王俊,朱小平,毛宏宇,翟樹峰,張孟月,徐鈺華

(北京航空工程技術(shù)研究中心,江蘇 南京 210028)

0 引言

激光目標(biāo)模擬器是激光制導(dǎo)武器研制、生產(chǎn)及其后期維護(hù)檢修的重要測試儀器之一[1-10],廣泛應(yīng)用于制導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)引頭[11]的調(diào)試及測試。其主要功能是產(chǎn)生導(dǎo)引頭測試過程中與光學(xué)接收機(jī)相關(guān)的各種測試輸入信號,可以輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬光脈沖信號、精確頻率編碼光脈沖信號、激光照射同步電脈沖信號等,并模擬不同峰值功率的光脈沖信號。在測試過程中,激光信號模擬光源要變換不同方位,每次都會帶來方位偏差,導(dǎo)致發(fā)射角也發(fā)生細(xì)微變化,長期使用后激光信號模擬光源的方位會較大幅度地偏離設(shè)計(jì)指標(biāo),需要對其進(jìn)行校準(zhǔn)測試。針對此需求,本文研制了激光目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)裝置,實(shí)現(xiàn)對激光目標(biāo)模擬器的檢定測試與計(jì)量保障。

1 激光目標(biāo)模擬器原理分析

激光目標(biāo)模擬器作用是將特定波長的帶編碼信息的光以特定方位照射到制導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)引頭上[3-6],經(jīng)過制導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)匯聚于接收探測器的特定區(qū)域內(nèi),由導(dǎo)引頭進(jìn)行信號放大、解碼、和差運(yùn)算等處理,輸出位置偏差信號,控制舵機(jī)做相應(yīng)的動作,從而驗(yàn)證武器系統(tǒng)的功能指標(biāo)。

激光目標(biāo)模擬器有A型、B型兩種,A型激光目標(biāo)模擬器的光源光學(xué)原理如圖1所示。

圖1 A型激光目標(biāo)模擬器光源光學(xué)原理

模擬光源的四路發(fā)光點(diǎn)LD1,LD2,LD3,LD4,經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后,在固定距離L位置,以固定角度β角入射,確保各路入射光經(jīng)導(dǎo)引頭匯聚后,光點(diǎn)分別落在探測器不同的區(qū)域(1,2,3,4)處,且互不干擾。A型激光目標(biāo)模擬器通過分別控制四路光源,測試產(chǎn)品的響應(yīng)特性。

B型激光目標(biāo)模擬器的光源光學(xué)原理如圖2所示。模擬光源的四路具有一定發(fā)散角α的點(diǎn)光源LD1,LD2,LD3,LD4,發(fā)出錐形光束,使其中的一部分光束,在固定距離L位置,能夠入射到導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)內(nèi),匯聚后,光點(diǎn)分別落在探測器的不同區(qū)域(1,2,3,4)處,且互不干擾。B型激光目標(biāo)模擬器通過分別控制四路光源,測試產(chǎn)品的響應(yīng)特性。

圖2 B型激光目標(biāo)模擬器光源光學(xué)原理

當(dāng)激光目標(biāo)模擬器出現(xiàn)以下故障時,將導(dǎo)致測試系統(tǒng)不能正確評價武器系統(tǒng)的性能:

1)激光信號模擬光源本身制造定位不準(zhǔn)確,或使用過程中操作不當(dāng)導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確,導(dǎo)致光點(diǎn)不能夠落在正確的區(qū)域,光信號互相干擾,使被測產(chǎn)品不能按照設(shè)定程序產(chǎn)生正確的動作響應(yīng);

2)模擬光源本身出現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度不夠或不發(fā)光故障,導(dǎo)致被測產(chǎn)品無動作;

3)控制器編碼序列與導(dǎo)引頭解碼不匹配,激光信號錯誤,導(dǎo)引頭無解碼輸出信號或輸出信號錯誤,導(dǎo)致被測產(chǎn)品無動作或錯誤動作。

2 方案設(shè)計(jì)

激光目標(biāo)模擬器檢定裝置要實(shí)現(xiàn)對A,B型激光目標(biāo)模擬器的激光信號模擬光源的能量中心點(diǎn)方位、發(fā)射角、發(fā)光功率等參數(shù)的精確測試,完成對四路激光信號脈沖特性以及探測器邏輯輸出的功能測試。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

激光目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)裝置硬件由殼體雙四象限探測器、二維程控系統(tǒng)、虛擬示波器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、24 V開關(guān)電源、測試電纜、光源觸發(fā)控制盒專用夾具等部件組成,裝置整體外觀示意圖見圖3。

雙四象限探測器用于接收激光信號,并將接收到的激光信號轉(zhuǎn)換成電信號。探測器單色靈敏度(λ=1.06μm)≥2.5×104V/W。

二維程控系統(tǒng)包含運(yùn)動控制卡、二維平移臺、電機(jī)驅(qū)動器以及電機(jī),其中運(yùn)動控制卡采用雷賽運(yùn)動控制卡DMC4420,該運(yùn)動控制卡基于PC104總線、可控制四個步進(jìn)或伺服電機(jī),最高脈沖頻率400 kHz,具有S形曲線速度控制、隨時變速等高級功能,滿足激光目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)裝置在垂直于光軸的固定距離上X,Y兩個方向程控要求。二維平移臺用于移動雙四象限探測器,電機(jī)驅(qū)動,探測器在二維平移臺上運(yùn)動,二維平移臺的X,Y方向分別由電機(jī)驅(qū)動,行程為100 mm,直線定位誤差為±0.05 mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器用于控制二維平移臺,通過指令使其按照技術(shù)要求運(yùn)行。

虛擬示波器用于將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,并在計(jì)算機(jī)圖形界面上以波形的形式顯示。虛擬示波器采用荷蘭產(chǎn)HS4便攜式綜合測試儀,該示波器是4通道,12位、50 MS/s采樣率數(shù)字示波器,準(zhǔn)確度為0.2%±1 LSB,用于采集探測器的4路脈沖信號。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于運(yùn)行控制軟件;24 V開關(guān)電源用于將220 V交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流電,給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)供電;光源觸發(fā)控制盒用于產(chǎn)生脈沖信號,給激光目標(biāo)模擬器提供觸發(fā)源。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

激光目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)裝置的軟件主要包括程序界面、運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)采集與分析、數(shù)據(jù)存儲與圖形顯示等模塊。其功能主要是實(shí)現(xiàn)二維程控運(yùn)動,數(shù)據(jù)采集、存儲與數(shù)據(jù)分析,以及圖像界面的顯示。

1)程序界面模塊

進(jìn)入軟件界面,首先是被測光源類型選擇界面,按照被測光源類型,選擇對應(yīng)光源類型后進(jìn)入測試界面。通常情況下,首先進(jìn)行邏輯輸出測試,如圖4所示。

圖4 邏輯測試界面

如果邏輯輸出不通過,說明光源存在故障,排除故障后,再進(jìn)行分布測試,進(jìn)入分布測試界面,如圖5所示。分布測試包含了最大能量中心位置、信號幅度、發(fā)散角等信息,根據(jù)測試結(jié)果可以判斷各路光源的狀態(tài)。

圖5 分布測試界面

2)二維運(yùn)動控制模塊

二維運(yùn)動控制由計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令,驅(qū)動電機(jī)帶動專用探測器,在平面內(nèi)進(jìn)行掃描,采集數(shù)據(jù),獲得關(guān)于X,Y坐標(biāo)對應(yīng)的信號采樣數(shù)據(jù)矩陣。二維運(yùn)動控制采用伺服控制卡的庫函數(shù)指令,能夠精確定位探測器,并有限位保護(hù)功能,防止超行程運(yùn)動。

3)數(shù)據(jù)采集與分析模塊

數(shù)據(jù)采集要保證其數(shù)據(jù)的實(shí)時性,數(shù)字示波器采用硬件數(shù)據(jù)存儲,通過USB接口傳輸至計(jì)算機(jī),采集每個脈沖的全波形數(shù)據(jù),利用數(shù)學(xué)矩陣模型,建立空間分布數(shù)據(jù)矩陣。

4)數(shù)據(jù)存儲與圖形顯示模塊

對于每個編號的模擬光源,建立一個數(shù)據(jù)文件,獨(dú)立存儲存檔,需要時可以調(diào)出查詢,以三維空間圖的形式顯示,可以直觀地觀察到結(jié)果,同時,以窗口形式顯示相關(guān)參數(shù)。

3 激光目標(biāo)模擬器的校準(zhǔn)測試

激光目標(biāo)模擬器是否合格,其核心因素就是模擬光源發(fā)出的光是否能夠分別準(zhǔn)確落在探測器的特定區(qū)域內(nèi),并且不相互干擾。在光功率合適、編碼正確時,就能夠使被測激光導(dǎo)引頭按照設(shè)定的程序做準(zhǔn)確的動作,激光目標(biāo)模擬器檢定裝置的關(guān)鍵也是要檢測激光目標(biāo)模擬器發(fā)光點(diǎn)的能量中心分布、光源發(fā)散角、發(fā)光功率等參數(shù)。通過測試激光目標(biāo)模擬器的激光信號空間分布[12]以及探測器邏輯輸出信號可以完成對其校準(zhǔn)測試。

將被測激光目標(biāo)模擬器安裝于校準(zhǔn)裝置夾具上,以與使用狀態(tài)相同的定位方式定位在校準(zhǔn)裝置上,校準(zhǔn)裝置通過兩個測試階段來驗(yàn)證激光目標(biāo)模擬器是否合格:

第一階段:探測器邏輯輸出信號測試

激光目標(biāo)模擬器正常工作時,四象限探測器在特定位置探測激光目標(biāo)模擬器不同位置發(fā)出的激光應(yīng)有對應(yīng)的邏輯輸出,依據(jù)這種正確的邏輯關(guān)系,可以判定激光目標(biāo)模擬器的各發(fā)光點(diǎn)之間是否存在互相干擾等故障。

當(dāng)激光目標(biāo)模擬器正常時,探測器的邏輯輸出符合圖6所示的邏輯關(guān)系,否則,光源存在相互干擾,邏輯輸出混亂。

圖6 光源與探測器輸出對應(yīng)關(guān)系圖

第二階段:激光信號空間分布測試

激光目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)裝置的專用探測器安裝在具有X,Y兩個方向可程控移動的導(dǎo)軌上,在計(jì)算機(jī)的控制下,分別觸發(fā)激光目標(biāo)模擬器的四個光點(diǎn)LD1,LD2,LD3,LD4產(chǎn)生光信號,探測器在垂直于光軸的固定距離上的平面內(nèi)掃描采集,并生成信號,探測器電信號經(jīng)過隔離、放大,經(jīng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得關(guān)于XY平面內(nèi)的光信號幅度的空間分布數(shù)據(jù)。B型激光模擬器的四個發(fā)光點(diǎn)在X方向信號幅度輸出響應(yīng)分布如圖7所示。

圖7 激光模擬器輸出響應(yīng)曲線

如果沿X,Y兩個方向掃描采樣,可獲得如圖8所示的探測器在特定位置的空間分布輸出特性數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)包含了模擬光源的能量中心位置、束散角、能量幅度等信息。

圖8 激光光源的空間分布模擬

4 結(jié)束語

研制了一種激光目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)裝置,給出了軟硬件總體設(shè)計(jì)方案,基于該校準(zhǔn)裝置對激光目標(biāo)模擬器進(jìn)行了校準(zhǔn)測試。結(jié)果表明,該裝置可準(zhǔn)確測量激光目標(biāo)模擬器的激光信號模擬光源的方位、發(fā)射角、信號功率等參數(shù),能夠滿足對于激光目標(biāo)模擬器的檢定需求。