導引頭性能檢測裝置設計

紀小輝

摘要：為實現在室內對多款導引頭的目標識別、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，并設計一套由目標模擬器和兩軸運動轉臺組成的檢測裝置。目標模擬器采用反射望遠系統，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引頭的目標識別性能;轉臺帶動導引頭運動，檢測導引頭的跟蹤性能;目標模擬器的準直系統提供光軸基準，檢測導引頭的多光譜光軸一致性;目標模擬器發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。實際檢測結果表明，可以實現對3～5個目標的識別，跟蹤精度優于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。滿足在室內對導引頭性能檢測的要求。

關鍵詞：導引頭性能;兩軸轉臺;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

導彈靠雷達或其他方式的導引從發射端飛向目標，在接近目標的末端時，導引頭就是導彈的“眼睛”，其作用是發現、跟蹤目標，并最終引導導彈攻擊目標。導引頭一般具有兩個以上譜段的光學系統，通過可見光或紅外來發現目標，鎖定目標后，觸發激光測距跟蹤系統對目標進行照射，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來說，要求出射光發散角小，能量強，回波接收視場角大;對不同光譜系統的光軸一致性要求高。導引頭的特性指標主要體現為目標的發現和識別能力、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;目標的發現、識別和跟蹤能力檢測主要有外場試驗和室內半實物仿真法，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，可實現對多款導引頭一次安裝，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（兩軸仿真轉臺）和目標模擬單元（模擬目標器）組成，兩者處于分離狀態，被測導引頭安裝在轉臺上，目標模擬器安置在導引頭前方，兩者光軸對齊，如圖l所示。

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

1.1兩軸仿真轉臺組成

轉臺由外環（方位）軸系、內環（俯仰）軸系兩部分組成，臺體設計成一個雙軸uu型立式轉臺。雙軸轉臺的結構如圖2所示，圖中的負載為各種類型的導引頭，負載工裝是根據導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、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，實現對射人的激光的成像。以上的移動均由電控實現，靶標擬采用手工的方式更換。

2檢測內容及原理

2.1目標的發現與識別

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

2.2目標的跟蹤

根據相對運動原理，當目標不動時，轉臺帶動導引頭運動，就相當于目標相對導引頭做反向運動，為了始終將目標鎖定于視場中心，導引頭則做反向運動，形成對目標的跟蹤。導引頭的目標有兩種，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。轉臺以規劃角速度轉動，如果被跟蹤目標始終在波門或四象限器跟蹤區內被鎖定，從轉臺的輸出位置信息，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。根據模擬不同的情況，利用控制器使激光器發出不同脈寬、能量的激光來模擬回波信號，經過激光器前擴束鏡擴束，照射到不同尺寸的分化板上，經準直系統后，形成最大視場為2。的回波信號。

2.4光軸一致性的檢測

導引頭最多有可見光成像系統光軸、紅外成像系統光軸、激光發射光軸、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。被測導引頭安裝在轉臺上，調整轉臺的方位和俯仰，同時對導引頭支撐工裝的線位移調整，使可見光系統的光軸（沒有可見光系統時，使用紅外系統光軸）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引頭紅外系統成像面的位置（x，y），如圖6所示，則可見光與紅外兩軸的夾角θ為

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

目標器的激光輻射源發射模擬回波脈沖，出射后被導引頭接收，根據四象限器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光軸夾角可用式（1）計算，焦距換成激光接收系統的焦距。

3系統設計

3.1轉臺的設計

由于是對多款導引頭進行檢測，因此轉臺具有結構尺寸大、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：可連續旋轉nx360°;

7）俯仰軸：-90°～90°。

3.1.1機械臺體設計

機械臺體結構設計如圖2所示，轉臺臺體（不含負載和工裝）的總質量約為4100kg。

外環底座、內環u型框架、左右支架和負載安裝u型臺面是轉臺的關鍵零件，這些零件良好的剛度是轉臺順利滿足精度指標要求的必要條件。為使轉臺正常工作，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、外環主軸、兩對角接觸軸承和滑環組成，軸上安裝有直流力矩電機、角度傳感器等部件，方位軸系可連續旋轉。方位軸系采用一對高精度的有預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。該方案使滾動軸系承載能力大，連接剛度高，可達到高的回轉精度。

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，可達到高的回轉精度。

3.1.2驅動電機選型

驅動元件設計的一項重要原始數據就是轉動慣量的計算，方位軸系的轉動慣量計算（負載在極限位置時）I=2444kg·m²，根據指標要求，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。所需的最大驅動力矩為Mmax=6400N·m。選用680LYX260B（T）電機，該力矩電機連續堵轉力矩為2000N·m，峰值堵轉力矩可達10000N·m。

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

3.1.3測控系統

測控系統硬件由集中控制計算機、測控柜等構成。按功能模塊分為測角系統模塊，數字控制系統模塊、上位機輸入輸出系統、電機驅動控制系統、外部通信接口系統等模塊組成。

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

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

3.2目標器的設計

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

3.2.1離軸反射式系統設計

根據被測幾款導引頭的光學窗口布局和大小來設計目標器的孔徑大小，根據要求的出射光的平行性來設計焦距，綜合考慮以上因素后，確定系統通光孔徑為Ф300mm，焦距為2000mm，離軸量為150mm，主鏡采用雙曲面鏡，曲面半徑R=4000mm，曲面系數為-0.9958;次鏡采用平面鏡，通光孔徑065mm，使主光線偏轉90°，如圖3所示。視場采用雙視場設計，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，來實現光路的轉折。

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，其對應的空間角分辨率為8”，而被測導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。

3.2.2CCD的選型

CCD的選型主要考慮響應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，數字控制器控制光源的亮度，可采用發光面積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。

模擬被測產品激光的回波，主要考慮工作波長（1064±0.002）Ima、發散角（≤2）、激光脈寬（5～100ns連續可調）、工作頻率（0.25-20Hz可調）和準直系統出口處的輻射功率（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人射激光能量、口徑等因素綜合而定。采用單導軌、螺旋傳動機構，步進電機作為動力源，實現單元的切人切出。

4樣機實測

使用本裝置對某型號導引頭特性進行檢測，被測導引頭具有紅外搜索系統和激光跟蹤系統，激光發射軸和接收軸共軸，紅外系統與激光系統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，使導引頭的紅外搜索系統瞄準此目標，調試用監視器上瞄準目標如圖11所示。此時即完成了被測導引頭紅外光軸和目標器基準光軸的對準。

根據在2.4節中提出的方法，計算讀取圖3中CCD像面激光光斑對應像面中心的位置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，測試數據如表l所示。

按幾何平均的方法處理檢測結果，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，實測結果從調試用監視屏截屏如圖12所示。同時有3個目標時，可以捕捉鎖定能量級大的目標。目標的跟蹤是在統一時標下，以不同速率方式進行檢測，以轉臺輸出角位置信息和導引頭輸出的角位置信息對比得到跟蹤性能優于0.001rad。

5結束語

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