激光導引頭低溫輸出特性分析及補償方法研究*

張 琪，馬軍偉，梅 磊，楊 濤，劉 揚

(西安北方光電科技防務有限公司， 西安 710043)

0 引言

近年來，通過國內外的快速發展，半主動激光制導技術日益成熟，尤其是外貿市場的蓬勃發展給激光武器的研發、生產帶來了前所未有的機遇和挑戰。面對以上競爭和挑戰，國內也在多個口徑多個平臺領域開發了激光制導技術及產品，隨著現代戰爭的演變，對激光武器的發展提出了新的要求[1]，包括提高武器攻擊能力、提高機組人員及載機安全性、降低成本和后勤維護費用。

激光導引頭通過對光學系統探測的目標位置進行分析運算，驅動陀螺修正系統減小失調角，同時輸出跟蹤角速度用于引導導彈向目標進動。因此，跟蹤角速度輸出精度直接影響導彈命中精度，是導引頭的關鍵技術指標之一，其調試方法包括硬件調試法和軟件調試法。隨著大規模集成電路的應用以及導引頭模塊化的設計，綜合指標的計算多采用軟件調試法。為了保證導引頭輸出精度，針對溫度條件通過軟件寫入的方式分別設置了兩個參數調試通道，文中著重對批量產品低溫條件下輸出特性進行分析以給出低溫補償參數設置方法。該方法適用于修正系統性能隨溫度變化的激光類導引頭，該方法的應用提高了跟蹤角速度調試效率，保證產品質量一致性，為外貿市場的競爭提供更多的優勢。

1 激光導引頭的使用要求

導引頭是導彈的重要組成部分，由于導彈的部署范圍廣泛，不同地域、季節的溫度差異(低溫-40 ℃以下，高溫60 ℃以上)是導彈不得不面臨的巨大挑戰[2]，因此對導引頭提出了嚴格的使用要求。文中所述激光導引頭采用了模塊化和集成化設計，針對關鍵指標設置了數字化軟件調試窗口以滿足跟蹤角速度輸出精度。通過對激光導引頭的總體需求及檢測需求分析，提出了以下3點使用要求，保證產品實現精確導引。

1)常溫25 ℃輸出精度±15%以內，角速度測試需求1°/s、3°/s；

2)低溫-40 ℃輸出精度±15%以內，角速度測試需求1°/s；

3)高溫+50 ℃輸出精度±15%以內，角速度測試需求1°/s。

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

2 激光導引頭的低溫特性分析

2.1 低溫特性分析

激光導引頭的功能如圖1所示，組成如圖2所示，其主要實現了對目標失調角的修正及視線角速度對外輸出兩個功能。根據制導需求，激光導引頭全溫工作條件下輸出精度控制在±15%以內。根據導引頭組成分析，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，最終導致了低溫性能的衰減(如圖3、圖4所示)而達不到制導精度的控制要求。

圖1 激光導引頭功能示意圖

圖2 激光導引頭組成示意圖

圖3 導引頭輸出特性

2.2 影響原因分析

激光導引頭對失調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品磁力矩，推動陀螺向目標方向進動。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、線圈的面積、通過線圈的磁通量、陀螺的轉動慣量、陀螺的轉速、線圈的截面積、線圈電阻阻值相關。對于同一個產品而言線圈的匝數、線圈的面積、通過線圈的磁通量、陀螺的轉動慣量、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速Ω、線圈電阻阻值R兩個因素。

(1)

式中：N為線圈的匝數；L1·L2為線圈的面積 [cm2]；Φm為通過線圈的磁通量 [Wb]，實測為Φm=0.83×10-6Wb；JX為陀螺在X軸上的轉動慣量 [g·cm·s2]；Ω為陀螺的轉速 [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 導引頭輸出精度

針對線圈電阻及陀螺轉速進行了低溫特性試驗，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行了電阻阻值檢測，結果如表1所示。通過試驗分析，線圈阻值隨溫度的變化率為16.6%～20.4%。其次，針對陀螺轉速，初始速度是由陀螺組件內安裝的儲能元件釋放得到，由于儲能部件將能量釋放完后，陀螺轉子不再補充新能量，因此，隨著時間的延長陀螺轉速按照近似于線性規律下降[3]。根據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)計算陀螺轉速衰減對修正信號的影響變化率為16.9%～19.4%。陀螺轉速隨溫度變化情況主要與零件材料溫度系數、陀螺裝配間隙、摩擦系數有關，導引頭位標器組件一旦裝配完成，陀螺轉速在導引頭調試過程中無法進行控制。

綜上分析，激光導引頭單位角速度低溫輸出特性的衰減與線圈及陀螺轉速在低溫條件下的物理特性相關，是導引頭的固有屬性。因此亟待研究一種適合導引頭全溫度范圍輸出斜率補償的數學算法，使導引頭輸出斜率的期望穩定，可確保導彈命中概率的進一步提高[4]。

表1 線圈阻值測試統計表

3 低溫特性的補償

3.1 補償方法

通過對激光導引頭低溫輸出特性的分析，對低溫下衰減的原因進行了確認，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償環節設置就更為重要。針對激光導引頭單位角速度需要保持的精度，設置了兩個調整環節，分別為常溫調整系數K1(用來常溫調試使輸出角速度的偏差盡可能小)，低溫調整系數K2(用于補償低溫條件的衰減量)，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償功能執行常溫程序運行的結果[5]。根據圖5，為了便于輸出角速度的調整，系數的裝定均采用軟件寫入的補償方法，操作簡單易實現。

圖5 補償方法原理框圖

根據工作原理，當導引頭自身修正回路跟蹤能力較強時，常溫系數K1則不需太高即可滿足技術指標，低溫補償系數也就不需太高；當導引頭自身回路跟蹤能力較弱時，則常溫系數較高時才能達到要求，此時低溫系數也需要較高的補償才能滿足技術指標。那么，對于批量產品來說，在低溫工作條件下的補償則應遵循以上工作原理，且需滿足一定的離散性要求，因此按照5%精度進行分段補償(低溫系數K2補償方法見式(2))，這樣低溫系數能夠兼容自身跟蹤能力的不同以適應批量調試的需求。

(2)

3.2 試驗驗證

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

圖6 驗證測試結果常溫統計圖

圖7 驗證測試結果低溫統計圖

4 補償方法的應用

通過以上對補償方法的驗證，輸出精度調試合格率基本滿足了批量生產需求，避免了反復調試，節省了生產成本，創造了生產效益。其中，試用批產品的常溫系數K1、低溫系數K2統計如圖8所示，基本符合式(2)的低溫補償方法；低溫系數分布如圖9所示，說明采用該低溫補償方法一次調試合格率可達到90.6%。

圖8 批量生產調試系數統計圖

圖9 批量生產驗證低溫系數K2分布圖

5 結論

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

1)低溫補償系數獨立，保證低溫性能的同時避免對常溫性能造成影響；

2)采用分段補償方法可應用于批量產品的調試生產；

3)補償操作簡單，在記錄常溫系數K1的條件下，按分段系數表進行低溫系數K2的承裝即可。