車載觀瞄系統(tǒng)光軸平行性檢測(cè)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

易 瑔，李 鑒，楊建昌，張 陽

(陸軍裝甲兵學(xué)院兵器與控制系，北京 100072)

1 引 言

現(xiàn)代車載觀瞄系統(tǒng)是集合了激光測(cè)距、晝夜觀瞄等多種功能的高精密復(fù)雜系統(tǒng)。其中，多個(gè)光軸的平行性決定了激光測(cè)距能否精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)與準(zhǔn)確測(cè)距，進(jìn)而影響火炮的精準(zhǔn)打擊。所以，對(duì)車載觀瞄系統(tǒng)光軸平行性的檢測(cè)就成為了車載觀瞄系統(tǒng)的檢測(cè)重點(diǎn)[1]。然而，目前在車載觀瞄系統(tǒng)中測(cè)距激光脈寬過短的情況下，利用PSD作為感應(yīng)器件仍存在光斑計(jì)算位置偏差、作為延時(shí)觸發(fā)信號(hào)不穩(wěn)定的問題[2，3]。因此，在現(xiàn)有光學(xué)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出基于PSD的一種快速觸發(fā)、準(zhǔn)確檢測(cè)的電氣設(shè)計(jì)十分重要。

2 光軸平行性檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

車載觀瞄系統(tǒng)的光軸平行性檢測(cè)主要針對(duì)3個(gè)決定能否準(zhǔn)確測(cè)距的光軸：測(cè)距白光瞄準(zhǔn)軸、激光發(fā)射軸與激光接收軸[4]。為了在較短的空間內(nèi)完成對(duì)遠(yuǎn)目標(biāo)的模擬，設(shè)計(jì)在大口徑卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)[5-7]作為整體光學(xué)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以響應(yīng)速度較快、計(jì)算方法便捷的PSD為測(cè)距激光光斑位置傳感器。整體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。LD紅外發(fā)射管與分劃板照明緊貼分劃板，確保LD紅外發(fā)射管在卡塞格林焦點(diǎn)上，進(jìn)而保證模擬回波以平行光形式射入被測(cè)系統(tǒng)[8]。

如圖1所示，首先，利用分劃板對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)平行光管與白光瞄準(zhǔn)軸的平行性進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)；然后，被測(cè)系統(tǒng)發(fā)射測(cè)距激光，經(jīng)由卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)、衰減片、分光棱鏡會(huì)聚到PSD與光敏二極管上，實(shí)現(xiàn)光斑位置的采集，從而判斷白光瞄準(zhǔn)軸與激光發(fā)射軸的平行性，同時(shí)對(duì)模擬回波延時(shí)進(jìn)行觸發(fā)；最后，在延時(shí)處理后利用帶有一定發(fā)散角度的LD紅外發(fā)射管發(fā)射模擬回波，模擬回波經(jīng)過平行光管后會(huì)與白光瞄準(zhǔn)軸平行，當(dāng)激光接收軸與白光瞄準(zhǔn)軸平行度不合格時(shí)會(huì)無法接收到模擬回波，從而判斷白光瞄準(zhǔn)軸與激光接收軸的平行性。在能夠接收到模擬回波信號(hào)的同時(shí)，利用被測(cè)系統(tǒng)所得到的測(cè)距距離與經(jīng)過延時(shí)處理的標(biāo)定距離可以對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的測(cè)距精度進(jìn)行判斷。

圖1 光軸平行性檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PSD與采集模塊

設(shè)計(jì)選用PSD對(duì)測(cè)距短脈沖激光光斑位置進(jìn)行采集。相比于傳統(tǒng)的利用CCD采集，PSD具有響應(yīng)時(shí)間短、計(jì)算便捷等特點(diǎn)[9]。但在實(shí)際應(yīng)用中，PSD的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于納秒級(jí)的短脈沖測(cè)距激光仍然較長(zhǎng)，進(jìn)而造成PSD無法響應(yīng)完全等問題[10-12]。結(jié)合被測(cè)系統(tǒng)20ns脈寬的測(cè)距激光，利用MATLAB對(duì)PSD瞬時(shí)單側(cè)引腳輸出公式[13]進(jìn)行仿真，如圖2所示。

圖2 PSD短脈沖激光照射下信號(hào)仿真

3.2 模擬回波的延時(shí)模塊

3.2.1 模擬回波的延時(shí)方法

模擬回波的延時(shí)設(shè)計(jì)是檢測(cè)車載觀瞄系統(tǒng)測(cè)距精度的必要手段。目前，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)辦法多是直接利用PSD輸出對(duì)延時(shí)電路進(jìn)行觸發(fā)，但針對(duì)納秒級(jí)的測(cè)距激光，PSD相應(yīng)輸出與持續(xù)照射存在較大差別[14]。從圖2可以看出，當(dāng)測(cè)距激光較短時(shí)，PSD單引腳輸出來不及完全響應(yīng)就開始下降，導(dǎo)致無法達(dá)到穩(wěn)定輸出。同時(shí)，隨著照射位置靠近另一側(cè)，輸出逐漸接近于0，并不適合作為延時(shí)電路的觸發(fā)信號(hào)。因此，考慮利用響應(yīng)更快，且不受照射位置影響的光敏二極管對(duì)測(cè)距激光進(jìn)行采集。激光測(cè)距系統(tǒng)是通過對(duì)激光往返時(shí)間t的測(cè)量，進(jìn)而得出目標(biāo)距離S。計(jì)算公式為：

2S=t·c

(1)

式(1)中：S是目標(biāo)距離，t是激光往返時(shí)間，c是光速。檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行模擬，需要準(zhǔn)確延時(shí)時(shí)間td為：

(2)

式(2)中：sn為平行光管內(nèi)光程(相比于較長(zhǎng)的延時(shí)模擬距離，平行光管內(nèi)光程sn可以忽略不計(jì))，tn為器件固有延時(shí)。設(shè)計(jì)由延時(shí)觸發(fā)部分、延時(shí)控制部分與模擬回波觸發(fā)部分組成。針對(duì)車載觀瞄系統(tǒng)中的測(cè)距系統(tǒng)，模擬回波的延時(shí)模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 延時(shí)模塊設(shè)計(jì)原理

由光敏二極管、信號(hào)采集電路組成延時(shí)觸發(fā)部分，由晶振與計(jì)數(shù)卡組成延時(shí)控制部分，由觸發(fā)電路與激光器組成模擬回波觸發(fā)部分。被測(cè)系統(tǒng)發(fā)射測(cè)距激光后，由光敏二極管對(duì)測(cè)距激光信號(hào)進(jìn)行快速響應(yīng)，信號(hào)經(jīng)由采集放大后對(duì)計(jì)數(shù)卡進(jìn)行計(jì)數(shù)觸發(fā)，計(jì)數(shù)卡的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)由一個(gè)持續(xù)晶振電路提供。當(dāng)計(jì)數(shù)卡計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定值N時(shí)，停止計(jì)數(shù)并經(jīng)由觸發(fā)電路對(duì)激光器進(jìn)行觸發(fā)，形成延時(shí)后的模擬回波。模擬回波延時(shí)信號(hào)時(shí)序如圖4所示。

圖4 延時(shí)信號(hào)時(shí)序

通過延時(shí)信號(hào)時(shí)序可以看出，在延時(shí)時(shí)間較短，且要求精度較高的情況下，器件的固有延時(shí)會(huì)對(duì)最后的延時(shí)結(jié)果造成較大影響，不能忽略不計(jì)。同時(shí)，計(jì)數(shù)卡開門信號(hào)在器件固有延時(shí)后，與持續(xù)晶振脈沖存在一定的耦合誤差。設(shè)晶振脈沖頻率為f，則由耦合造成的時(shí)間誤差Δt計(jì)算公式為：

(3)

最大模擬距離誤差sm是半個(gè)晶振脈沖時(shí)間的光程，計(jì)算公式為:

(4)

在實(shí)際檢測(cè)中，若想達(dá)到對(duì)被測(cè)系統(tǒng)測(cè)距精度的檢測(cè)目的，需要使最大模擬距離誤差sm小于被測(cè)系統(tǒng)允許的測(cè)距誤差。

3.2.2 延時(shí)電路設(shè)計(jì)

延時(shí)觸發(fā)部分：本文考慮利用光敏二極管KPDE030—900-1700nm在PSD響應(yīng)完全之前對(duì)激光入射信號(hào)進(jìn)行快速采集。該二極管具有光接收直徑大、容易進(jìn)行光耦合、低暗電流、高可靠性等特點(diǎn)，更利于測(cè)距激光的采集與快速響應(yīng)。同時(shí)，設(shè)計(jì)采用MAX4016線性放大器對(duì)光敏二極管信號(hào)進(jìn)行放大，作為后續(xù)延時(shí)控制部分的觸發(fā)信號(hào)。

模擬回波觸發(fā)部分：設(shè)計(jì)選用響應(yīng)速度較快的SN74HC123振蕩器對(duì)激光器進(jìn)行觸發(fā)。觸發(fā)電路如圖5所示。

圖5 激光觸發(fā)電路

結(jié)合測(cè)距激光波長(zhǎng)1.064μm、脈寬20ns等參數(shù)，回波激光器選用輸出波長(zhǎng)1.064μm的980紅外發(fā)射管。激光發(fā)射電路如圖6所示。

圖6 激光發(fā)射電路

由各器件延時(shí)典型值相加可得固定延時(shí)時(shí)間tn=1.05μs，計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算公式為：

(5)

4 光軸平行性檢測(cè)軟件流程

由于車載觀瞄系統(tǒng)是集光、電、機(jī)、算等技術(shù)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，在檢測(cè)光軸平行性與延時(shí)精度之前，必須對(duì)其他故障因素進(jìn)行排除和分析。在確定激光發(fā)射無故障的情況下，將被測(cè)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)分劃板中心標(biāo)定位置后觸發(fā)測(cè)距激光，利用軟件對(duì)采集到的PSD信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和分析，判斷白光瞄準(zhǔn)軸與激光發(fā)射軸平行性是否合格[7]。同時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)在準(zhǔn)確延時(shí)后通過卡塞格林平行光管模擬回波，若顯示無測(cè)距距離，則激光接收軸與白光瞄準(zhǔn)軸平行性不合格，若顯示距離與模擬距離誤差超過±10m，則為被測(cè)系統(tǒng)計(jì)數(shù)器或計(jì)算故障。整體檢測(cè)軟件流程如圖7所示。

圖7 光軸平行性檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程

5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

試驗(yàn)選用PCL-TMC12A—40MHz計(jì)數(shù)器卡，利用上文設(shè)計(jì)電路分別對(duì)1000m、2000m、3000m的模擬目標(biāo)各進(jìn)行了3次延時(shí)模擬，并利用300MHz、2.5GS/s的數(shù)字示波器對(duì)延時(shí)時(shí)間進(jìn)行了捕捉，結(jié)合無故障的車載觀瞄系統(tǒng)中的激光測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)距。試驗(yàn)中由示波器得到實(shí)際延時(shí)時(shí)間，由測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距顯示得到測(cè)距結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

被測(cè)系統(tǒng)計(jì)時(shí)器脈沖周期為66.7ns，換算為光程距離10m，因此以±10m為模擬距離誤差范圍，以±66.7ns為模擬延時(shí)時(shí)間誤差范圍對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方案基本符合信號(hào)耦合誤差的分析，且能夠達(dá)到測(cè)距精度±10m檢測(cè)的目的。因此，相較于傳統(tǒng)PSD觸發(fā)延時(shí)存在器件響應(yīng)影響因素多、響應(yīng)不穩(wěn)定等弊端的方法，利用光敏二極管進(jìn)行快速觸發(fā)更為穩(wěn)定、精確。

6 總 結(jié)

本文在卡塞格林光學(xué)平行光管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)車載觀瞄系統(tǒng)光軸平行性檢測(cè)系統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為車載觀瞄系統(tǒng)光軸平行性檢測(cè)的電氣控制提供了設(shè)計(jì)方案與參考。同時(shí)，結(jié)合PSD響應(yīng)特點(diǎn)，提出了一種利用光敏二極管代替PSD對(duì)延時(shí)模塊進(jìn)行觸發(fā)的方法，解決了短脈沖情況下PSD響應(yīng)不穩(wěn)定的問題，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)所得誤差與理論誤差分析基本符合，且模擬光程精度能夠達(dá)到±10m以內(nèi)。