激光半主動制導半實物仿真系統零位標定方法

郝燕云,趙松慶,2,吳根水,2,陳海燕,李睿

(1.中國空空導彈研究院,河南 洛陽 471009；2.航空制導武器航空科技重點實驗室,河南 洛陽 471009)

1 引 言

激光制導武器具有精度高、成本低等特點,在若干次實戰中取得了良好的打擊效果,受到了世界各國的重視和青睞[1-2]。激光制導半實物仿真是其研制過程中必不可少的驗證評估環節[3-4],也是激光導引頭和激光制導武器性能設計和評價的有效手段[5-7]。

目前,激光半主動制導半實物仿真系統在工程上主要有兩種方案[5],一種是基于五軸轉臺和激光目標模擬器的透射式系統,該方案通過五軸轉臺來模擬導彈的姿態運動和彈目視線運動[8],通過激光目標模擬器來模擬目標的激光漫反射特性；另一種是基于漫反射屏和三軸轉臺的反射式系統,該方案通過三軸轉臺來模擬導彈的姿態運動,通過漫反射屏來模擬目標對指示激光的漫反射特性,通過二自由度反光鏡來控制目標光斑在漫反射屏上的運動來模擬彈目相對視線運動[9-10]。

基于漫反射屏的激光制導半實物仿真系統由漫反射屏、激光目標特性模擬激光器、二自由度目標視線運動模擬反光鏡、激光干擾特性模擬激光器、二自由度干擾視線運動模擬反光鏡、三自由度導彈飛行姿態模擬轉臺、仿真計算機和仿真總控系統等組成,見圖1。各分系統的相對位置見圖2。

圖1 基于漫反射屏的激光制導半實物仿真系統組成框圖

圖2 激光半實物仿真系統各分系統相對位置圖

各分系統研制完成后,需要確定安裝時的位置和方向,從而完成整個半實物仿真系統的研制。本文主要描述了分系統安裝定位方法和零位標定方法,對類似系統的建設具有指導意義。

2 三軸轉臺位置及零位標定

以激光漫反射屏為基準,測試標定三軸轉臺的位置和各框架的零位,方法如下:

a)三軸臺基座調水平,在三軸轉臺底座水平基準面上放置水平尺,借助于水平尺將三軸轉臺底座調水平。

b)方位框零位標定,將直角工裝和激光測距儀安放在三軸臺方位框水平基準面上,垂直于基準面軸線,使直角工裝垂直面邊沿壓在水平刻記線上,此時三軸轉臺垂直軸落在直角工裝的垂直面內。讓激光測距儀前端面緊貼直角工裝垂直面,在漫反射屏激光測距儀照射的地方放置平面反光鏡,調整三軸臺方位框、激光測距儀和平面反光鏡三者之間的相對位置,使得經反光鏡反射回的激光束進入激光測距儀前端面上的激光出射口,此時激光測距儀出射的激光束與漫反射屏垂直,見圖3。

圖3 方位框零位標定示意圖

c)激光漫反射屏到三軸臺中心的距離標定,在方位框位置標定完成后,撤掉漫反射屏上的平面反光鏡,借助于激光測距儀測量漫反射屏到三軸轉臺垂直軸的距離。

d)俯仰框零位標定,在俯仰框內安裝特制工裝,見圖4,在工裝的平面上放置呈正交的兩把水平尺,首先調整橫滾框,使X方向的水平尺水泡居中,再調整俯仰框位置,使得Y方向的水平尺水泡居中,此時的俯仰框位置就是俯仰框零位。

圖4 俯仰框零位標定示意圖

3 二自由度反光鏡位置及零位標定

以三軸轉臺方位框和俯仰框零位為基準,標定二自由度反光鏡的轉臺位置和零位,將反光鏡的回旋中心安裝在三軸轉臺方位框零位時的俯仰框軸線上。

首先,在特制工裝內裝入氦氖激光管見圖5,將三軸轉臺方位框零位時的橫滾框軸線用激光管輸出的激光束顯示,具體方法是:調整激光管的方向,旋轉三軸轉臺橫滾框,觀測激光光斑在漫反射屏上的運動軌跡,一直到激光光斑靜止不動為止,說明激光器輸出的激光光束與三軸轉臺橫滾框軸線重合。

圖5 激光管安裝調節示意圖

其次,將三軸轉臺俯仰框調至水平狀態,方位框從零位向右旋轉90°,此時位于三軸轉臺橫滾框軸線上的激光管輸出的激光束就是三轉轉臺方位框零位時的俯仰框軸線。

最后,以激光管輸出的激光束為基準,標定二自由度反光鏡的位置。其方法是:

a)二自由度反光鏡轉臺底座調水平,在二自由度反光鏡轉臺方位框水平面上放置呈正交的兩把水平尺,將二自由度反光鏡轉臺底座調水平。

b)二自由度反光鏡轉臺位置標定,拆掉二自由度反光鏡轉臺俯仰框電機蓋,將軸孔暴露出來,在軸孔上安裝帶有小孔的蓋板,轉動方位框,以小孔是否位于激光束中心為基準,調整二自由度反光鏡轉臺位置,且要保證底座調水平,最終使小孔位于激光束中心,此時二自由度反光鏡轉臺位置調整完畢。

圖6 二自由度反光鏡轉臺位置標定原理示意圖

c)反光鏡俯仰框零位標定,轉動反光鏡轉臺的方位框和俯仰框,使反光鏡的反射面正對激光管,讓反射回的激光束進入激光管,記錄俯仰框位置信息,此時俯仰框零位標定完畢。

d)干擾反光鏡方位框零位標定,轉動反光鏡轉臺的方位框,使激光束照射到漫反射屏表面與三軸臺零位時激光照射的位置重合,記錄方位框位置信息,此時干擾反光鏡方位框零位標定。

e)目標反光鏡方位框零位標定,需配合目標激光器位置確定,詳見目標激光器位置和目標反光鏡轉臺方位框零位標定。

4 干擾激光器位置標定

在干擾反光鏡表面放置和反光鏡同尺寸同形狀且中心有十字標示的白紙,干擾激光器輸出口安裝倍頻晶體,將輸出的1.064 μm激光轉化為綠色激光,在干擾反光鏡轉臺的方位框和俯仰框均處于零位的條件下,調整干擾激光器,使得出射的激光束照射在反光鏡表面的十字中心,去掉白紙后干擾激光能夠照射到漫反射屏上三軸轉臺零位時激光管照射的位置,見圖7,此時干擾激光器位置標定完畢。

5 目標激光器位置和目標反光鏡轉臺方位框零位標定

在目標反光鏡表面放置和反光鏡同尺寸同形狀且中心有十字標示的白紙,目標激光器輸出口安裝倍頻晶體,將輸出的1.064 μm激光轉化為綠色激光,在目標反光鏡轉臺的俯仰框處于零位的條件下,調整目標激光器和反光鏡,使得出射的激光束照射在反光鏡表面的十字中心,去掉白紙后干擾激光能夠照射到漫反射屏上三軸轉臺零位時激光管照射的位置,見圖7,記錄方位框位置信息,此時目標激光器位置和反光鏡方位框零位標定完畢。

圖7 目標/干擾激光器位置標定原理示意圖

6 結 論

本文總結了基于漫反射屏的激光制導半實物仿真系統中各個分系統安裝定位和零位標定過程,對類似系統的建設具有指導意義,部分標記譬如:三軸轉臺方位框水平面上十字標記和直角工裝及其固定方式,以及二自由度反光鏡轉臺俯仰框電機軸孔及帶小孔的蓋板等,需要在分系統研制方案設計時同步進行考慮,一同設計加工,若沒有考慮,會給后期的安裝標定帶來一定困難。另外,部分標定過程需借助氦氖激光管,發出橘紅色激光束,因激光束有一定束散角,隨著照射距離的增遠,激光光斑逐漸變大,另一方面激光光斑亮度較高,照射在漫反射屏或白紙上,用肉眼觀測光斑運動變化情況時,會因光強刺激眼睛,橫向位移觀測不確定度大于2 mm,若使用帶目鏡和十字分劃板的平行光管替代氦氖激光管,觀測不確定度則可小于0.5 mm。