車載觀瞄系統光軸平行性檢測系統控制設計思路構架實踐

朱東 張瑤

中國北方車輛研究所 北京 100072

引言

當前車載觀瞄系統屬于高精度系統，是有多個精密儀器組成，具有復雜性，兼備激光測距和晝夜觀瞄等功能。在車載觀瞄系統運行中，多個光軸的平行性對激光測距的精確性瞄準目標和測距的準確性具有決定作用，這樣必然會給火炮的精準打擊造成影響。因而，做好車載觀瞄系統光軸平行性的檢測工作是整個車載觀瞄系統檢測的重要內容。然而，目前在車載觀瞄系統中，因為測距激光的脈寬過短，將PSD作為感應器件依然存在光斑計算位置有偏差、延時觸發信號缺乏穩定性等問，所以要遵循當前光學結構，做好以PSD為基礎的一種能快速觸發和準確檢測的電氣設計工作。本文將簡單介紹光軸平行性檢測系統的整體設計方案，分層探討車載控制系統設計方法。

1 光軸平行性檢測系統的整體設計方案

車載觀瞄系統光軸的平行性檢測工作主要是對三個光軸實施檢測：第一，測距白光瞄準軸；第二，激光發射軸；第三，激光接收軸。其檢測要點是判斷這三個光軸是否能準確測距。在有效的空間內做好對遠目標模擬工作，則需要依托大口徑卡塞格林光學系統，遵循整體光學結構，將PSD作為傳感器，這種傳感器的響應速度比較快，其計算方法也非常簡便。

可以看出，LD紅外發射管和分劃板照明設置緊貼于分劃板，這樣方能使 LD紅外發射管準確位于卡塞格林的焦點上，以此做好回波以平行光形式射入被測系統的模擬工作。在光軸平行性檢測系統的整體設計工作中，首先要正確運用分劃板調準檢測系統平行光管和白光瞄準軸的平行性關系。接著，向被測系統發射用于測距的激光，然后，經過三個設備——第一，經過卡塞格林光學系統；第二，經過衰減片；第三，經過分光棱鏡。最終匯聚到PSD和光敏二極管上，通過采集光斑位置來準確判斷白光瞄準軸和激光發射軸的平行性關系[1]。

2 車載控制系統設計方法

2.1 PSD傳感器和采集模塊的設計方案

在車載控制系統設計工作中，應正確選用PSD對測距短脈沖激光的光斑位置完成采集作業。和傳統模式下的CCD采集方法相比，PSD傳感器的響應時間更短，計算方法也更加簡便。然而，在具體工作中，PSD傳感器在針對納秒級的短脈沖測距激光時，響應時間還是較長，這樣就會導致PSD難以響應完全等現象。根據被測系統為20ns脈寬的測距激光，需要采用MATLAB來仿真PSD瞬時單側引腳的輸出公式，信號仿真如圖1所示。

圖1 PSD短脈沖激光照射下信號仿真結構圖

由圖一所知，在脈沖非常短的情況下，PSD傳感器的響應信號也非常短暫，其響應峰值能達到95%的時間范圍是10ns級，這就對采集模塊設計工作提出了更高的要求。結合PSD傳感器的單側引腳輸出公式可以得出，當被測系統的脈寬測距激光為20ns，響應度在97%的時間范圍表現為8.436ns≤t≤23.512ns，其被允許采樣時間的最小寬度是Tm= 23.512ns-8.436ns=15.076ns。在香農采樣定理中，最小的采樣頻率必須滿足乃奎斯特采樣率，其公式如下：

目前，設計方案主要是運用200MHz的采集卡完成PSD信號采集工作。

對于模擬回波延時模塊，首先要著重優化演示方法。在設計模擬回波延時方案時，必須以做好車載觀瞄系統測距的精度為目標。常用的設計方法是直接運用PSD傳感器輸出來觸發延時電路，然而，如果測距激光為納米級，用PSD傳感器輸出就會和持續照射產生較大的差別。如果測距激光比較短，就會導致PSD傳感器的單引腳輸出尚未完全響應就出現了下降問題，這樣必然無法確保輸出的穩定性。其次，當照射位置持續靠近另一側，就會逐漸導致輸出值接近于0，無法充當延時電路的觸發信號。對此問題，理應優先使用響應速度更快，而且照射位置不會對其產生負面影響的光敏二極管完成測距激光的采集工作。在采集工作中，激光測距系統會精確測量激光的往返時間t，經過計算來得出目標距離S，其計算公式如下：

公式中的S用于表示目標距離，t指激光的往返時間，c是指光速。

檢測系統會精確模擬時間，準確計算延時時間，其公式如下：

公式中的td是指延時時間，sn是指平行光管里面的光程，一般情況下，如果延時模擬距離比較長，就可以忽略不計平行光管里面的光程。公式中的tn是指器件的固有延時。在設計過程中，需要實現延時的觸發部分、控制部分和模擬回波的觸發部分的有機組合。對于車載觀瞄系統中的測距系統。

可以看出延時觸發部分組合包括光敏二極管和信號采集電路；延時控制部分組合包括晶振和計數卡；模擬回波觸發部分組合包括觸發電路和激光器。將測距激光發射給被測系統之后，光敏二極管會對測距激光信號做出迅速響應，經過采集并放大后的信號會對計數卡實施計數觸發，在此階段，持續晶振電路會提高計數卡的計數脈沖信號。等到計數卡的計數上升到設定值N后，就會停止計數，經過觸發電路實現激光器的觸發，以此產生延時后的模擬回波。

可以看出，如果延時時間比較短，同時，對精度的要求比較高，最終，器件的固有延時必然會對延時結果產生較大影響，不可忽略不計。其次，在器件完成固有延時后，計數卡的開門信號會和持續晶振脈沖產生相應的耦合誤差。在計算過程中，設晶振脈沖頻率用f來表示，應耦合造成的時間誤差通常被設為Δt ，其計算公式如下：

在計算最大模擬距離誤差時，通常用sm來表示半個晶振脈沖時間的光程，其計算公式如下：

在檢測工作中，如果要準確監測被測系統測距的精度，就應注意確保最大模擬距離誤差sm不得大于被測系統允許的測距誤差[2]。

2.2 量化光軸平行性檢測軟件工作流程

車載觀瞄系統構成復雜，融合了光技術、電技術、機技術和計算技術，在開展光軸平行性和延時精度的檢測工作之前，理應依次排除其他故障因素，做好相關分析工作。確定激光發射沒有故障后，需要瞄準被測系統的分劃板中心，標定其位置，然后再對測距激光進行觸發。同時，應正確使用軟件所采集的 PSD 信號開展相關計算與分析工作，準確判斷白光瞄準軸和激光發射軸的平行性關系是否符合標準要求。光軸平行性檢測軟件工作流程如下：①安裝檢測系統。②對車載測距激光進行觸發。③確定PSD傳感器在判斷范圍是否采集到信號，如果沒有采集到信號，就說明測距系統的激光發射出現了故障；如果采集到了信號，主要將瞄準的位置調整為標定位置，并對測距激光進行觸發[3-4]。

3 結束語

總而言之，在車載控制系統設計工作中，應正確選用 PSD 對測距短脈沖激光的光斑位置完成采集作業，著重優化采集模塊，對于模擬回波延時模塊，首先要著重優化演示方法。在設計模擬回波延時方案時，必須以做好車載觀瞄系統測距的精度為目標。常用的設計方法是直接運用PSD傳感器輸出來觸發延時電路，然而，如果測距激光為納米級，用PSD傳感器輸出就會和持續照射產生較大的差別，對此，需要用光敏二極管予以克服。與此同時，要重視量化光軸平行性檢測軟件工作流程，通過實驗分析被測系統誤差。