陳青貴

摘 要：為解決某型捷聯(lián)激光導(dǎo)引頭軸向標(biāo)定測角誤差大的問題，研究如何使用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行測角精度更高的網(wǎng)格化標(biāo)定。采用逐點(diǎn)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法獲取網(wǎng)格化標(biāo)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，項(xiàng)目得以實(shí)施。在研究過程中，解決了網(wǎng)格化標(biāo)定時(shí)因轉(zhuǎn)臺(tái)重復(fù)往返運(yùn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)臺(tái)需要多次進(jìn)行歸零操作而導(dǎo)致網(wǎng)格化標(biāo)定消耗時(shí)間太長問題。最終順利將該型激光導(dǎo)引頭網(wǎng)格化標(biāo)定落實(shí)于實(shí)物并應(yīng)用于生產(chǎn)，大幅提高了該型激光導(dǎo)引頭的制導(dǎo)精度。

關(guān)鍵詞：捷聯(lián);激光導(dǎo)引頭;網(wǎng)格化;標(biāo)定

中圖分類號(hào)：TG333 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2022）7-0015-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.003

Abstract： To reducing the error of a strapdown laser seeker angle output， a new angle calibration method should be applied on the existing equipment. By using coordinate transformation， the target could be reached. However， the time consumption of new calibration is too long. This is because of the turntable having too many times to-and-fro movement and reset operation. Through reordering the angle calibration， the problems were solved. Finally， the gridding angle calibration of this laser seeker is successfully applied in the production， and it greatly improves the guidance precision of this laser weapon.

Keywords： strapdown; laser seeker; gridding; calibration

0 引言

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，激光制導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)十分成熟[1]。目前世界上出現(xiàn)了種類眾多的激光制導(dǎo)武器[2]。某型捷聯(lián)激光導(dǎo)引頭具有結(jié)構(gòu)緊湊、線性視場大、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場前景。該型捷聯(lián)激光導(dǎo)引頭在初期采用的是軸向標(biāo)定法。軸向標(biāo)定后導(dǎo)引頭測角誤差分布情況如圖1所示，從圖中可看出，在標(biāo)定軸向的測角誤差較小，但是在其他方位的測角誤差偏大甚至難以接受。導(dǎo)引頭測角誤差大嚴(yán)重影響了激光制導(dǎo)武器的制導(dǎo)精度，甚至可能會(huì)使武器無法完成戰(zhàn)斗任務(wù)[3]，有文獻(xiàn)對(duì)激光導(dǎo)引頭測試和標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行了大量有用的研究[4-5]，但是新建一個(gè)激光導(dǎo)引頭標(biāo)定測試系統(tǒng)要耗費(fèi)大量的時(shí)間與資金，這樣任務(wù)難以保證完成。因此，亟須研究一種利用現(xiàn)有生產(chǎn)條件能大幅提高導(dǎo)引頭測角精度的標(biāo)定方法。

1 捷聯(lián)激光導(dǎo)引頭基本原理

如圖2所示，導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)接收被攻擊目標(biāo)反射的脈沖激光（遠(yuǎn)距離點(diǎn)光源，可作平行光處理）匯聚到后離焦的四象限探測器上。如圖3所示，激光在探測器上形成圓形光斑，系統(tǒng)設(shè)計(jì)光斑直徑約為探測器直徑一半。當(dāng)目標(biāo)反射的激光（平行光）與光學(xué)系統(tǒng)中軸偏離時(shí)，四個(gè)激光探測器接收的能量就存有差異。設(shè)激光探測器輸出的電壓分別為Ua、Ub、Uc、Ud。通過公式（1）（2）可以得出不同入射角與探測器電壓的關(guān)系。式中θY和θZ是計(jì)算的光線入射角在探測器直角坐標(biāo)平面YOZ中坐標(biāo)軸向分量。導(dǎo)引頭經(jīng)標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定即可確定計(jì)算角度和實(shí)際角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過標(biāo)定后的導(dǎo)引頭方可用于實(shí)際角度的測量[6]。

2 網(wǎng)格化標(biāo)定

網(wǎng)格化標(biāo)定法是對(duì)導(dǎo)引頭的線性區(qū)進(jìn)行標(biāo)定的一種方法，可以實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)引頭指標(biāo)范圍內(nèi)對(duì)所有關(guān)鍵點(diǎn)因理論、裝配和材料等引起的測量誤差進(jìn)行校正，網(wǎng)格化標(biāo)定具體步驟如下。

①將目標(biāo)線性區(qū)±10°按照俯仰和偏航輸入值進(jìn)行二維網(wǎng)格化，形成441個(gè)測試點(diǎn)，參照?qǐng)D4。圖中空心圓點(diǎn)是常規(guī)軸向標(biāo)定法標(biāo)定的點(diǎn)，網(wǎng)格化標(biāo)定的點(diǎn)是圖4中所有的圓點(diǎn)。

②逐個(gè)測試二維網(wǎng)格點(diǎn)（圖4的圓點(diǎn)坐標(biāo)位置）導(dǎo)引頭計(jì)算的俯仰和偏航的輸出值，形成輸入與輸出對(duì)應(yīng)的兩個(gè)矩陣（俯仰矩陣和偏航矩陣）。

③使用時(shí)，導(dǎo)引頭先根據(jù)采集的信號(hào)分別計(jì)算俯仰和偏航初值，然后通過俯仰矩陣和偏航矩陣查表確定實(shí)際輸入所在的區(qū)間，最后經(jīng)過線性插值的方法獲得實(shí)際的俯仰和偏航輸入角。

從圖4可以看出，網(wǎng)格化標(biāo)定相比軸向標(biāo)定，標(biāo)定點(diǎn)數(shù)量增加了10倍，但是網(wǎng)格標(biāo)定能解決常規(guī)軸向標(biāo)定后非軸向的測角輸出誤差大的問題，能極大地減小導(dǎo)引頭的測角誤差。

3 網(wǎng)格化標(biāo)定

3.1 格標(biāo)定偽代碼

根據(jù)上文給出的導(dǎo)引頭網(wǎng)格標(biāo)定的步驟，其中的①②項(xiàng)屬于網(wǎng)格標(biāo)定的過程，③是導(dǎo)引頭內(nèi)部軟件實(shí)現(xiàn)過程。所以①②項(xiàng)使用偽代碼描述如下。

//網(wǎng)格化標(biāo)定偽代碼開始。

轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰回零;//Y軸向

轉(zhuǎn)臺(tái)方位回零;//Z軸向

for（i=-10，i<=10，i++）

{for（j=-10，j<=10，j++）

轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰位置=i;

轉(zhuǎn)臺(tái)方位位置=j;

等待轉(zhuǎn)臺(tái)到位;

讀取導(dǎo)引頭俯仰輸出值Yout;

讀取導(dǎo)引頭方位輸出值Zout;

標(biāo)定矩陣Y[i+10，j+10]=Yout;

標(biāo)定矩陣Z[i+10，j+10]=Zout;

}

}

//網(wǎng)格標(biāo)定偽代碼結(jié)束。

從偽代碼可以看出，如果轉(zhuǎn)臺(tái)能夠直接給導(dǎo)引頭提供俯仰和方位兩個(gè)軸向的方位角輸出，網(wǎng)格標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程序會(huì)很簡便。

3.2 直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)

該型激光導(dǎo)引頭標(biāo)定系統(tǒng)依照常規(guī)軸向標(biāo)定原理設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)臺(tái)只有一個(gè)方位轉(zhuǎn)臺(tái)和一個(gè)橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)。標(biāo)定設(shè)備的方位轉(zhuǎn)臺(tái)給導(dǎo)引頭提供軸向的方位角輸入，橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)可讓導(dǎo)引頭滾動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)軸向的切換。這樣導(dǎo)引頭標(biāo)定系統(tǒng)在俯仰和方位兩個(gè)軸向都能給導(dǎo)引頭提供方位角輸入，從而完成導(dǎo)引頭的軸向標(biāo)定及測試。

該標(biāo)定系統(tǒng)無法完成3.1中的功能，無法同時(shí)在兩個(gè)軸向給導(dǎo)引頭提供角度輸入。但是一個(gè)橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)和一個(gè)方位轉(zhuǎn)臺(tái)可理解為極坐標(biāo)形式。如圖5所示，橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)提供θ輸入，方位轉(zhuǎn)臺(tái)可提供r方位的輸入。因此，該標(biāo)定系統(tǒng)可通過極坐標(biāo)形式完成網(wǎng)格化標(biāo)定任務(wù)。

參照?qǐng)D5，針對(duì)網(wǎng)格化標(biāo)定的每個(gè)位置（i，j）都可將其轉(zhuǎn)換為（r，θ），轉(zhuǎn)換公式按i的大小分三種情況如下。

①i>0時(shí)

j>=0時(shí)（第一象限）

r=sqrt（i2+j2）;θ=arctan（j/i）;

j<0時(shí)（第四象限）

r=sqrt（i2+j2）;θ=2*π+arctan（j/i）;

②i=0時(shí)

j>=0時(shí)

r=j;θ=π/2;

j<0時(shí)

r=-j;θ=3*π/2;

③i<0時(shí)（第二、三象限）

r=sqrt（i2+j2）;θ=π+arctan（j/i）;

4 網(wǎng)格化標(biāo)定的實(shí)現(xiàn)

按照3.2的分析，導(dǎo)引頭標(biāo)定系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)按極坐標(biāo)形式可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭網(wǎng)格標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)的偽代碼如下。

//網(wǎng)格標(biāo)定偽代碼開始。

轉(zhuǎn)臺(tái)橫滾回零;

轉(zhuǎn)臺(tái)方位回零;

for（i=-10，i<=10，i++）

{

for（j=-10，j<=10，j++）

{

直角坐標(biāo)（i，j）轉(zhuǎn)極坐標(biāo)（r，θ）;

轉(zhuǎn)臺(tái)方位位置=r;

轉(zhuǎn)臺(tái)滾轉(zhuǎn)位置=θ;

等待轉(zhuǎn)臺(tái)到位;

讀取導(dǎo)引頭俯仰輸出值Yout;

讀取導(dǎo)引頭方位輸出值Zout;

標(biāo)定矩陣Y[i+10，j+10]=Yout;

標(biāo)定矩陣Z[i+10，j+10]=Zout;

}

}

按照上面?zhèn)未a即可便捷實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭網(wǎng)格標(biāo)定的程序設(shè)計(jì)，但是在實(shí)現(xiàn)過程中卻發(fā)現(xiàn)幾個(gè)比較大的問題。

4.1 網(wǎng)格化標(biāo)定實(shí)現(xiàn)的難題

4.1.1 橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，耗時(shí)長。以上文4中所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)θ值會(huì)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。

當(dāng)初橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)只是為了給導(dǎo)引頭提供通道切換，只對(duì)位置精度有要求，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行速度要求不高。當(dāng)橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度量增加，運(yùn)行的時(shí)間大大增加，以此方法完成一枚導(dǎo)引頭網(wǎng)格化標(biāo)定耗時(shí)接近4個(gè)小時(shí)。

4.1.2 橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)超100°，回程需要?dú)w零。從圖6可以看出，一開始轉(zhuǎn)動(dòng)角度就會(huì)超過100°，由于標(biāo)定設(shè)備設(shè)計(jì)之初只要求轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為±100°，采購的轉(zhuǎn)臺(tái)在轉(zhuǎn)動(dòng)超過100°時(shí)，無法直接進(jìn)行回程操作，如要進(jìn)行回程操作需要先進(jìn)行歸零操作。比如從185°轉(zhuǎn)到145°位置時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)需要先進(jìn)行歸零操作（找轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械零位），然后在轉(zhuǎn)到145°位置，轉(zhuǎn)臺(tái)每次歸零操作要轉(zhuǎn)動(dòng)350°左右，耗時(shí)大概3 min。

按照上文所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)需要來回往復(fù)，轉(zhuǎn)臺(tái)大概需要20多次回程操作。橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)僅歸零耗時(shí)就超過60 min。

4.2 網(wǎng)格化標(biāo)定實(shí)現(xiàn)方法改進(jìn)

考慮到該系統(tǒng)橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)是導(dǎo)引頭網(wǎng)格標(biāo)定過程中的瓶頸，需要減少橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)及歸零操作;將網(wǎng)格標(biāo)定的441個(gè)點(diǎn)的極坐標(biāo)形式（r，θ）都計(jì)算出來，按θ進(jìn)行排序，讓橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)從0°向360°逐點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣在標(biāo)定過程中橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)不需要往復(fù)運(yùn)動(dòng)和歸零操作，能極大提升標(biāo)定效率。

圖6是網(wǎng)格標(biāo)定點(diǎn)按順序標(biāo)定時(shí)θ值的變化情況，可見θ值有21次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每次都有超過100°的角度值，往復(fù)運(yùn)動(dòng)需要進(jìn)行歸零操作。

圖7是將網(wǎng)格標(biāo)定的點(diǎn)按極坐標(biāo)（r，θ）的θ值進(jìn)行升序排列，網(wǎng)格標(biāo)定按照θ值的順序進(jìn)行標(biāo)定，這樣橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)總的運(yùn)動(dòng)角度不會(huì)超過360°，運(yùn)行時(shí)間短。另外，運(yùn)行過程中不需要往復(fù)，橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)只需要標(biāo)定完畢后進(jìn)行一次歸零操作即可回零。這樣可大大節(jié)省標(biāo)定時(shí)間。

因此，改進(jìn)的網(wǎng)格標(biāo)定方法使用偽代碼表述如下。

//網(wǎng)格標(biāo)定偽代碼開始。

轉(zhuǎn)臺(tái)橫滾回零;

轉(zhuǎn)臺(tái)方位回零;

for（n=1，n<=441，i++）

{

從表格中讀取新序號(hào)n行的極坐標(biāo)（r，θ）;

從表格中讀取新序號(hào)n行的網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)（i，j）;

轉(zhuǎn)臺(tái)方位位置=r;

轉(zhuǎn)臺(tái)滾轉(zhuǎn)位置=θ;

等待轉(zhuǎn)臺(tái)到位;

讀取導(dǎo)引頭俯仰輸出值Yout;

讀取導(dǎo)引頭方位輸出值Zout;

標(biāo)定矩陣Y[i+10，j+10]=Yout;

標(biāo)定矩陣Z[i+10，j+10]=Zout;

}

轉(zhuǎn)臺(tái)滾轉(zhuǎn)歸零;//橫滾轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行超過100°，須歸零回位處理。

轉(zhuǎn)臺(tái)方位回零;

//網(wǎng)格標(biāo)定偽代碼結(jié)束。

5 試驗(yàn)結(jié)果

通過以上工作，該型捷聯(lián)激光導(dǎo)引頭全新的網(wǎng)格化標(biāo)定法在原有標(biāo)定設(shè)備上部署完成。為檢驗(yàn)研究效果，對(duì)同一導(dǎo)引頭的測角誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。按軸向標(biāo)定法，導(dǎo)引頭的測角誤差如圖1所示，采用網(wǎng)格化標(biāo)定法后導(dǎo)引頭的測角誤差分布如圖8所示。

對(duì)比圖1和圖8得到以下3個(gè)結(jié)果。

①軸向標(biāo)定的誤差角較大且分布不均，一般入射角越大誤差角越大，不同方向誤差分布差異較大。

②網(wǎng)格化標(biāo)定測得的誤差角較小，在線性區(qū)內(nèi)分布平坦。

③網(wǎng)格化標(biāo)定法的誤差角明顯小于軸向標(biāo)定加二維補(bǔ)償法。

6 結(jié)語

項(xiàng)目通過對(duì)某型激光導(dǎo)引頭原標(biāo)定設(shè)備進(jìn)行一些微量的優(yōu)化改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)引頭的網(wǎng)格化標(biāo)定，大幅提高了該型激光導(dǎo)引頭的測角精度。對(duì)標(biāo)定順序的優(yōu)化，解決了轉(zhuǎn)臺(tái)多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)、需多次歸零操作等浪費(fèi)時(shí)間的難題，使導(dǎo)引頭網(wǎng)格化標(biāo)定得以工程化實(shí)施，從而大幅提高了該型激光制導(dǎo)武器生產(chǎn)條件，保障了武器裝備的優(yōu)良性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王狂飆.激光制導(dǎo)武器的現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展[J].紅外與激光工程，2007（10）：651-655.

[2] 周旭宜，劉滿倉.國外激光制導(dǎo)武器現(xiàn)狀與發(fā)展分析[J].飛航導(dǎo)彈，2013（11）：25-29.

[3] 邱雄，劉志國，王仕成.激光導(dǎo)引頭角跟蹤誤差對(duì)激光精確制導(dǎo)的影響[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2020（5）：124-132.

[4] 王耿.激光導(dǎo)引頭性能測試技術(shù)研究[D].西安：電子科技大學(xué)，2015.

[5] 張莉莉.半主動(dòng)捷聯(lián)式激光導(dǎo)引頭測試系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019.

[6] 梁巍巍，黃振宇，張文攀，等.激光導(dǎo)引頭四象限探測器偏差信號(hào)特征研究[J].激光技術(shù)，2014（7）：569-573.