紀(jì)小輝

摘要：為實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)對多款導(dǎo)引頭的目標(biāo)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(biāo)識別方法、基于相對運(yùn)動的跟蹤方法和多光譜光軸一致性的檢測方法，并設(shè)計(jì)一套由目標(biāo)模擬器和兩軸運(yùn)動轉(zhuǎn)臺組成的檢測裝置。目標(biāo)模擬器采用反射望遠(yuǎn)系統(tǒng)，可以提供不同灰度值的可見光目標(biāo)、不同能級的紅外目標(biāo)以檢測導(dǎo)引頭的目標(biāo)識別性能;轉(zhuǎn)臺帶動導(dǎo)引頭運(yùn)動，檢測導(dǎo)引頭的跟蹤性能;目標(biāo)模擬器的準(zhǔn)直系統(tǒng)提供光軸基準(zhǔn)，檢測導(dǎo)引頭的多光譜光軸一致性;目標(biāo)模擬器發(fā)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(shí)際檢測結(jié)果表明，可以實(shí)現(xiàn)對3～5個(gè)目標(biāo)的識別，跟蹤精度優(yōu)于0.001rad，光軸一致性檢測精度達(dá)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(nèi)對導(dǎo)引頭性能檢測的要求。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)引頭性能;兩軸轉(zhuǎn)臺;多光譜反射式準(zhǔn)直儀;多光譜光軸一致性;目標(biāo)跟蹤與識別

中圖分類號：TJ765.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）04-0092-06

0引言

導(dǎo)彈靠雷達(dá)或其他方式的導(dǎo)引從發(fā)射端飛向目標(biāo)，在接近目標(biāo)的末端時(shí)，導(dǎo)引頭就是導(dǎo)彈的“眼睛”，其作用是發(fā)現(xiàn)、跟蹤目標(biāo)，并最終引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)。導(dǎo)引頭一般具有兩個(gè)以上譜段的光學(xué)系統(tǒng)，通過可見光或紅外來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，鎖定目標(biāo)后，觸發(fā)激光測距跟蹤系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行照射，接收目標(biāo)的回波信號，對其進(jìn)行跟蹤。由此可見，對可見光或紅外系統(tǒng)來說，要求較大的視場和目標(biāo)的判別能力，完成對目標(biāo)的搜索和鎖定;對于激光測距跟蹤系統(tǒng)來說，要求出射光發(fā)散角小，能量強(qiáng)，回波接收視場角大;對不同光譜系統(tǒng)的光軸一致性要求高。導(dǎo)引頭的特性指標(biāo)主要體現(xiàn)為目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)距離目標(biāo)測量法和激光相紙檢測法;目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、識別和跟蹤能力檢測主要有外場試驗(yàn)和室內(nèi)半實(shí)物仿真法，以上方法都是對單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測，本文提出一種綜合檢測裝置，可實(shí)現(xiàn)對多款導(dǎo)引頭一次安裝，檢測多個(gè)項(xiàng)目，提高檢測效率。

1裝置組成

裝置由目標(biāo)運(yùn)動單元（兩軸仿真轉(zhuǎn)臺）和目標(biāo)模擬單元（模擬目標(biāo)器）組成，兩者處于分離狀態(tài)，被測導(dǎo)引頭安裝在轉(zhuǎn)臺上，目標(biāo)模擬器安置在導(dǎo)引頭前方，兩者光軸對齊，如圖l所示。

轉(zhuǎn)臺給導(dǎo)引頭提供俯仰和方位運(yùn)動，模擬實(shí)際狀態(tài);模擬器給導(dǎo)引頭提供多光譜無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，模擬實(shí)際中的打擊目標(biāo)。

1.1兩軸仿真轉(zhuǎn)臺組成

轉(zhuǎn)臺由外環(huán)（方位）軸系、內(nèi)環(huán)（俯仰）軸系兩部分組成，臺體設(shè)計(jì)成一個(gè)雙軸uu型立式轉(zhuǎn)臺。雙軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中的負(fù)載為各種類型的導(dǎo)引頭，負(fù)載工裝是根據(jù)導(dǎo)引頭類型而定的支撐架。

1.2目標(biāo)模擬器組成

目標(biāo)器主要由準(zhǔn)直（望遠(yuǎn)）系統(tǒng)、可見光模擬源、紅外模擬源、激光模擬源、ccD成像單元、目標(biāo)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(shí)現(xiàn)3個(gè)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(shí)現(xiàn)對射人的激光的成像。以上的移動均由電控實(shí)現(xiàn)，靶標(biāo)擬采用手工的方式更換。

2檢測內(nèi)容及原理

2.1目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)與識別

首先進(jìn)行導(dǎo)引頭和目標(biāo)器的光軸對齊。轉(zhuǎn)臺帶動導(dǎo)引頭做方位運(yùn)動，當(dāng)目標(biāo)器的出射光（可見光或紅外光）進(jìn)入導(dǎo)引頭視場時(shí)，在成像面上可出現(xiàn)模擬目標(biāo)的像，如圖4所示。當(dāng)像基本成像于視場中心時(shí)，即可停止轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動。更換目標(biāo)靶，使用多目標(biāo)靶板，這時(shí)在導(dǎo)引頭成像面上出現(xiàn)多個(gè)灰度值不同的目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)3～5個(gè)目標(biāo)的識別，如圖5所示，開啟導(dǎo)引頭自動搜索功能，對目標(biāo)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和識別，根據(jù)判斷準(zhǔn)則鎖定目標(biāo)。

2.2目標(biāo)的跟蹤

根據(jù)相對運(yùn)動原理，當(dāng)目標(biāo)不動時(shí)，轉(zhuǎn)臺帶動導(dǎo)引頭運(yùn)動，就相當(dāng)于目標(biāo)相對導(dǎo)引頭做反向運(yùn)動，為了始終將目標(biāo)鎖定于視場中心，導(dǎo)引頭則做反向運(yùn)動，形成對目標(biāo)的跟蹤。導(dǎo)引頭的目標(biāo)有兩種，空中目標(biāo)和對地目標(biāo)，鎖定目標(biāo)后，其俯仰的運(yùn)動范圍不大，因此，這里主要采用方位跟蹤檢測。轉(zhuǎn)臺以規(guī)劃角速度轉(zhuǎn)動，如果被跟蹤目標(biāo)始終在波門或四象限器跟蹤區(qū)內(nèi)被鎖定，從轉(zhuǎn)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(biāo)時(shí)，激光的反射信號能量不同。根據(jù)模擬不同的情況，利用控制器使激光器發(fā)出不同脈寬、能量的激光來模擬回波信號，經(jīng)過激光器前擴(kuò)束鏡擴(kuò)束，照射到不同尺寸的分化板上，經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)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(dǎo)引頭最多有可見光成像系統(tǒng)光軸、紅外成像系統(tǒng)光軸、激光發(fā)射光軸、激光接收光軸4個(gè)光軸。理論上4個(gè)光軸只有嚴(yán)格平行時(shí)，目標(biāo)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(gè)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)，4個(gè)光軸必須要進(jìn)行一致性檢測。被測導(dǎo)引頭安裝在轉(zhuǎn)臺上，調(diào)整轉(zhuǎn)臺的方位和俯仰，同時(shí)對導(dǎo)引頭支撐工裝的線位移調(diào)整，使可見光系統(tǒng)的光軸（沒有可見光系統(tǒng)時(shí)，使用紅外系統(tǒng)光軸）和目標(biāo)器的光軸對準(zhǔn)，即目標(biāo)器分化板的像處于可見光視場中心。點(diǎn)亮紅外光源，記錄目標(biāo)器紅外分化板在導(dǎo)引頭紅外系統(tǒng)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(dǎo)引頭發(fā)射激光脈沖，經(jīng)過衰減片后，成像在目標(biāo)器的CCD靶面上，記錄光斑位置（x，y），則可見光與激光發(fā)射系統(tǒng)光軸夾角可用式（1）計(jì)算，焦距換成目標(biāo)器的焦距。

目標(biāo)器的激光輻射源發(fā)射模擬回波脈沖，出射后被導(dǎo)引頭接收，根據(jù)四象限器A、B、c、D象限的輸出信號值，可以計(jì)算出光斑中心在四象限器上的坐標(biāo)（x，y），則可見光與激光接收系統(tǒng)光軸夾角可用式（1）計(jì)算，焦距換成激光接收系統(tǒng)的焦距。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)

由于是對多款導(dǎo)引頭進(jìn)行檢測，因此轉(zhuǎn)臺具有結(jié)構(gòu)尺寸大、運(yùn)動載荷大、定位精度高、運(yùn)動速度范圍寬、運(yùn)動角加速度高等特點(diǎn)。具體要求如下：

1）負(fù)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(xù)旋轉(zhuǎn)nx360°;

7）俯仰軸：-90°～90°。

3.1.1機(jī)械臺體設(shè)計(jì)

機(jī)械臺體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，轉(zhuǎn)臺臺體（不含負(fù)載和工裝）的總質(zhì)量約為4100kg。

外環(huán)底座、內(nèi)環(huán)u型框架、左右支架和負(fù)載安裝u型臺面是轉(zhuǎn)臺的關(guān)鍵零件，這些零件良好的剛度是轉(zhuǎn)臺順利滿足精度指標(biāo)要求的必要條件。為使轉(zhuǎn)臺正常工作，用ANSYS軟件對零件進(jìn)行分析，在最大載荷作用下，轉(zhuǎn)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(huán)主軸、兩對角接觸軸承和滑環(huán)組成，軸上安裝有直流力矩電機(jī)、角度傳感器等部件，方位軸系可連續(xù)旋轉(zhuǎn)。方位軸系采用一對高精度的有預(yù)緊負(fù)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(bǔ)償軸系在加工引起的累積公差。該方案使?jié)L動軸系承載能力大，連接剛度高，可達(dá)到高的回轉(zhuǎn)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(jī)、編碼器和光電限位;右軸上安裝有直流力矩電機(jī)、機(jī)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(bǔ)償軸系加工引起的累積公差，并使該端軸承也固定，以加強(qiáng)u型框架的搖擺剛度。該方案使外環(huán)軸系承載能力大，抗傾覆力矩能力強(qiáng)，連接剛度高，可達(dá)到高的回轉(zhuǎn)精度。

3.1.2驅(qū)動電機(jī)選型

驅(qū)動元件設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要原始數(shù)據(jù)就是轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算，方位軸系的轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算（負(fù)載在極限位置時(shí)）I=2444kg·m²，根據(jù)指標(biāo)要求，方位運(yùn)動角速率不大于100°/s，角加速度不大于100°/s²，取計(jì)算加速度為150°/s²。所需的最大驅(qū)動力矩為Mmax=6400N·m。選用680LYX260B（T）電機(jī)，該力矩電機(jī)連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩為2000N·m，峰值堵轉(zhuǎn)力矩可達(dá)10000N·m。

俯仰軸系的轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算（負(fù)載在極限位置時(shí)）為I=1220kg.m²，根據(jù)指標(biāo)要求，外環(huán)角運(yùn)動速率不大于100°/s，角加速度不大于100°/s²，同樣取計(jì)算加速度為150du3/s²。所需的最大驅(qū)動力矩：Mmax=3195N·m。選用兩臺425LYXl50B（T）電機(jī)，該力矩電機(jī)連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩為500N·m，峰值堵轉(zhuǎn)力矩可達(dá)3000N·m。

3.1.3測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)硬件由集中控制計(jì)算機(jī)、測控柜等構(gòu)成。按功能模塊分為測角系統(tǒng)模塊，數(shù)字控制系統(tǒng)模塊、上位機(jī)輸入輸出系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)、外部通信接口系統(tǒng)等模塊組成。

測角系統(tǒng)選用德國海德漢公司的產(chǎn)品，其具體型號為ECN225（帶增量信號），其系統(tǒng)精度可以達(dá)到±10”，最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，可見該角度編碼器可滿足本轉(zhuǎn)臺要求。雙軸轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)是在Windows XP操作系統(tǒng)上開發(fā)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。為了滿足控制系統(tǒng)嚴(yán)格的響應(yīng)時(shí)間要求，設(shè)計(jì)上選用美國Ardence公司開發(fā)的RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊。其控制伺服周期可達(dá)到1ms，具有很高的系統(tǒng)響應(yīng)能力。

系統(tǒng)的所有功能都是圍繞控制系統(tǒng)（RTX）來實(shí)現(xiàn)的，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)采用由電流環(huán)、位置環(huán)控制回路組成的多環(huán)路從屬結(jié)構(gòu)控制方式。通過D/A轉(zhuǎn)換卡控制電機(jī)驅(qū)動器的速度輸入，電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。轉(zhuǎn)臺機(jī)械臺體通過角度傳感器將轉(zhuǎn)臺位置信號，經(jīng)過測角模塊和數(shù)據(jù)采集卡反饋給控制程序，控制系統(tǒng)再采用PID及其他相應(yīng)輔助算法去控制轉(zhuǎn)臺，這就形成了系統(tǒng)的位置環(huán)。位置環(huán)是系統(tǒng)的主反饋環(huán)，它用于保證系統(tǒng)的精度。系統(tǒng)的電流環(huán)是通過驅(qū)動器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，電流環(huán)是構(gòu)成電樞電流負(fù)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(shí)防止功率轉(zhuǎn)換電路和電機(jī)過流。

3.2目標(biāo)器的設(shè)計(jì)

目標(biāo)器的主要作用是給導(dǎo)引頭提供無窮遠(yuǎn)模擬目標(biāo)，因此采用準(zhǔn)直望遠(yuǎn)系統(tǒng);考慮到是多光譜系統(tǒng)，因此確定光路結(jié)構(gòu)為離軸反射式結(jié)構(gòu)。

3.2.1離軸反射式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)被測幾款導(dǎo)引頭的光學(xué)窗口布局和大小來設(shè)計(jì)目標(biāo)器的孔徑大小，根據(jù)要求的出射光的平行性來設(shè)計(jì)焦距，綜合考慮以上因素后，確定系統(tǒng)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(shù)為-0.9958;次鏡采用平面鏡，通光孔徑065mm，使主光線偏轉(zhuǎn)90°，如圖3所示。視場采用雙視場設(shè)計(jì)，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(diǎn)列圖如圖9所示;最大彌散斑半徑（RMS）為7.331um，其對應(yīng)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(shí)，需要移動衰減片組和移動反射鏡組I，來實(shí)現(xiàn)光路的轉(zhuǎn)折。

對于模擬無窮遠(yuǎn)目標(biāo)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(diǎn)圖如圖10所示。最大彌散斑半徑（RMS）為75.325um，其對應(yīng)的空間角分辨率為8”，而被測導(dǎo)引頭的空間分辨率為200”，所以滿足檢測要求。

使用此光路時(shí)，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(shí)現(xiàn)。

3.2.2CCD的選型

CCD的選型主要考慮響應(yīng)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(nèi)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(biāo)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(yuǎn)目標(biāo)，采用單色（綠光463nm）LED高亮背景光源，數(shù)字控制器控制光源的亮度，可采用發(fā)光面積70mmx70mm，24V/21w的光源。

模擬紅外無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，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(chǎn)品激光的回波，主要考慮工作波長（1064±0.002）Ima、發(fā)散角（≤2）、激光脈寬（5～100ns連續(xù)可調(diào)）、工作頻率（0.25-20Hz可調(diào)）和準(zhǔn)直系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)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(jù)人射激光能量、口徑等因素綜合而定。采用單導(dǎo)軌、螺旋傳動機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)作為動力源，實(shí)現(xiàn)單元的切人切出。

4樣機(jī)實(shí)測

使用本裝置對某型號導(dǎo)引頭特性進(jìn)行檢測，被測導(dǎo)引頭具有紅外搜索系統(tǒng)和激光跟蹤系統(tǒng)，激光發(fā)射軸和接收軸共軸，紅外系統(tǒng)與激光系統(tǒng)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(fā)射和接收光軸進(jìn)行一致性檢測，打開目標(biāo)器的紅外點(diǎn)源目標(biāo)，使導(dǎo)引頭的紅外搜索系統(tǒng)瞄準(zhǔn)此目標(biāo)，調(diào)試用監(jiān)視器上瞄準(zhǔn)目標(biāo)如圖11所示。此時(shí)即完成了被測導(dǎo)引頭紅外光軸和目標(biāo)器基準(zhǔn)光軸的對準(zhǔn)。

根據(jù)在2.4節(jié)中提出的方法，計(jì)算讀取圖3中CCD像面激光光斑對應(yīng)像面中心的位置x和y，并按照式（1）計(jì)算，焦距取目標(biāo)器的焦距戶f=000mm，即可完成對激光軸的檢測，測試數(shù)據(jù)如表l所示。

按幾何平均的方法處理檢測結(jié)果，兩軸的一致性為97.3”，滿足指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，對被測導(dǎo)引頭進(jìn)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(biāo)識別與跟蹤

采用紅外多目標(biāo)靶進(jìn)行目標(biāo)識別，實(shí)測結(jié)果從調(diào)試用監(jiān)視屏截屏如圖12所示。同時(shí)有3個(gè)目標(biāo)時(shí)，可以捕捉鎖定能量級大的目標(biāo)。目標(biāo)的跟蹤是在統(tǒng)一時(shí)標(biāo)下，以不同速率方式進(jìn)行檢測，以轉(zhuǎn)臺輸出角位置信息和導(dǎo)引頭輸出的角位置信息對比得到跟蹤性能優(yōu)于0.001rad。

5結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了模擬空間運(yùn)動的兩軸轉(zhuǎn)臺和模擬無窮遠(yuǎn)多光譜目標(biāo)的目標(biāo)器，實(shí)現(xiàn)了對多款導(dǎo)引頭多種性能的室內(nèi)檢測。與傳統(tǒng)單參數(shù)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(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可行性，產(chǎn)品樣機(jī)已進(jìn)行實(shí)測，從檢測結(jié)果看，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。后續(xù)對跟蹤精度的檢測還需要進(jìn)一步研究。