下视景像匹配系统照明电源故障技术研究

2022-06-15李礼谢井华王红高卓黄杰文乔邦江

中国设备工程 2022年11期

李礼，谢井华，王红，高卓，黄杰文，乔邦江

（国营长虹机械厂，广西桂林 541002）

下视光学景像匹配系统具有在特定区域内利用图像匹配技术精确定位的能力，主要用于末段辅助惯导进行末制导导航。主要由相机组件、综合计算机和照明组合三部分组成。其中相机组件由成像稳定装置和成像/控制模块等组成，用于摄取导弹正下方地面的图像；综合计算机主要承担匹配定位等处理工作；照明组合在夜晚使用，主要由闪光灯、热电池和照明电源等组成，负责控制闪光灯与摄像机同步工作。以下视光学景像匹配系统进行“夜间配准”测试时，闪光灯出现漏闪现象。下视光学景像匹配系统在夜间工作状态下进行“穿越式配准”闪光，闪光灯漏闪，未能够与相机同步工作，不符合技术指标要求。

1 故障分析及定位

经分析，“闪光灯漏闪”，可能是闪光灯、综合计算机或照明电源故障。以“闪光灯漏闪”为首要事件，通过建立故障树型图，如图1所示。通过树型图所示故障一一进行详细分析排查。

图1 “闪光灯漏闪”故障树

1.1 闪光灯故障

闪光灯作为下视系统中重要组成部分，它是低能度或夜间保障飞行器的视察精度起关键作用，通常被称为飞行器的眼睛。“夜间配准”测试时，闪光灯接收照明电源发出的触发信号，由闪光灯中高压脉冲触发变压器提升电压，加到脉冲氙灯的触发丝上，使氙气电离，产生强光辐射。

对闪光灯的排故方式主要是是对闪光灯单独进行功能、光通量、照度分布和闪光瞬态能量的测试，测试所需设备框图分别如图2和图3所示。稳定光的测试方法不适合用于该闪光灯，因为本文中的闪光灯不仅瞬态能量大，而且持续发光时间非常短。因此本文设计了一套闪光灯光强检测系统和一套积分球综合测试系统，用于检测闪光灯的有效光强和峰值光强。如果各测试指标都在规定的范围内，说明闪光灯是合格的。通过测速发现故障现象依然存在，因此闪光灯故障分支可排除。

图2 积分球综合测试系统连接框图

图3 光强设备结构布局示意图

1.2 综合计算机故障

夜间工作时，ICCD相机向综合计算机发送闪光信号，综合计算机接收信号后将ICCD相机设置为手动增益方式，并根据实时高度将增益值发送给ICCD相机进行MCP电控控制，同时在采图配准时刻向照明组合发出闪光触发信号，使闪光灯工作，辅助拍照。更换合格的综合计算机进行测试，故障现象依然存在，综合计算机故障分支可排除。

1.3 照明电源故障

照明电源由照明电源电路板、CDW219电容器、场效应管、谐振电感和压板等组成。通过分析照明电源中各元器件及板件，对电容器及照明电源电路板做进一步故障排查。

（1）电容器故障。夜间工作时照明电源接收到综合计算机发来的闪光触发命令，脉冲氙灯内部氙气电离，内阻急剧下降，与脉冲氙灯电极相连的CDW219电容器的电能在4ms内通过脉冲氙灯释放90%的能量，产生强光辐射。更换合格的电容器进行测试，故障依然存在，电容器故障分支可排除。

（2）照明电源板故障。照明电源电路板接收综合计算机命令，夜间工作状态下进行“穿越式配准”闪光工作时，照明电源电路板会输出13次脉冲信号，闪光灯进行13次闪光作业。使用示波器对照明电源电路板输出端XZ1:4、XZ1:1进行信号采集，脉冲信号仅输出3次，与合格照明电源电路板（脉冲信号输出13次）进行对比，输出次数不足。更换合格照明电源后，输出脉冲信号为13次，闪光灯进行13次闪光工作，因此，照明电源电路板存在故障。

2 机理分析

照明电源的工作原理如图4所示，控制电路接收综合计算机的命令，唤醒照明电源进入工作状态，进行自检，并将自检结果反馈给综合计算机，自检合格后综合计算机向照明电源发送闪光命令，控制电路接收闪光命令，控制振荡驱动电路输出脉冲信号到高压脉冲触发变压器，将电压提升到7～8kV，作用到脉冲氙灯触发丝上，使氙气电离，氙灯内阻急剧下降，同时与脉冲氙灯电机相连的储能电容器的电能在4ms内通过脉冲氙灯90%的能量，产生1400cd的强光辐射，辅助夜间拍照工作。

图4 照明电源工作原理图

由图5可知，综合计算机触发指令从X254:1输入，经过B1耦合后输入到D1单稳态触发器，触发后输出2μs脉宽，128V高电平脉冲信号传递到N3脉宽调制器，信号调制完成后由XZ1:4、XZ1:1输出给高压脉冲触发变压器。在产品通电测试时，使用示波器对N3脉宽调制器输出端和输入端进行信号采集，均只有3次脉冲信号；对D1单稳态触发器输出端和输入进行信号采集，输出端仅有3次脉冲信号，而输入端有13次脉冲信号，由此可判断D1单稳态触发器故障，导致输出脉冲信号次数不足13次，导致夜间工作状态下进行“穿越式配准”闪光工作时出现“闪光灯漏闪”现象。更换合格的D1单稳态触发器（型号：CD4098BF3A）后，故障排除。

图5 部分电源板电路图

在本文中的D1有如下特点：一是它有两个不同的工作状态，分别为稳态和暂稳态；二是它能够在外界激励的情况下能够实现从稳态到暂稳态的转变，并且能够自动回到稳态；三是暂稳态所持续时间与激励脉冲的幅值以及周期无关，只与最初所设计的电路本身有关。单稳态触发器主要有门电路组成的单稳态触发器和集成单稳态触发器两大类。

一般情况下，设计的单稳态触发器如果是门电路，那么RC电路的充、放电过程将决定其暂稳态。单稳态触发器可以有多种不同的分类方式，如果按RC电路的不同接法可以分为积分电路形式和微分电路形式。这两种电路形式各有优点，单从抗干扰方面说的话，积分电路形式更加具有优势。因为积分电路形式在尖峰脉冲的噪声作用下不能够输出工作所需宽度的脉冲。它的缺点是因为在电路的转换过程中没有正反馈功能，故边沿波形不够好。而且它能够正常工作的前提是所需触发脉冲宽度必须大于输出脉冲宽度。

集成单稳态触发器电路简单，调节范围小，触发方式简单。在TTL电路和CMOS电路的产品中，如果使用集成单稳态触发器，那外接元件就非常少，并且集成基础功能多，比如上下沿触发功能和置零。在集成电路中由于有温度补偿电路，故其受温度影响较小。

目前市面上所使用的触发器有两种，分别为可重复触发和不可重复触发。可重复触发意思就是在暂时稳态响应期间接收到新的触发信号，电路被触发，进行临时稳定，当两个触发脉冲间隔小于临时稳定持续时间Tw时，将继续进行临时稳定，直到，接收到脉冲后在Tw时间内未接收到新的脉冲信号，返回到稳态电路。这导致了较长的输出脉冲宽度，通过多次重复发射，从第一个脉冲到最后一个脉冲持续1Tw。不可重复触发型的单稳态触发器就不能够通过加入激励信号让处于暂稳态的单稳态触发器回到工作状态。电路一旦被触发进入暂态稳态，再次接收到的触发脉冲不会影响电路的工作过程，也不会影响原来的暂态稳态时间。输出脉冲宽度Tw仍然从第一个触发器计算。只有在暂态稳态结束后，才能响应新的触发脉冲，进入下一个暂态稳态。

该型下视景像匹配系统照明电源板中的D1单稳态触发器是集成不可重复触发型单稳态触发器。D1单稳态触发器CD4098BF3A共有16个引脚，呈DIP封装，其主要引脚的功能为：CX：引脚1（15），定时电容输入端。RX：引脚2（14），定时电阻输入端。RD：引脚3（13），复位控制端，一般直接接高电平。TR+：引脚4（12），脉冲上升沿有效输入端。TR-：引脚5（11），脉冲下降沿有效输入端。Q：引脚:6（10），正脉冲信号输出端。Q：引脚7(9)，负脉冲信号输出端。

CD4098BF3A型触发器提供了上升沿触发和下降沿触发，并且该触发器有两路输出信号。因此合理使用两路信号不但能够实现对正、负激励信号的检测，而且可以对激励信号进行倍频。在不考虑电容参数的情况下，该触发器的定时参数公式为：

τ=0.7RC

其中R为定时电阻，单位KΩ，该触发器设计最小值为5KΩ，C为定时电容，单位uF，该触发器设计最大值为100pF，为输出脉冲宽度，单位取us。

D1单稳态触发器在没有触发信号作用时处于稳定状态，在外来触发信号作下，会由稳态翻转到暂稳态，由于外部RC延时环节作用，电容充电使D1单稳态触发器暂稳态不能长期保持，经过一段时间后会返回到稳态，进行单次触发时，会产生单脉冲信号。在夜间工作状态下进行“穿越式配准”，综合计算机发出闪光指令脉冲时，由于D1单稳态触发器失效，无法产生对应的脉冲信号传输给闪光灯进行激励，从而导致闪光灯无法响应13次。