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        基于無人機(jī)載光電吊艙的半主動激光制導(dǎo)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2022-12-22 07:34:32魏志強(qiáng)徐書文
        電視技術(shù) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:信號

        魏志強(qiáng),徐書文,劉 芬

        (1.中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所,北京 100015;2. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400039)

        0 引 言

        為提升半主動激光制導(dǎo)精度,采用低成本制導(dǎo)模擬系統(tǒng)進(jìn)行測試非常重要[1-2]。本文給出一種基于無人機(jī)載光電吊艙的半主動激光制導(dǎo)模擬系統(tǒng),采用無人機(jī)模擬飛行彈體及其控制系統(tǒng),裝載激光光斑跟蹤器的光電吊艙模擬導(dǎo)引頭,由激光目標(biāo)指示對目標(biāo)進(jìn)行照射,通過捕獲跟蹤激光光斑,實(shí)現(xiàn)半主動激光制導(dǎo)模擬測試及訓(xùn)練,獲得相關(guān)制導(dǎo)脫靶量數(shù)據(jù)、導(dǎo)引修正數(shù)據(jù)。該方法重復(fù)性好,對目標(biāo)及場地環(huán)境的要求低,效費(fèi)比高,使用方便。

        1 系統(tǒng)總體簡介

        無人機(jī)載光電吊艙集可見光電視、紅外熱像儀以及激光光斑跟蹤器于一體,可實(shí)現(xiàn)晝夜工作。由地面或機(jī)載激光目標(biāo)指示器按照一定編碼方式向目標(biāo)發(fā)射激光光束,通過可見光電視或紅外熱像儀光學(xué)成像載荷搜索目標(biāo),使模擬導(dǎo)引頭快速捕獲激光光斑;通過調(diào)節(jié)光電吊艙方位、俯仰角,將光斑引入激光光斑跟蹤器視場中心,鎖定跟蹤目標(biāo);同時,地面操控人員根據(jù)光電吊艙反饋的方位、俯仰角、激光光斑脫靶量以及無人機(jī)飛行狀態(tài)信息,判斷無人機(jī)飛行姿態(tài),送出修正指令,確保模擬導(dǎo)引頭始終將光斑中心控制在允許的角度偏差范圍內(nèi),并按一定導(dǎo)引規(guī)律控制無人機(jī)飛向目標(biāo),實(shí)現(xiàn)半主動激光制導(dǎo)模擬。為確保飛行安全,當(dāng)無人機(jī)抵近目標(biāo)上空一定距離后,結(jié)束制導(dǎo)模擬工作,操控?zé)o人機(jī)重新拉高升空,準(zhǔn)備下次模擬測試或回收無人機(jī),結(jié)束本次飛行任務(wù)。系統(tǒng)總體示意如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)總體示意圖

        2 光電吊艙設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        光電吊艙由光電轉(zhuǎn)塔、減振機(jī)構(gòu)等組成,由操控臺進(jìn)行操控。光電吊艙搭載激光光斑跟蹤器、可見光電視以及紅外熱像儀光學(xué)成像載荷,并配有主控單元、視頻跟蹤、圖像存儲單元以及穩(wěn)定平臺等。其組成如圖2所示。

        圖2 光電吊艙組成框圖

        光電吊艙通過可見光電視、紅外熱像儀等光學(xué)成像載荷可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的搜索,實(shí)時、清晰地獲取目標(biāo)的可見光或紅外圖像;激光光斑跟蹤器探測敏感激光目標(biāo)指示器照射到目標(biāo)后漫反射回來的回波信號,解算激光光斑相對四象限探測器視軸的脫靶量。

        穩(wěn)定平臺基于兩框架結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)高精度視軸穩(wěn)定控制,保證光學(xué)成像載荷在擾動情況下仍能保持瞄準(zhǔn)線在慣性空間的穩(wěn)定,確保目標(biāo)視頻圖像清晰穩(wěn)定。

        圖像存儲單元實(shí)現(xiàn)紅外及可見光視頻記錄、壓縮存儲及文件管理、實(shí)時傳輸、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存等功能。視頻跟蹤單元實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的檢測、識別與跟蹤。

        主控單元根據(jù)操控端指令,完成光電吊艙與無人機(jī)間信息交互和光電吊艙內(nèi)部各單元間的任務(wù)調(diào)度、信息傳遞等。

        減振機(jī)構(gòu)可對載機(jī)的擾動進(jìn)行抑制。操控站實(shí)現(xiàn)對光電吊艙的運(yùn)動控制、光學(xué)載荷控制、視頻顯示、設(shè)備狀態(tài)顯示以及視頻存儲等功能。

        3 激光光斑跟蹤器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        激光光斑跟蹤器主要由光學(xué)系統(tǒng)、APD四象限探測器、主控及電源等模塊組成。表1為激光光斑跟蹤器的技術(shù)指標(biāo)。

        表1 主要技術(shù)指標(biāo)

        激光光斑跟蹤器信號處理模塊的工作原理如圖3所示。各模塊功能如下:主控模塊實(shí)現(xiàn)控制指令接收,使系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)采樣、信號處理、角度輸出等工作任務(wù);光學(xué)系統(tǒng)接收目標(biāo)激光回波信號并匯聚到APD四象限探測器光敏面上;APD探測器實(shí)現(xiàn)激光光斑中心探測,即實(shí)現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換并對電信號進(jìn)行AD采樣,識別激光編碼并計(jì)算激光光斑與光軸的偏差角;電源模塊提供所需的二次電源。

        圖3 激光光斑跟蹤器信號處理工作原理

        工作原理如下:激光回波信號經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)及APD探測器后,由光信號轉(zhuǎn)換成脈沖電壓信號,經(jīng)過放大后進(jìn)入可變增益放大電路,對4路信號一方面通過峰值保持電路對脈沖電壓信號進(jìn)行峰值保持、脈沖展寬處理并送入AD采樣電路;另一方面,對4路信號進(jìn)行和差比較整形,產(chǎn)生同步信號并送入處理器,實(shí)現(xiàn)激光編碼類型識別。處理器對AD采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、對放大器進(jìn)行增益控制,對偏置電壓電路進(jìn)行控制,以實(shí)現(xiàn)有效脈沖信號探測以及目標(biāo)偏差角計(jì)算等[3]。

        激光光斑跟蹤器數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示:開機(jī)后完成自檢與初步設(shè)置,隨后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),等待觸發(fā)信號;加載編碼和檢測到脈沖信號都可觸發(fā)中斷信號,進(jìn)入數(shù)據(jù)處理狀態(tài)。

        圖4 激光光斑跟蹤器數(shù)據(jù)處理流程

        和差比幅電路對APD四象限探測獲取的四路電壓信號進(jìn)行偏差角解算,原理如圖5所示。

        圖5 APD四象限探測器和差測角原理

        設(shè)目標(biāo)反射的光學(xué)信號在APD四象限探測器上形成半徑為r的圓形光斑,設(shè)光斑能量分布均勻,光斑中心坐標(biāo)為(x,y)。假設(shè)A,B,C,D四個象限接收到的目標(biāo)信號電壓分別為UA,UB,UC,UD,ku為比例因子,取決于光學(xué)系統(tǒng)的焦距、光斑半徑、能量分布以及四象限探測半徑等。忽略探測器象限間隔所引起光斑損失,則和差電路輸出的目標(biāo)偏差角可表示為[4-6]

        將該值轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定平臺方位、俯仰方向的伺服指令,即可將激光光斑中心始終與光軸保持在一定的角度范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。這里,只有光斑在四象限中心一定區(qū)域內(nèi),系統(tǒng)才能輸出目標(biāo)指向角的量化值。超出這一區(qū)域,只能輸出目標(biāo)所在象限。能輸出目標(biāo)指向角的區(qū)域?yàn)榫€性區(qū),只能輸出目標(biāo)所在象限的區(qū)域?yàn)樗阉鲄^(qū)。本文激光光斑跟蹤器的搜索區(qū)為±6°,線性區(qū)為±1°。

        激光光斑跟蹤器具備對精確頻率碼、變間隔碼、偽隨機(jī)碼及其他自定義碼型的解碼識別能力。識別解碼流程如圖6所示。

        圖6 激光解碼流程

        4 測試與驗(yàn)證

        將光電吊艙置于一定高度,模擬巡飛中的無人機(jī)載體及導(dǎo)引頭。激光目標(biāo)指示器以20 Hz基頻對模擬車輛目標(biāo)按給定編碼方式進(jìn)行照射。

        設(shè)激光目標(biāo)指示器光束發(fā)散角為0.5 mrad,1 km外目標(biāo)上形成的激光光斑直徑約為0.5 m。通過光電吊艙可見光電視對指定目標(biāo)進(jìn)行搜索,以便光斑快速進(jìn)入激光光斑跟蹤器的搜索區(qū)、線性區(qū),使其快速敏感到激光光斑中心。通過調(diào)整光電吊艙方位和俯仰角,逐漸減少跟蹤誤差。進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤后,模擬導(dǎo)引頭對光斑跟蹤精度在0.3 mrad以內(nèi),工作穩(wěn)定可靠,滿足實(shí)際需要。

        5 結(jié) 語

        半主動激光制導(dǎo)模擬系統(tǒng)可應(yīng)用于模擬訓(xùn)練,獲取測試數(shù)據(jù)。本文提出了一種低成本半主動激光制導(dǎo)模擬系統(tǒng)方案,介紹了模擬系統(tǒng)光電吊艙、激光光斑跟蹤器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法,通過實(shí)際測試驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

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