激光驾束制导仪信息场半实物仿真研究

文章编号:1002󰀁2082(2011)03󰀁0401󰀁06

应󰀁用󰀁光󰀁学

JournalofAppliedOpticsVol󰀁32No.3May2011

激光驾束制导仪信息场半实物仿真研究

于󰀁洵,李󰀁博,姜󰀁旭,宇文乾

1

1

2

1

(1.西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032;2.西安应用光学研究所,陕西西安710065)

摘󰀁要:为了实现激光驾束制导信息场性能参数检测,设计了基于虚拟仪器技术的激光驾束制导仪信息场仿真系统,将仿真系统应用于信息场性能参数与空间匹配特性检测系统中,实现对检测系统的校正与自检。信息场模拟器的设计精度达到0.001单位指令,输出的信号具有相位连续、动态范围宽、稳定可靠、精度高、扩展性强等优点。检测系统经过模拟器和标准照度计标定后,指令测试可以达到精度0.01单位指令,照度测量精度为5%,光斑尺寸测试精度为5%,光轴失调量为0.00876。通过对信息场参数检测,验证了方案的可行性,达到了检测系统的测试精度和稳定性,符合测试设备模块化、通用化、智能化和标准化的要求。关键词:激光驾束制导;信息场检测;仿真;虚拟仪器

中图分类号:TN249;TJ765.4󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标志码:A

Hardware󰀁in󰀁the󰀁loopsimulationfortheinformationfieldoflaser

beamridingguidance

YUXun1,LIBo1,JIANGXu2,YUWen󰀁qian1

(1.SchoolofOptoelectronicEngineering,Xi󰀁anTechnologicalUniversity,Xi󰀁an710032,China;

2.Xi󰀁anInstituteofAppliedOptics,Xi󰀁an710065,China)

Abstract:Inordertotesttheinformationfieldperformanceoflaserbeamridingguidance,asimulationsystembasedonvirtual󰀁instrumentisdesigned.Thissimulationsystemisusedinthetestofinformationfieldperformanceandspatialmatchingtorealizethecalibrationandbuilt󰀁in󰀁testoftestingsystem.Thedesignaccuracyoftheinformationfieldsimulationsystemis0.001unitcommandandtheoutputsignalshaveadvantagesofphasecontinuity,widedynamicrange,stablereliability,highprecisionandstrongextendibility.Afterthecalibrationofsimulatorandstandardphotometer,theaccuracyofinstructiontestreaches0.01unitcommand.Theaccuracyofirradiancemeasurementis5%.Theaccuracyofspotsizemeasure󰀁mentis5%andtheopticalaxismisalignmentis0.00876.Itdemonstratesthatthissimulationisfeasibleandsatisfiesthemeasurementaccuracyandstabilityfortestingsystem.Thissystemfeaturesmodularization,generalization,intelligenceandstandardization.

Keywords:laserbeamridingguidance;informationfieldmeasurement;simulation;visualinstrument

引言

激光驾束制导作为激光制导的一种指令制导技术,由地面发射装置向目标发出引导激光信息场,导弹在引导激光光束中飞行,弹尾接收系统接收激光信号,并形成控制指令,控制导弹始终在瞄

准线上飞行,直至命中目标。激光驾束制导不需要导线来传输指令,具有抗干扰能力强、精度高、隐蔽性好等特点[1]。如果激光信息场形成的任何一个环节发生故障或者稳定性降低都会直接导致弹道失控或脱靶。因此,在制导系统研制和生产

收稿日期:2010󰀁08󰀁03;󰀁修回日期:2010󰀁12󰀁06

作者简介:于洵(1964-),男,陕西西安人,硕士,高级工程师,硕士生导师,主要从事光电测试技术和光电信息系统与技术的研究与教学工作。

󰀁402󰀁

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过程中,需要一套精度高、可靠性好、方便快捷、能真实反映制导信息场工作特性的半实物仿真与检测系统,以前采用分立元件的数字电路或模拟电路实现或者通过单片机控制信号发生器实现

[2]

间控制场[3󰀁4]。信息场中的导弹通过判断所接收到的频率信号及其持续时间的长短来确定当前方位误差的大小和方向。

在俯仰信息场中,将导弹位于偏离距离d时接收到的f

3

。

由于该系统属于传统仪器范畴,产品设计完成后,系统封闭、功能固定、可扩展性差,与其他仪器设备的连接十分有限。基于以上在技术中存在的问题,本文采用虚拟仪器技术,完成了制导信息场仿真系统的设计,并实现了对制导仪指令信息特性、空间匹配特性的检测系统研究。

和f4两频率信号持续时间之差称为

(1)

该偏离距离的调制函数(指令值)My,亦即:

My=(󰀁f4-󰀁f3)/(T/2)

同理,当确定某点的y向指令值和z向指令值时,通过公式运算,可得出该点各频率激光脉冲的持续时间,根据指令形成规律来模拟激光指令信息场信息。当导弹不在激光信息场中心时,󰀁f1󰀁󰀁f2,󰀁f3󰀁󰀁f4,那么,-1󰀁My󰀁1、-1󰀁Mz󰀁1。

1󰀁激光驾束制导信息场的形成原理

信息场是由2个调制盘实现偏航和俯仰两方向的制导控制场,调制盘示意图如图1所示,其中A为俯仰调制盘,B为偏航调制盘。以俯仰调制盘为例分析信息场图案,盘上的半圆形光栅图案展开后为一矩形,矩形的中间部分为一菱形,菱形内光栅刻线的空间频率为f5;菱形上部是空间频率为f

3

2󰀁信息场性能参数的检测系统工作

原理与组成

󰀁󰀁激光驾束制导仪激光信息场性能参数测量[5󰀁6]系统工作原理与组成,如图2所示。

的光栅刻线,下部和右边是空间频率为f4的

3

光栅刻线。在0󰀁~40󰀁范围之内主要是频率为f

的光栅,只有下边很小一部分有频率为f4的光栅;同样,调制盘在140󰀁~180󰀁范围之内只有上边的很小一部分有频率为f

3

的光栅,其余主要是频率为

图2󰀁信息场性能参数测量系统原理图

Fig.2󰀁Schematicdiagramoffieldinformationperformancepa󰀁

rametersmeasurementsystem

f4的光栅。其中,f5未被取作控制信号,它主要是为排除弹上电信号干扰而设置的。

根据测试要求,制导仪性能参数检测系统的组成主要包括:

1)信息场模拟器。对指令光场检测进行校正,实现测试系统的自检;

2)变焦平行光管测控模块。用以检测光轴平行性,模拟空间制导距离等;

3)接收组件。接收光场,并输出指令模拟信号;

4)信号处理模块。对模拟信号进行分析计

图1󰀁调制盘示意图

Fig.1󰀁Schematicdiagramofmodulateddisk

算,得到指令信号和照度信号;

5)计算机、检测系统与模拟器主模块。包括制导仪工作状态控制模块、模拟器信号生成模块、光栅尺测控与制导距离解算模块、信号处理模块、指令解算模块、照度解算模块等。

测量时,操作激光驾束制导仪,发射激光通过平行光管变焦定位,经接收组件,一路传送到指令处理电路,形成指令信号输出;另一路传送到照度

当激光器发射连续激光时,投射到以100转/s旋转的调制盘,被其黑白光栅以不同频率从下至上切割激光束,形成含有f1、f5、f2三种频率的偏航信息场;5ms后,从左至右切割激光束,形成含有f3、f5、f4三种频率的俯仰信息场。因此,在激光束的横截面内含有5种频率的激光脉冲,形成空

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信号处理电路,形成照度信号输出。

输出的指令模拟信号经计算机指令解算模块分析解算出信息场的指令值,画出信息场的指令曲线,并根据边缘指令值算出不同变焦定位处的指令信息和激光光斑尺寸;同时根据建立的数学模型解算出实际制导距离,并根据激光光斑尺寸画出空间匹配特性曲线。

接收模块输出的高频f1~f5照度信号经照度解算模块处理,变换成缓变直流信号,经数据处理后可获得信息场指令位置的照度值及其分布曲线。

由于激光驾束制导仪激光信息场性能参数测量系统为非标仪器,在测试时需要验证其测量指令值的真实性,同时需要评估测试系统的测试精度。导弹上的接收控制系统的性能如何评估也是需要解决的问题。因此本文研制的半实物仿真系统主要是采用虚拟仪器技术产生标准的信息场,用以完成激光驾束制导仪激光信息场性能参数测量系统标定和导弹上接收控制系统性能评估。

息场,输出的信号具有输出相位连续、动态范围宽、抗干扰性强、性能稳定可靠、精度高等诸多优点

[8]

。分束镜对包含指令信息的发射光进行分

光,反射光进入功率监测子系统可对发射光功率进行实时监测,透射光进入接收组件进行测试。

信息场模拟器采用的外围硬件是利用PCI总线技术实现的多功能数据采集卡,支持双极性的16路模拟信号输入;2路模拟输出通道,分辨率为16bit,采样率为250kSa/s;双极性输出电压范围是󰀁10V。这些功能不仅可以利用该卡的模拟输入功能进行数据采集、信号调理等多种功能,还可以用该卡模拟输出信息场模拟器所需的电脉冲信号,做到一卡多用。3.2󰀁软件设计

为了实现控制面板功能,软件采用模块化设计,设计了多个子VI程序,可以在高层程序中调用子VI程序,使高层程序简洁化,程序容易调试、理解和维护。激光制导信息场模拟系统软件组成子VI程序有数据计算模块、基本信号发生模块、波形组合模块、信号输出模块、参数显示模块。信息场模拟器软件设计流程图,如图4所示。

3󰀁信息场仿真系统设计

3.1󰀁基于虚拟仪器技术的系统设计

信息场模拟器包括指令信息场生成模块、光发射子系统、功率监测子系统、望远系统和分束镜。该模拟器基于虚拟仪器新技术,采用计算机操控方式,通过计算机上的指令管理软件能实时生成多种波形、频率、线性可调幅值的指令电信号[7]。此外,还可采集用外部电压信号来自动生成所需指令信号,或者通过计算机串口从外部仪器设备上采集指令值,信息场模拟器原理组成图如图3所示。

图4󰀁标准指令模拟器软件流程图

Fig.4󰀁Softwareflowchartofstandardinstruction

图3󰀁信息场模拟器原理组成图

Fig.3󰀁Schematicdiagramofinformationfieldsimulator

simulator

初始化后,用户输入指令值,程序根据用户输入的y向和z向指令值,判断输入值是否在-1到1范围内;如其值符合要求,根据激光驾束制导仪信息场的形成原理,通过指令与时间转换模块,计

指令信息场生成模块能生成信息场的各种指令信号。光发射子系统利用1.06󰀁m的光发射器件和电脉冲序列准确地模拟了激光驾束制导仪信

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算出各频率在一个周期内持续时间,并将各频率持续时间输出;制导仪模拟器信号组合模块把基本信号波形生成模块产生频率为f1,f2,f3,f4,f5的信号按时序要求组合起来,系统即可输出5个频率信号在一周期内的信息场波形。指令与时间转换和波形组合是软件设计过程中2个关键技术,其设计流程图如图5和图6所示。

5󰀁实验结果分析

5.1󰀁模拟器信息场波形组合

在激光驾束制导仪性能参数测试系统中,利用信息场模拟器,进行信息场信息测试。从试验可以得出以下结论:设计精度达到0.001单位指令;模拟器有光场信号输出,可以模拟生成正确的制导仪信息场指令,模拟器产生的指令特性曲线与指令特性曲线特征吻合,满足测试需要。在指令值z=0、y=1时,示波器测试模拟器的输出波形如图7所示。

图7󰀁示波器测试模拟器输出波形Fig.7󰀁Outputoftestingsimulator

5.2󰀁不同制导距离下的信息场检测

在测量指令值时[8],发射激光,分别进行z、y扫描,测出z通道和y通道的指令曲线,由不同制导距离下的指令曲线的z向和y向尺寸,用下式可计算出实际的光斑尺寸:

L󰀁初=R󰀁aL󰀁终=󰀁b

R

(2)

式中:L为对应的野外实际距离;R为室内测试的距离;a为z向测得的指令曲线最大尺寸;b为y向测得的指令曲线最大尺寸。再计算指令场线性段的光斑尺寸,则a、b值代表最高指令值对应的尺寸。从试验得出光斑尺寸测试精度为0.05,误差很小,在允许范围内,满足测试要求。信息场有效光斑尺寸测量结果如图8所示。

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调量为0.00876,满足测试要求。归一化零指令轴失调量实验结果曲线如图9所示。

图8󰀁信息场有效光斑尺寸测量

Fig.8󰀁Measurementofeffectivespotsizeininforma󰀁

tionfield

图9󰀁零指令轴失调量曲线

Fig.9Misalignmentofzeroinstructionaxis

在制导仪指令信息与空间匹配特性的检测系统中,使用标准模拟器标定测试系统的指令值时,信息场指令值与信息场不同频率脉冲持续时间的差值󰀁T为线性关系,由于本文采用虚拟仪器技术产生信号源,信息场中各种脉冲的持续时间可以精确控制到0.5󰀁s,本信息场模拟器产生的标准信息场指令精度为

Tf1-Tf2󰀁T==0.001S=

5msT2

(3)

6󰀁结束语

本文对激光驾束制导系统的制导原理进行了论述,根据测试要求,设计了基于虚拟仪器技术的激光驾束制导仪信息场仿真系统,并将仿真系统应用于制导仪指令信息场与空间匹配特性检测系统中,实现了对检测系统的校正、标定与自检。该仿真系统输出的信号具有相位连续、动态范围宽、稳定可靠、精度高等优点。激光驾束制导指令信息场与空间匹配特性检测系统具有简便、快捷、高效等特点,能在室内和野外条件下对炮射导弹的驾束制导信息场进行静态参数测试,符合测试设备模块化、通用化、智能化和标准化的发展方向。实践证明,该系统方案可行,结果可以达到设计的精度和稳定性,可确保测试系统的全面、完整、准确和客观性。

参考文献:

由于探测器在线性区工作,经过信息场模拟器标定后,测试指令可以达到测量精度为0.01。

测试系统巧妙地采用靶标中心孔接收的指令值与光轴平行性之间存在的数学关系,只测量中心孔处的指令值,通过建立的数学模型,解算出瞄准轴与零指令轴之间的失调误差。失调误差(󰀁L指令)按(4)式确定:

󰀁L指令=󰀁Ly=

(󰀁Lz)+(󰀁Ly)

22(4)(5)(6)

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RRHy,󰀁Lz=LzHL

Hy2+Hz2󰀁L指令=3.375

式中:󰀁Lz、󰀁Ly为信息场零指令轴与瞄准轴沿z轴、y轴的失调误差,单位为米。

将(5)式代入(4)式得到归一化计算公式(6),再采用曲线拟合的最小二乘法,对信息场检测的有限零指令轴失调量进行曲线拟合,然后判断信息场轴与瞄准轴的平行性。当测试指令测量精度为0.01,制导距离为2km时,其信息场零指令轴与瞄准轴的失调误差为47.7mm,满足测试要求。在测试时间内,信息场检测的归一化零指令轴失

󰀁406󰀁

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