某型導引頭綜合測試設備的設計與實現

賈景堃，秦彥君，熊厚金

(1.北京航天測控技術有限公司，北京 100041;2.國營長虹機械廠，廣西桂林 541003)

0 引言

導引頭是截獲跟蹤［1］目標以控制航向的核心部件，廣泛應用于各種飛行器械。電視導引頭首先將攝像機獲取的目標區域圖像通過圖像發射機發送給機載吊艙設備，由操控人員選取并鎖定目標，導引頭通過不斷獲取目標區域圖像信息，并不斷對目標方位進行相關分析從而輸出方向控制信號，使得目標保持在導引頭視場中央區域直至接觸目標為止。

電視制導作為末端制導階段的有效制導措施其優點是利用圖像信息進行方向控制，具有較高控制精度，為精確制導提供了有效且實時的導引措施。缺點是受環境影響較大作用距離受限，不能適應于全天候工作。

本文所涉及的測試設備運用VXI總線及虛擬儀器等技術，設計開發擁有完備的測試手段及多種型號導引頭維修專家知識庫，能夠對多種型號導引頭光、機、電各組成部分的性能指標進行測試，實現故障精確定位，是維修人員的有力工具。

1 電視導引頭組成及原理

電視導引頭由光、機、電等多種功能復雜的部件組成，根據功能劃分，電視導引頭主要由以下功能單元組成:電視成像系統、陀螺穩定平臺、控制單元、校正和目標指示組合、相關鑒別器、圖像信號處理系統、指令變換器和電源組合。某型電視導引頭結構如圖1所示。

圖1 電視導引頭功能結構圖

某型導引頭采用較老制式的掃描攝像管實現外界圖像到視頻電流信號的轉換過程。外界光線經光學系統匯聚后照射到攝像管的光電陰極，光電陰極上將產生相應的電子束，電子束在攝像管的前端加速后轟擊到中部的攝像管靶面上，靶面上將建立與入射圖像一致的電位圖像。

掃描攝像管后端設有受控的掃描線圈發射電子束在靶面上做之字形掃描，將靶面上的圖像點電位一一復位歸零，靶面上各像素點電位歸零時將輸出與原電位成比例的電流信號，此電流信號即為視頻電流信號。

掃描線圈參數固定，因此掃描的行場參數為已知參數，當目標出現后可根據行場掃描的時間定位目標在視場相對于中心的水平及俯仰偏差［2］。相關鑒別器實現目標偏航及俯仰位置偏差的測量并將偏差轉換為電壓信號。位置偏差信號送至導引頭伺服系統，在陀螺平臺姿態信號參考下，伺服系統將控制導引頭將目標迅速移至視場中心與光軸重合，達到目標跟蹤效果。電視導引頭工作原理如圖2所示。

圖2 電視導引頭工作原理示意圖

2 測試設備總體設計

電視導引頭綜合測試設備由通用測試平臺、專用設備、輔助設備組成。通用測試平臺包括工控機、VXI儀器、LAN總線臺式儀器和通用測試接口 (ICA)等。專用設備主要是測試適配器和測試線纜，測試適配器和測試線纜都是針對具體型號設計，各型號對象均配有各自專用的測試適配器和測試線纜。輔助設備包括測試轉臺、目標模擬器等。圖3給出了通用測試平臺的組成示意圖。

圖3 通用測試平臺的組成

ICA為設備測試資源按照一定規則分類排布的對外接口，測試資源不直接與被測對象相連而是通過測試適配器對資源進行調理、再分配后連接至不同的被測對象，實現了資源最優化分配。ICA采用航天測控公司自研的SCA－8000A接口適配裝置其結構如圖4所示。

圖4 測試對接結構示意圖

測試接口［3］的標準化也使得測試設備間的測試一致性提高，便于實現測試系統間的互操作，及測試對象的擴展，從結構和功能上保證擴展性。

3 測試設備工作原理

3.1 導引頭供電

測試設備集成多路程控直流電源和中頻電源，工控機通過局域網網絡控制各臺式電源輸出或讀取實時電壓電流等數據。

多路程控直流電源主要用于導引頭供電、設備指令系統供電、適配器內部調理電路供電等，各電源模塊輸出相互隔離且具有防倒灌保護，可進行兩路或多路并聯對外供電并自主進行均流操作。

中頻電源包括36 V/400 Hz、36 V/1000 Hz和115 V/1000 Hz電源，中頻電源用于導引頭陀螺、旋變模塊和預熱系統等供電，考慮測試中可能會用到兩路同一電壓/頻率的中頻電源，設計交流控制組合實現每臺中頻電源的一分二輸出，每路輸出配置輸出接觸器做物理隔離，接觸器之后通過交流電流傳感器監測每路輸出的實時電流。

3.2 基本電量測量

設備采用數字多用表作為沒有實時性要求當精度要求高的靜態模擬量采集設備，采集的模擬量主要包括直流電壓、電流、電阻、頻率等基礎物理量，如二次電源產生的直流電壓、電流、交流電壓、電流、頻率以及導通電阻等信號量。實時性較高的模擬信號采用內置于閉環控制器的并行AD卡實現。

電視導引頭基礎電量采集數量較多，部分型號基礎電量達200多路，因此測試設備采用多塊復用開關來切換信號通道，設備配4塊64選1復用開關實現多達256路模擬信號輸入通道，被測信號經復用開關切換后首先進入信號調理設備經過量程變換、信號隔離后再經繼電器開關切換送入數字多用表或并行AD。

3.3 時序信號測量

導引頭中指令信號脈沖間隔測量、數字信號脈寬及周期測量、數字信號組時序測量采用測控公司自研計時計數模塊AMC2314實現。計時計數模塊具備時間間隔、脈沖寬度、脈沖技術等測量功能。根據被測信號性質的不同，將被測信號劃分為低頻及高頻兩類信號，高頻信號在測試適配器內作隔離衰減等調理，低頻信號在適配器內做衰減后在信號調理設備內再做隔離，兩種信號各分配4個信號通道。

3.4 指令信號發生

導引頭測試中用到的指令信號有兩種形式:一種是簡單的直流電平信號;另一種由飛行設備上指令接收機對遠程高頻指令解調后的脈沖指令信號。

直流電平信號指令在導引頭中以5 V及27 V電平為主用于內部焦距切換、目標鎖定等操作，設備采用程控電源和C型繼電器模塊產生。

脈沖指令信號為機載吊艙設備對導引頭發出的高頻控制指令信號［4］，在系統調試時監測指令接收機輸出脈沖，對其進行人工分析、解碼、歸納后形成指令表，針對特定導引頭型號設計專用指令脈沖發生電路［5］，指令脈沖發生電路由通訊接口電路、指令解析電路、時序發生電路、脈沖調制電路、功率放大電路組成。指令解析電路用于指令表中脈沖編碼的代號解析并生成對應的數據，時序發生電路將生成的數據按特殊規則生成序列編碼，脈沖調制電路將序列編碼調制成可發射的窄脈沖信號，最后功率放大電路將窄脈沖信號進行放大并做輸出阻抗匹配。脈沖指令發生電路可設置輸出脈沖的功率大小從而對導引頭指令接收系統進行靈敏度測試。

3.5 角度信號測量與導引頭閉環控制

導引頭測試過程中需要給定及采集攝像頭的偏轉角度，不同型號導引頭的攝像頭偏轉角度測量方式不同，主要為電位傳感器和旋轉變壓器兩種測量方式，電位傳感器輸出模擬電壓或電流值，而旋轉變壓器則輸出幅度變換的交流信號。測量電位傳感器測量的角度信號時采用閉環控制器內置的AD板卡做實時信號采樣;測量旋轉變壓器輸出的角度信號則采用專用旋變模塊采集，旋變模塊直接將旋轉變壓器模塊輸出信號轉換成數字信號，以IO口形式輸出給閉環控制器內置的IO板卡。

設備采用閉環控制器作導引頭在線控制用，閉環控制器模塊集成DSP可以快速處理數據實現高效的閉環控制算法，在DSP的控制下可以同時控制多達8組閉環回路。各控制回路以PID算法為缺省控制算法［6］，用戶也可以自定義算法，各回路算法以文件形式下發到控制器，并在DSP內實時運行，避免了上位機軟件控制實時性低的弱點。

3.6 圖像處理與顯示

部分型號導引頭輸出圖像為非標準模擬視頻信號，圖像信號由于掃描與調制方式特殊，在特定工作階段會產生幅值較大的脈沖干擾［7］，無法用現有圖像采集設備進行采集，設計圖像指令變換裝置將導引頭輸出的原始圖像信號進行調理，并按行場掃描周期產生與之對應的同步信號，并將同步信號與調理過的圖像信號送入PXI圖像采集卡［8］，在測試軟件中對圖像進行翻轉與鏡像處理后顯示。

設備兼顧圖像發射機測試，以工控機副屏圖像為源，經視頻轉換器將VGA信號轉換為標準PAL信號，輸出給圖像發射機，圖像發射機將源圖像調制為超高頻信號經波導管送入設備上程控衰減器，衰減后的高頻信號通過圖像指令變換裝置下變頻為圖像信號再由圖像采集卡采集，實現對圖像發射機的圖像調制功能測試。

3.7 目標模擬

目標模擬器［9］用于模擬導引頭目標對象，分為靜態和動態目標模擬器。測試設備配備多種型號的靜態目標模擬器及通用動態目標模擬器。

靜態目標模擬器通常以平行光套筒的形式照在導引頭攝像管前端，目標模擬器內部具有專用光源，光源點亮后經光學聚焦系統使光線匯聚后照射在白光面板上，白光面板發出白色均勻光線，照射在蝕刻了目標圖形的通光板上，通光板產生十字靶標的線條與圖標，經物鏡后就成為模擬的、日光下的無窮的目標輸出給導引頭攝像管進行靜態目標測試。

動態目標模擬器與靜態目標模擬器原理類似，利用液晶板代替目標通光板，且物鏡視場可變。液晶板可在視頻驅動器作用下產生動態目標，目標可通過軟件生成各種場景中運動視角下的建筑、車輛、船只等。通過物鏡的視場變換實現導引頭光學系統近焦與遠焦切換時視場配合。動態目標模擬器接收導引頭輸出的姿態控制信號 (經綜控機解算)形成閉環實時調整目標在視場中的位置，導引頭鎖定目標后始終跟蹤目標實現導引頭在線動態測試。

4 設備軟件平臺介紹

電視導引頭綜合測試設備軟件平臺采用航天測控技術有限公司自主研制的VITE(Vitual Instruments Test Environmemt)——虛擬儀器測試環境［10］，它是一套面向大型自動化測試系統的通用測試程序開發、運行和系統集成平臺。該應該用環境為以S－R(激勵－響應)模式工作的測試過程提供了一個通用、完備的系統解決方案。

VITE軟件平臺包括儀器管理模塊、TPS開發模塊、測試執行模塊、數據分析管理、測試程序發布工具測試驅動程序、主控與客戶端程序等功能模塊。儀器管理模塊用于對懸浮導向控制試驗臺的測試儀器管理資源進行管理和處理，配置試驗臺系統中的測試儀器資源;測試程序開發模塊可以完成對各個測試臺的測試程序開發工作，將測試執行的過程、測試動作、狀態監控信息進行定義并生成至測試程序文件;測試執行模塊實現流程的執行與測試狀態監控;數據分析管理模塊對測試結果數據進行存儲、顯示與分析功能，以標準規范的格式進行存儲供用戶查閱和導出;測試程序發布工具實現各個測試程序的打包發布功能，發布后的測試程序內容對外不可見，程序主要提供測試執行和測試結果查看，實現獨立運行的測試程序功能;測試程序驅動完成試驗臺中測試資源、測試儀器模塊、控制模塊等模塊的驅動開發與程序控制，可在測試儀器管理中進行管理;主控與客戶端程序分別對系統側主控程序和客戶端程序進行控制與運行，實現主控平臺與各試驗臺中客戶端的信息交互，完成系統級測試流程的測試執行，獲取系統運行狀態與測試結果數據。

圖5 測試程序開發與測試執行軟件平臺體系結構

VITE軟件主要針對大型自動化設備在研制、維修過程中的測試程序自動生成要求，采用了虛擬儀器技術、虛擬系統和系統建模技術、語法定義和分析技術、測控網絡技術、IVI技術等關鍵技術，最終研制開發出適應大型自動化設備雜測試需求的測試程序。軟件平臺具備系統設備配置、測試流程開發、測試任務開發、測試執行管理、數據報表管理等主要功能。主要技術指標有自動開發向導、界面管理、日志管理及程序自動生成等，達到國內通用測試軟件的領先水平。

5 關鍵技術

5.1 導引頭控制技術

現代電視導引頭大多裝有陀螺穩定平臺，該平臺的閉環控制比較復雜，且不同廠家的控制原理及算法各不相同。開發人員從各型導引頭控制信號的特點、反饋信號的特征總結各類控制的激勵響應信號特征，使該設備滿足各類控制要求。由于導引頭的控制具有高實時性要求，硬件設備具有實時閉環功能，提供PID、自適應等多種經典控制算法和模糊邏輯［11］、神經元等多種現代控制算法，同時可根據具體要求，下載自編的最優算法。

5.2 導引頭控制、信號處理算法

各型號導引頭控制算法各不相同，在分析研究各型號導引頭結構、電路基礎上研制開發了各型號導引頭控制算法，滿足多種型號導引頭控制需求。

5.3 故障診斷算法

研制開發適合各型號光學導引頭診斷維修的故障診斷算法，建立診斷專家庫，在軟件設計時采用故障診斷專家系統，將平時實裝操作訓練發現的故障輸入故障庫，建立鏈接資源共享，使導引頭的故障定位達到板級甚至器件級。具體設備實施中基于故障樹和分層的故障診斷方法根據被測導引頭的類型和特點采用有針對性的診斷方法。對于診斷知識庫，包括導引頭各獨立板件的故障知識、正常知識，獨立板件知識庫可增加、修改、刪除及優化知識節點。推理機采用基于普通推理、神經元網絡、模糊邏輯結合的綜合智能推理機，即可提高診斷推理速度，同時也可以提高故障隔離的精度。

6 結束語

該測試設備以多種型號電視導引頭為主要研究對象，運用VXI、LAN等多總線技術以及虛擬儀器、專家系統技術，在對導引頭機電部件進行詳細分析的基礎上，構建了設備的通用硬件平臺，建立了診斷專家庫，開發出了電視導引頭綜合測試設備。經用戶驗收后長期使用，該設備綜合性強、穩定性好、準確率高，實現了多種型號電視導引頭的獨立測試、指標檢定、故障定位，極大的提高了技術人員對電視導引頭的維修與保障能力。