°～90°。

3.1.1機械臺體設(shè)計

機械臺體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，轉(zhuǎn)臺臺體（不含負載和工裝）的總質(zhì)量約為4100kg。

外環(huán)底座、內(nèi)環(huán)u型框架、左右支架和負載安裝u型臺面是轉(zhuǎn)臺的關(guān)鍵零件，這些零件良好的剛度是轉(zhuǎn)臺順利滿足精度指標要求的必要條件。為使轉(zhuǎn)臺正常工作，用ANSYS軟件對零件進行分析，在最大載荷作用下，轉(zhuǎn)臺基座最大變形為0.012mm，俯仰載物臺最大變形0.044mm，均滿足剛度要求，如圖7、圖8所示。

方位軸系由底座、本體、外環(huán)主軸、兩對角接觸軸承和滑環(huán)組成，軸上安裝有直流力矩電機、角度傳感器等部件，方位軸系可連續(xù)旋轉(zhuǎn)。方位軸系采用一對高精度的有預(yù)緊負載的精密角接觸球軸承7028AC/DB.P4、一對高精度7216/DF.P4與一套51156/P4推力球軸承。軸承一端相對軸承座固定，另一端軸承外圈相對軸承座移動，以補償軸系在加工引起的累積公差。該方案使?jié)L動軸系承載能力大，連接剛度高，可達到高的回轉(zhuǎn)精度。

俯仰軸系由u型框架、左右支架、左右軸、兩對角接觸軸承組成，左軸上安裝有直流力矩電機、編碼器和光電限位;右軸上安裝有直流力矩電機、機械限位等部件。俯仰軸系軸承兩端分別采用一對高精度7024AC/DB.P4精密角接觸球軸承。在游動端采用墊片補償軸系加工引起的累積公差，并使該端軸承也固定，以加強u型框架的搖擺剛度。該方案使外環(huán)軸系承載能力大，抗傾覆力矩能力強，連接剛度高，可達到高的回轉(zhuǎn)精度。

3.1.2驅(qū)動電機選型

驅(qū)動元件設(shè)計的一項重要原始數(shù)據(jù)就是轉(zhuǎn)動慣量的計算，方位軸系的轉(zhuǎn)動慣量計算（負載在極限位置時）I=2444kg·m²，根據(jù)指標要求，方位運動角速率不大于100°/s，角加速度不大于100°/s²，取計算加速度為150°/s²。所需的最大驅(qū)動力矩為Mmax=6400N·m。選用680LYX260B（T）電機，該力矩電機連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩為2000N·m，峰值堵轉(zhuǎn)力矩可達10000N·m。

俯仰軸系的轉(zhuǎn)動慣量計算（負載在極限位置時）為I=1220kg.m²，根據(jù)指標要求，外環(huán)角運動速率不大于100°/s，角加速度不大于100°/s²，同樣取計算加速度為150du3/s²。所需的最大驅(qū)動力矩：Mmax=3195N·m。選用兩臺425LYXl50B（T）電機，該力矩電機連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩為500N·m，峰值堵轉(zhuǎn)力矩可達3000N·m。

3.1.3測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)硬件由集中控制計算機、測控柜等構(gòu)成。按功能模塊分為測角系統(tǒng)模塊，數(shù)字控制系統(tǒng)模塊、上位機輸入輸出系統(tǒng)、電機驅(qū)動控制系統(tǒng)、外部通信接口系統(tǒng)等模塊組成。

測角系統(tǒng)選用德國海德漢公司的產(chǎn)品，其具體型號為ECN225（帶增量信號），其系統(tǒng)精度可以達到±10”，最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，可見該角度編碼器可滿足本轉(zhuǎn)臺要求。雙軸轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)是在Windows XP操作系統(tǒng)上開發(fā)的實時控制系統(tǒng)。為了滿足控制系統(tǒng)嚴格的響應(yīng)時間要求，設(shè)計上選用美國Ardence公司開發(fā)的RTX實時擴展模塊。其控制伺服周期可達到1ms，具有很高的系統(tǒng)響應(yīng)能力。

系統(tǒng)的所有功能都是圍繞控制系統(tǒng)（RTX）來實現(xiàn)的，它是整個系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)采用由電流環(huán)、位置環(huán)控制回路組成的多環(huán)路從屬結(jié)構(gòu)控制方式。通過D/A轉(zhuǎn)換卡控制電機驅(qū)動器的速度輸入，電機驅(qū)動器驅(qū)動電機來實現(xiàn)對電機的控制。轉(zhuǎn)臺機械臺體通過角度傳感器將轉(zhuǎn)臺位置信號，經(jīng)過測角模塊和數(shù)據(jù)采集卡反饋給控制程序，控制系統(tǒng)再采用PID及其他相應(yīng)輔助算法去控制轉(zhuǎn)臺，這就形成了系統(tǒng)的位置環(huán)。位置環(huán)是系統(tǒng)的主反饋環(huán)，它用于保證系統(tǒng)的精度。系統(tǒng)的電流環(huán)是通過驅(qū)動器內(nèi)部實現(xiàn)的，電流環(huán)是構(gòu)成電樞電流負反饋，以減小電源電壓波動的影響，提高控制力矩的線性度，同時防止功率轉(zhuǎn)換電路和電機過流。

3.2目標器的設(shè)計

目標器的主要作用是給導(dǎo)引頭提供無窮遠模擬目標，因此采用準直望遠系統(tǒng);考慮到是多光譜系統(tǒng)，因此確定光路結(jié)構(gòu)為離軸反射式結(jié)構(gòu)。

3.2.1離軸反射式系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)被測幾款導(dǎo)引頭的光學(xué)窗口布局和大小來設(shè)計目標器的孔徑大小，根據(jù)要求的出射光的平行性來設(shè)計焦距，綜合考慮以上因素后，確定系統(tǒng)通光孔徑為Ф300mm，焦距為2000mm，離軸量為150mm，主鏡采用雙曲面鏡，曲面半徑R=4000mm，曲面系數(shù)為-0.9958;次鏡采用平面鏡，通光孔徑065mm，使主光線偏轉(zhuǎn)90°，如圖3所示。視場采用雙視場設(shè)計，對于人射激光（λ=1064nm）成像光路采用±0.1°視場，成像面為CCD像面，見圖3，其成像的點列圖如圖9所示;最大彌散斑半徑（RMS）為7.331um，其對應(yīng)的視場角度為l”，而光軸平行性要求為10”，從而滿足光軸一致性檢測精度15”的要求。

使用此光路時，需要移動衰減片組和移動反射鏡組I，來實現(xiàn)光路的轉(zhuǎn)折。

對于模擬無窮遠目標的出射光路，包括可見光（λ=463nm）、紅外光路（λ=10um）和模擬激光（λ=1064nm）回波信號的光路，采用±1°視場，物面為分劃板，見圖3，此光路成像的點圖如圖10所示。最大彌散斑半徑（RMS）為75.325um，其對應(yīng)的空間角分辨率為8”，而被測導(dǎo)引頭的空間分辨率為200”，所以滿足檢測要求。

使用此光路時，可見光光路與紅外光路之間的切換，需要移動可動反射鏡組Ⅱ來實現(xiàn)。

3.2.2CCD的選型

CCD的選型主要考慮響應(yīng)波長和像元尺寸及成像視場的大小，由圖9可知，入射激光在成像視場±0.1°的范圍內(nèi)最大彌散斑半徑（RMS）為7.331um，所以CCD像元大小選擇4.65umx4.65um，分辨率1360x1024。

3.2.3分劃板的選型

分劃板供出射光路使用，模擬可見光、紅外的目標和回波激光反射物，可見光和紅外靶采用暗背景亮十字（圓孔），激光靶采用全亮背景。

3.2.4光源的選型

模擬可見光無窮遠目標，采用單色（綠光463nm）LED高亮背景光源，數(shù)字控制器控制光源的亮度，可采用發(fā)光面積70mmx70mm，24V/21w的光源。

模擬紅外無窮遠目標，主要考慮溫度范圍（0-125℃）、差分溫度范圍（-25-100℃）和輻射面積（≥4"x4"），可采用HGH公司DCN1000系列H4。

模擬被測產(chǎn)品激光的回波，主要考慮工作波長（1064±0.002）Ima、發(fā)散角（≤2）、激光脈寬（5～100ns連續(xù)可調(diào)）、工作頻率（0.25-20Hz可調(diào)）和準直系統(tǒng)出口處的輻射功率（0.5nW-5uw），可采用FL-1064-S型光纖激光器的定制型。

3.2.5衰減片的選型

實現(xiàn)對^射激光的衰減。有效通光孔徑≥Ф70mm，其中衰減片的衰減度根據(jù)人射激光能量、口徑等因素綜合而定。采用單導(dǎo)軌、螺旋傳動機構(gòu)，步進電機作為動力源，實現(xiàn)單元的切人切出。

4樣機實測

使用本裝置對某型號導(dǎo)引頭特性進行檢測，被測導(dǎo)引頭具有紅外搜索系統(tǒng)和激光跟蹤系統(tǒng)，激光發(fā)射軸和接收軸共軸，紅外系統(tǒng)與激光系統(tǒng)光軸一致性要求不大于100”。

4.1光軸一致性檢測

需要對紅外光軸和激光發(fā)射和接收光軸進行一致性檢測，打開目標器的紅外點源目標，使導(dǎo)引頭的紅外搜索系統(tǒng)瞄準此目標，調(diào)試用監(jiān)視器上瞄準目標如圖11所示。此時即完成了被測導(dǎo)引頭紅外光軸和目標器基準光軸的對準。

根據(jù)在2.4節(jié)中提出的方法，計算讀取圖3中CCD像面激光光斑對應(yīng)像面中心的位置x和y，并按照式（1）計算，焦距取目標器的焦距戶f=000mm，即可完成對激光軸的檢測，測試數(shù)據(jù)如表l所示。

按幾何平均的方法處理檢測結(jié)果，兩軸的一致性為97.3”，滿足指標小于100”的要求。用HGH公司的多光譜光軸一致性檢測儀（4”精度）作為高一級的標準，對被測導(dǎo)引頭進行檢測，得到兩軸一致性為92"，則本裝置的誤差△Ф=5.3”。

4.2目標識別與跟蹤

采用紅外多目標靶進行目標識別，實測結(jié)果從調(diào)試用監(jiān)視屏截屏如圖12所示。同時有3個目標時，可以捕捉鎖定能量級大的目標。目標的跟蹤是在統(tǒng)一時標下，以不同速率方式進行檢測，以轉(zhuǎn)臺輸出角位置信息和導(dǎo)引頭輸出的角位置信息對比得到跟蹤性能優(yōu)于0.001rad。

5結(jié)束語

本文設(shè)計了模擬空間運動的兩軸轉(zhuǎn)臺和模擬無窮遠多光譜目標的目標器，實現(xiàn)了對多款導(dǎo)引頭多種性能的室內(nèi)檢測。與傳統(tǒng)單參數(shù)檢測相比，有效提高了檢測效率，與場外檢測相比，有效的降低了成本。通過仿真設(shè)計，提高了設(shè)計的準確性和可行性，產(chǎn)品樣機已進行實測，從檢測結(jié)果看，達到了設(shè)計要求。后續(xù)對跟蹤精度的檢測還需要進一步研究。