激光導(dǎo)引頭低溫輸出特性分析及補(bǔ)償方法研究*

張 琪，馬軍偉，梅 磊，楊 濤，劉 揚(yáng)

(西安北方光電科技防務(wù)有限公司， 西安 710043)

0 引言

近年來，通過國內(nèi)外的快速發(fā)展，半主動激光制導(dǎo)技術(shù)日益成熟，尤其是外貿(mào)市場的蓬勃發(fā)展給激光武器的研發(fā)、生產(chǎn)帶來了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。面對以上競爭和挑戰(zhàn)，國內(nèi)也在多個口徑多個平臺領(lǐng)域開發(fā)了激光制導(dǎo)技術(shù)及產(chǎn)品，隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的演變，對激光武器的發(fā)展提出了新的要求[1]，包括提高武器攻擊能力、提高機(jī)組人員及載機(jī)安全性、降低成本和后勤維護(hù)費(fèi)用。

激光導(dǎo)引頭通過對光學(xué)系統(tǒng)探測的目標(biāo)位置進(jìn)行分析運(yùn)算，驅(qū)動陀螺修正系統(tǒng)減小失調(diào)角，同時輸出跟蹤角速度用于引導(dǎo)導(dǎo)彈向目標(biāo)進(jìn)動。因此，跟蹤角速度輸出精度直接影響導(dǎo)彈命中精度，是導(dǎo)引頭的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，其調(diào)試方法包括硬件調(diào)試法和軟件調(diào)試法。隨著大規(guī)模集成電路的應(yīng)用以及導(dǎo)引頭模塊化的設(shè)計，綜合指標(biāo)的計算多采用軟件調(diào)試法。為了保證導(dǎo)引頭輸出精度，針對溫度條件通過軟件寫入的方式分別設(shè)置了兩個參數(shù)調(diào)試通道，文中著重對批量產(chǎn)品低溫條件下輸出特性進(jìn)行分析以給出低溫補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置方法。該方法適用于修正系統(tǒng)性能隨溫度變化的激光類導(dǎo)引頭，該方法的應(yīng)用提高了跟蹤角速度調(diào)試效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性，為外貿(mào)市場的競爭提供更多的優(yōu)勢。

1 激光導(dǎo)引頭的使用要求

導(dǎo)引頭是導(dǎo)彈的重要組成部分，由于導(dǎo)彈的部署范圍廣泛，不同地域、季節(jié)的溫度差異(低溫-40 ℃以下，高溫60 ℃以上)是導(dǎo)彈不得不面臨的巨大挑戰(zhàn)[2]，因此對導(dǎo)引頭提出了嚴(yán)格的使用要求。文中所述激光導(dǎo)引頭采用了模塊化和集成化設(shè)計，針對關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)置了數(shù)字化軟件調(diào)試窗口以滿足跟蹤角速度輸出精度。通過對激光導(dǎo)引頭的總體需求及檢測需求分析，提出了以下3點(diǎn)使用要求，保證產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)引。

1)常溫25 ℃輸出精度±15%以內(nèi)，角速度測試需求1°/s、3°/s；

2)低溫-40 ℃輸出精度±15%以內(nèi)，角速度測試需求1°/s；

3)高溫+50 ℃輸出精度±15%以內(nèi)，角速度測試需求1°/s。

在批量生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)上述第2)條輸出精度的調(diào)試合格率僅35%，通過初步分析主要是導(dǎo)引頭在低溫條件下輸出性能衰減引起，針對該問題進(jìn)行了低溫特性的影響性分析和補(bǔ)償方法研究。

2 激光導(dǎo)引頭的低溫特性分析

2.1 低溫特性分析

激光導(dǎo)引頭的功能如圖1所示，組成如圖2所示，其主要實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)失調(diào)角的修正及視線角速度對外輸出兩個功能。根據(jù)制導(dǎo)需求，激光導(dǎo)引頭全溫工作條件下輸出精度控制在±15%以內(nèi)。根據(jù)導(dǎo)引頭組成分析，由于修正回路上包括線圈、電阻、集成電路等多種元件，隨著溫度的下降各模塊性能也有所下降，最終導(dǎo)致了低溫性能的衰減(如圖3、圖4所示)而達(dá)不到制導(dǎo)精度的控制要求。

圖1 激光導(dǎo)引頭功能示意圖

圖2 激光導(dǎo)引頭組成示意圖

圖3 導(dǎo)引頭輸出特性

2.2 影響原因分析

激光導(dǎo)引頭對失調(diào)角的修正主要通過修正信號加載在線圈上并與磁鋼相互作用產(chǎn)品磁力矩，推動陀螺向目標(biāo)方向進(jìn)動。通過計算修正電壓(公式(1))可知，修正信號UOK的大小與線圈的匝數(shù)、線圈的面積、通過線圈的磁通量、陀螺的轉(zhuǎn)動慣量、陀螺的轉(zhuǎn)速、線圈的截面積、線圈電阻阻值相關(guān)。對于同一個產(chǎn)品而言線圈的匝數(shù)、線圈的面積、通過線圈的磁通量、陀螺的轉(zhuǎn)動慣量、線圈的截面積隨溫度變化微乎其微，可以忽略。主要影響修正信號輸出幅值變化的是陀螺轉(zhuǎn)速Ω、線圈電阻阻值R兩個因素。

(1)

式中：N為線圈的匝數(shù)；L1·L2為線圈的面積 [cm2]；Φm為通過線圈的磁通量 [Wb]，實(shí)測為Φm=0.83×10-6Wb；JX為陀螺在X軸上的轉(zhuǎn)動慣量 [g·cm·s2]；Ω為陀螺的轉(zhuǎn)速 [rad/s]；a·b為線圈的截面積 [cm2]；R為線圈電阻阻值[Ω]；UOK為修正電壓[V] 。

圖4 導(dǎo)引頭輸出精度

針對線圈電阻及陀螺轉(zhuǎn)速進(jìn)行了低溫特性試驗(yàn)，首先選取10只線圈(編號為線圈1、線圈2……)分別在常溫和低溫條件下進(jìn)行了電阻阻值檢測，結(jié)果如表1所示。通過試驗(yàn)分析，線圈阻值隨溫度的變化率為16.6%～20.4%。其次，針對陀螺轉(zhuǎn)速，初始速度是由陀螺組件內(nèi)安裝的儲能元件釋放得到，由于儲能部件將能量釋放完后，陀螺轉(zhuǎn)子不再補(bǔ)充新能量，因此，隨著時間的延長陀螺轉(zhuǎn)速按照近似于線性規(guī)律下降[3]。根據(jù)工作要求初始速度需65～72 rad/s，工作15 s后需保持54～58 rad/s，按照式(1)計算陀螺轉(zhuǎn)速衰減對修正信號的影響變化率為16.9%～19.4%。陀螺轉(zhuǎn)速隨溫度變化情況主要與零件材料溫度系數(shù)、陀螺裝配間隙、摩擦系數(shù)有關(guān)，導(dǎo)引頭位標(biāo)器組件一旦裝配完成，陀螺轉(zhuǎn)速在導(dǎo)引頭調(diào)試過程中無法進(jìn)行控制。

綜上分析，激光導(dǎo)引頭單位角速度低溫輸出特性的衰減與線圈及陀螺轉(zhuǎn)速在低溫條件下的物理特性相關(guān)，是導(dǎo)引頭的固有屬性。因此亟待研究一種適合導(dǎo)引頭全溫度范圍輸出斜率補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)算法，使導(dǎo)引頭輸出斜率的期望穩(wěn)定，可確保導(dǎo)彈命中概率的進(jìn)一步提高[4]。

表1 線圈阻值測試統(tǒng)計表

3 低溫特性的補(bǔ)償

3.1 補(bǔ)償方法

通過對激光導(dǎo)引頭低溫輸出特性的分析，對低溫下衰減的原因進(jìn)行了確認(rèn)，由于上述主要影響因素均為固化屬性，因此對輸出角速度的補(bǔ)償環(huán)節(jié)設(shè)置就更為重要。針對激光導(dǎo)引頭單位角速度需要保持的精度，設(shè)置了兩個調(diào)整環(huán)節(jié)，分別為常溫調(diào)整系數(shù)K1(用來常溫調(diào)試使輸出角速度的偏差盡可能小)，低溫調(diào)整系數(shù)K2(用于補(bǔ)償?shù)蜏貤l件的衰減量)，原理框圖如圖5所示，可以對比低溫程序和低溫條件下開啟自動溫度補(bǔ)償功能執(zhí)行常溫程序運(yùn)行的結(jié)果[5]。根據(jù)圖5，為了便于輸出角速度的調(diào)整，系數(shù)的裝定均采用軟件寫入的補(bǔ)償方法，操作簡單易實(shí)現(xiàn)。

圖5 補(bǔ)償方法原理框圖

根據(jù)工作原理，當(dāng)導(dǎo)引頭自身修正回路跟蹤能力較強(qiáng)時，常溫系數(shù)K1則不需太高即可滿足技術(shù)指標(biāo)，低溫補(bǔ)償系數(shù)也就不需太高；當(dāng)導(dǎo)引頭自身回路跟蹤能力較弱時，則常溫系數(shù)較高時才能達(dá)到要求，此時低溫系數(shù)也需要較高的補(bǔ)償才能滿足技術(shù)指標(biāo)。那么，對于批量產(chǎn)品來說，在低溫工作條件下的補(bǔ)償則應(yīng)遵循以上工作原理，且需滿足一定的離散性要求，因此按照5%精度進(jìn)行分段補(bǔ)償(低溫系數(shù)K2補(bǔ)償方法見式(2))，這樣低溫系數(shù)能夠兼容自身跟蹤能力的不同以適應(yīng)批量調(diào)試的需求。

(2)

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述低溫特性補(bǔ)償方法的有效性，隨機(jī)選取30具產(chǎn)品進(jìn)行摸底試驗(yàn)，按照式(2)對產(chǎn)品跟蹤角速度進(jìn)行了調(diào)整和測試，測試結(jié)果如圖6、圖7所示，結(jié)果證明該補(bǔ)償方法能夠使低溫輸出視線角速度精度控制在±15%以內(nèi)。

圖6 驗(yàn)證測試結(jié)果常溫統(tǒng)計圖

圖7 驗(yàn)證測試結(jié)果低溫統(tǒng)計圖

4 補(bǔ)償方法的應(yīng)用

通過以上對補(bǔ)償方法的驗(yàn)證，輸出精度調(diào)試合格率基本滿足了批量生產(chǎn)需求，避免了反復(fù)調(diào)試，節(jié)省了生產(chǎn)成本，創(chuàng)造了生產(chǎn)效益。其中，試用批產(chǎn)品的常溫系數(shù)K1、低溫系數(shù)K2統(tǒng)計如圖8所示，基本符合式(2)的低溫補(bǔ)償方法；低溫系數(shù)分布如圖9所示，說明采用該低溫補(bǔ)償方法一次調(diào)試合格率可達(dá)到90.6%。

圖8 批量生產(chǎn)調(diào)試系數(shù)統(tǒng)計圖

圖9 批量生產(chǎn)驗(yàn)證低溫系數(shù)K2分布圖

5 結(jié)論

分析激光導(dǎo)引頭低溫跟蹤角速度輸出離散及精度降低是固化屬性，不能由調(diào)試或裝配的方式改變，但可通過設(shè)置溫度補(bǔ)償參數(shù)保證全溫條件下的輸出精度。通過在產(chǎn)品調(diào)試過程中應(yīng)用低溫分段補(bǔ)償方法，使導(dǎo)引頭一次總調(diào)合格率達(dá)到90%以上。綜上分析，該方法具備以下3個優(yōu)點(diǎn)，可供其他激光類導(dǎo)引頭的調(diào)試借鑒：

1)低溫補(bǔ)償系數(shù)獨(dú)立，保證低溫性能的同時避免對常溫性能造成影響；

2)采用分段補(bǔ)償方法可應(yīng)用于批量產(chǎn)品的調(diào)試生產(chǎn)；

3)補(bǔ)償操作簡單，在記錄常溫系數(shù)K1的條件下，按分段系數(shù)表進(jìn)行低溫系數(shù)K2的承裝即可。