弹标模拟器光辐射测量系统设计

2014-04-14岳智革雷正伟

电子测试 2014年2期

刘福,岳智革.,雷正伟,刘魏

（1.军械技术研究所，河北石家庄,050003；2.军械工程学院，河北石家庄,050003；3.总装备部沈阳军事代表局，辽宁沈阳，110015）

0 引言

某型导弹系统采用目视瞄准、电视测角、手动控制瞄准线的制导方式。电视测角系统是连接装备与目标的纽带，该系统检测主要采用原位检测方式，即是在不拆卸系统部件的情况下对各部件功能进行检测。在原位检测中，模拟弹标是一个关键部件，它直接影响导弹偏离瞄准线的角偏差，从而影响控制指令的传达，进而影响原位检测的准确性。

电视测角仪的主要工作元件是CCD（光电耦合器件），利用器件的光电转换性能，将光辐射信号通过光敏元件完成信息的传输。该系统是利用大功率光源和分光镜、滤光镜模拟弹标，结合平行光管光学系统，在一定波段和亮度范围内，考察电视测角系统捕捉目标的相关性能。然而光学系统属于精密机械范畴，随着外场恶劣使用环境的侵蚀和时间的加长，各种光学系统的透过率、反射率等参数会发生变化，这势必会导致不确定度的不可控，影响检测的准确性，失去检测的意义。本文即是在此背景下，设计了弹标模拟器测量系统，虽然该系统也选有一定的光学元件，但是由于是在室内对弹标模拟器进行测量，少了恶劣环境的侵蚀，且使用次数不多，属于二级检测设备，仍然具有相当大的实用价值。

1 弹标模拟器

装甲兵工程学院常雷等人利用平行光管设计了弹标模拟器，并给出了相关系统的技术参数，方便进行场外实地检测，具有一定的实用价值，中科院董树峰等人利用双CCD 设计了一种电视测角仪的参数自动检测系统，对整体参数检定做了叙述，但对光学部分并没有具体阐述。

一般弹标模拟的主要依据是：导弹在空中以旋转姿态飞行，尾光弹标在测角仪的CCD 探测面上形成对应的像，由此将光信号转换为电信号。测角仪成像原理如图1 所示。其中

图1 电视测角仪成像原理Fig.1 TV goniometer imaging principle

为导弹飞行过程中的动态角。弹标模拟器工作流程如图2 所示：

为电视测角仪的焦距；

图2 弹标模拟器工作流程Fig.2 missiles marked simulator workflow

为导弹飞行的距离；弹标模拟器通过额定辐射亮度的光源进行模拟，通过分划板镀膜点孔等技术取得所需的光谱波段和点光源，经由平行光管时，一方面获得平行光束，方便检测；另一方面避免外部环境的影响，减少不必要的误差。检测设备与平行光管进行无缝连接，满足需要的光束就能够完全进入检测设备当中。分划板一般选用星点板配合十字交叉板或鉴别率板。在使用时，检测设备为电视测角仪，此时功能为检测电视测角仪的功能；本设计在工作时，检测设备为弹标模拟器测量系统，功能为检测弹标模拟器工作功能。

2 弹标模拟器测量

测量弹标模拟系统，主要利用光辐射作为手段，测试光源亮度和分划板是否处于正常工作范围内。该测量系统包括光学系统和电子学系统两部分，完成光学传输、探测、采集和处理的功能。光学系统主要包括望远镜，分光镜和目视瞄准镜等；电子学系统主要包括面阵CCD 光电探测单元、信号放大和AD 处理单元等。主要技术指标见表1：

表1 弹标模拟器测量系统技术指标Tab.1 missiles marked simulator measuring system technical indicators

2.1 光学系统设计

按照电视测角仪设计思路及工作流程，本测试系统由望远镜、分光镜、特征光谱窄带滤光片和目视瞄准镜等构成。望远系统接收被捡对象的辐射量值，该辐射源为平行光管发出的点光源或大视场辐射，是点光源与背景辐射的幅度差，具体计算公式为式（1）。

式中：E 为弹标模拟器测量系统像面上的辐射照度；S 为光点；B 为背景；V 为弹标模拟器测量系统像面上的电压输出；R为系统的绝对响应度，该参数需要辐射计量获得。

由光学系统工作性能得知，其需要测量背景和真目标光点的辐射量值，其光点直径小于1mm，辐射量值较高，会造成CCD 饱和。同时希望CCD 成像后获得尽量多的测试点，以便描绘出成像点的分布曲面，因此对光学系统像质进行严格的控制。

由于兼顾背景测试，望远镜的观察视场较大。选用透射式望远光学系统，虽然其色差不易控制，但是能在较大视场内获得较高的成像质量。由于波段较宽，在系统设计和材料选择时可做消色差处理以平衡色差问题。该系统的输入条件光学参数如下：

表2 望远系统输入条件Tab.2 Telescope system input conditions

在弹标光学测量系统中，需要保证靶标像直径小于L=5mm，并确保光点成像所占CCD ≥5 个象元。因此有望远系统焦距：

按照比例计算，光点像的直径：

对比CCD 设计参数（见表3），可以得出：当像元尺寸为4um 时，光点像可覆盖像元20 个以上，充分满足光点像的分布测量要求。在实际研制中，参考选用SUNTIME140C 型号CCD，该型CCD 利用USB2.0 供电，有效像素1360H*1024V，像元尺寸4.65um*4.65um。按照该型CCD 像元尺寸计算，光点像仍可占15个像元以上，满足装备计量的相关规程。

表3 CCD 设计参数Tab.3 CCD design parameters

2.2 电子学系统设计

电子学系统功能是通过CCD 光电探测器分别检测点光点和背景的辐射亮度。本系统设计采用高性能数字CCD 摄像机、直流放大器和软件自动控制的模式，应该具有整体结构简单、操作简单方便、精度和稳定度高等优点。设计原理框图如图3：

图3 电子学系统设计原理框图Fig.3 Block diagram of the electronics system

电子学系统为整体提供工作电源及测试的控制和采集。直流电源为积分球光源和测试系统的数据采集电路供电。积分球光源功能为辐射标校，方便进行辐射校准和向上一级计量单元溯源。

CCD 探测器采集到的光信号经由放大器转换为相应的电信号，采用12 位双通道A/D 转换器以保证足够的动态范围和数据采集。单片机控制A/D 转换和数据采集传输，后由串口传输到计算机，交由上层软件做进一步处理。设计系统时，考虑应用高精度稳压电源，并且结合直流斩波稳压稳零技术和相适应的滤波技术，以保证放大器环节具有较高的稳定度和信噪比；在放大器环节设计增益调整环节，可以提高系统的动态范围。