一種紅外二維干擾源的設(shè)計(jì)

本文介紹一種用于紅外導(dǎo)引頭性能測試系統(tǒng)二維干擾源的設(shè)計(jì)，該干擾源以工業(yè)計(jì)算機(jī)為控制核心，控制兩臺直流伺服電機(jī)驅(qū)動二維擺鏡運(yùn)動，控制直流伺服改變光欄孔的大小，實(shí)現(xiàn)紅外能量大小可變和二維平面上的運(yùn)動的二維干擾源，用于紅外型導(dǎo)引頭在動態(tài)測試過程中模擬二維干擾源。

【關(guān)鍵詞】紅外 二維 干擾源 控制

1 引言

在紅外型導(dǎo)引頭測試中，需要模擬紅外干擾源對導(dǎo)引頭的進(jìn)行干擾測試，判斷導(dǎo)引頭是否能穩(wěn)定捕獲目標(biāo)而不受二維方向上的干擾，因此需要設(shè)計(jì)一種二維方向運(yùn)動并且干擾能量可以調(diào)節(jié)的干擾源。本文設(shè)計(jì)的紅外二維干擾源以工業(yè)計(jì)算機(jī)為控制中心，通過控制三臺伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)干擾源的二維運(yùn)動和能量調(diào)節(jié)，其中干擾源的能量通過黑體來實(shí)現(xiàn)。

2 總體設(shè)計(jì)

干擾黑體1發(fā)出紅外干擾能量，通過光欄可變光欄2調(diào)節(jié)能量大小，經(jīng)過反射鏡4后反射到離軸拋物面鏡3形成平行光，平行光經(jīng)二維反射擺鏡5運(yùn)動后，可形成二維坐標(biāo)上的干擾光源，最后通過合成鏡6供給產(chǎn)品測試使用。合成鏡6的主要用于合成其他光源，其他光源的原理本文不作介紹。二維干擾源的主要設(shè)計(jì)有三個方面，分別為：離軸拋物面鏡設(shè)計(jì)、二維反射擺鏡、電控系統(tǒng)。下面分別進(jìn)行介紹。

2.1 離軸拋物面鏡設(shè)計(jì)

采用傳統(tǒng)的離軸拋物面系統(tǒng)，離軸拋物面光學(xué)系統(tǒng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的投影系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的特點(diǎn)是小視場分辨率及傳函比較高。通常采用Z-MAX程序計(jì)算非球面的像質(zhì)，該離軸拋物面系統(tǒng)光學(xué)的各項(xiàng)具體參數(shù)為：

焦距：f=650mm；口徑：D=Φ120mm；離軸量：h=90mm。

根據(jù)非球面的的數(shù)學(xué)方程表達(dá)式，計(jì)算出非球面的光學(xué)像差：

此式表示X軸與系統(tǒng)的對稱軸—光軸重合，其中：

C—表示曲面頂點(diǎn)的近軸曲率；

K—表示非球面系統(tǒng)的系數(shù)，拋物面時K=0；

an—表示高次曲面系數(shù)；

H—表示為曲面體的橫截面半徑：H2=y2+z2；

由于該系統(tǒng)是一個全反射拋物面光學(xué)系統(tǒng)，我們將各種參數(shù)帶入公式并簡化后得到拋物面體的如下計(jì)算公式：

2.2 二維反射擺鏡

二維反射擺鏡是由反射鏡、U型支架、力矩電機(jī)、測速電機(jī)、編碼器所組成，其目的是驅(qū)動反射鏡水平軸、垂直軸轉(zhuǎn)動。二維反射擺鏡的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

由圖2可以看出，水平軸系左邊是光學(xué)編碼器，右邊為力矩電機(jī)和測速電機(jī)，U型支架由散裝軸承結(jié)構(gòu)支撐，其垂直軸編碼器、力矩電機(jī)和測速電機(jī)裝在垂直軸中。由于俯仰的擺動范圍是±5?，水平的擺動范圍在±5?，因此在各自位置上有機(jī)械限位和電限位，反射鏡的轉(zhuǎn)動不超出各自范圍。

2.3 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)包括兩個部分：可變光欄孔大小及速度控制、二維反射鏡控制。

2.3.1 可變光欄控制

可變光欄孔位置控制采用步進(jìn)電機(jī)控制。上位機(jī)下發(fā)可變光欄孔轉(zhuǎn)動位置信息，下位機(jī)接收到轉(zhuǎn)動命令后，根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的轉(zhuǎn)速和孔徑大小，計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動角度脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)帶動可變光欄轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置?？勺児鈾诳砂?mm/s～30mm/s的速度連續(xù)變大或變小。光欄孔變化的起始光欄孔徑和終止光欄孔徑可由計(jì)算機(jī)任意設(shè)置。內(nèi)部采用相對編碼器采樣轉(zhuǎn)動脈沖，計(jì)算出光欄孔經(jīng)大小通過雙口RAM傳送給上位機(jī)在界面上顯示出來?？蛉鐖D3。

可變光欄孔位置計(jì)算：

假設(shè)步進(jìn)電機(jī)步距為：0.045°，則步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)需發(fā)脈沖數(shù)為：360°/0.045°=1333脈沖/轉(zhuǎn)。

可變光欄孔位置是靠控制步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)數(shù)來控制的，根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的位置值，求出步進(jìn)脈沖數(shù)。上位機(jī)下發(fā)的位置值為Xmm，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)可變光欄變化Ymm/轉(zhuǎn)，所以下位機(jī)控制可變光欄轉(zhuǎn)X/Y轉(zhuǎn)。Xmm位置步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)：

X/Y（轉(zhuǎn)）*1333脈沖/轉(zhuǎn)=1333X/Y（脈沖）

X：上位機(jī)下發(fā)的位置值，單位：mm；

Y：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)變化大小，單位：mm/轉(zhuǎn)。

2.3.2 二維反射鏡控制

二維反射鏡運(yùn)行控制采用速度內(nèi)環(huán)控制和位置外環(huán)控制的串聯(lián)控制。前者用硬件電路實(shí)現(xiàn)，后者由位置環(huán)通過單片機(jī)檢測經(jīng)位置PID計(jì)算，通過D/A輸出控制量，作為速度環(huán)的控制輸入，經(jīng)過PI-P調(diào)節(jié)，使驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。擺動角速度可在0.1°/s～30（°）/s范圍內(nèi)任意設(shè)置。

位置環(huán)檢測采用16位光電編碼器作為反饋，位置閉環(huán)控制先建立模擬模型，再經(jīng)過雙線性變換離散化，采用位置式PID控制，并加入了不完全微分環(huán)節(jié)，以克服高頻擾動的影響，使系統(tǒng)有較好的控制特性。控制中加入了Bang_Bang控制算法，根據(jù)偏差的大小，在Bang-Bang和PID控制之間進(jìn)行切換，即：

當(dāng)控制誤差絕對值較大時，采用Bang-Bang控制即輸出最大的控制量，使系統(tǒng)過渡過程加速。加速的程度與Q值的選取有關(guān)，Q越小，Bang-Bang控制的范圍越大，過渡時間就短，但超調(diào)量會大些，反之亦然。通過選取適當(dāng)?shù)腝值，可有效的提高控制的快速適應(yīng)能力。采用以上的控制方法，使系統(tǒng)具有了很好的控制特性。

5 結(jié)束語

在紅外二維干擾源的使用過程中，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的性能測試，動態(tài)的考核了產(chǎn)品的抗干擾性能，滿足預(yù)定設(shè)計(jì)要求。該紅外二維干擾源已應(yīng)用于紅外導(dǎo)引頭的的抗干擾性能測試。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

付穎（1979-）女，天津市人。大學(xué)本科學(xué)歷。自動化專業(yè)，現(xiàn)為天津富昌電子公司工程師，主要從事非標(biāo)設(shè)備測控工作。

作者單位

天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 天津市 300387endprint