CN102494566B - 激光末制导炮弹的导引头隔离度测试系统 - Google Patents

Abstract

一种导引头隔离度测试系统，用于测试激光末制导炮弹的导引头的隔离度，其包括：信号模拟部分，包括激光目标模拟器、二维摆镜和反射幕，用于产生能够被导引头接收的激光；运动模拟部分，包括能够装载导引头的三轴转台，用于模拟弹体的姿态运动；以及测试主控部分，用于根据预定的数学模型控制台体以模拟弹体的姿态运动，并接收从导引头传回的测试数据以进行隔离度性能分析。其中，激光目标模拟器产生的激光通过所述二维摆镜投射到反射幕上，并且，所述导引头接收经所述反射幕反射后的激光。由于避免了将激光直接投射到导引头上，本发明使得操作人员能够获得关于导引头隔离度测试的准确、有效实验数据，同时能够更好的模拟真实的武器系统作战模式。

Description

激光末制导炮弹的导引头隔离度测试系统

技术领域

本发明涉及激光末制导炮弹，特别公开了一种激光末制导炮弹的导引头隔离度测试系统。

背景技术

在激光末制导炮弹发射之前，在目标的前方约几公里由激光照射器来照射目标。这类炮弹在整个飞行过程中会以一定角速度自旋。炮弹发射之后先助推爬升到最高点，到达弹道最高点后开始下滑即开始惯导段，此时弹道与水平线之间成一定的角度，当炮弹接近目标使导引头能接收到从目标反射回的激光信号时，导引头解锁并开始跟踪目标。因此整个弹道可以分为助推段、爬升段、惯导段、末制导段这几部分。导引头只在末制导段工作。由于比较接近目标时导引头才解锁跟踪目标，因此导引头只有很短的工作时间。

由于留给炮弹主动修正弹道的反应时间很少，为了修正弹道以精确命中目标，通常弹体的摆动幅度比较大，这样就有可能导致诸如导引头碰框等的致命问题。因此，在对激光末制导炮弹的研究中，对导引头稳定性的研究就显得尤为重要。而导引头隔离度又是导引头稳定系统的一个重要性能指标。影响导引头隔离度的因素很多，包括：平台负载特性、干扰力矩、电机回路参数、扰动频率、扰动幅值、摩擦、探测器信号处理延迟、稳定系统带宽、稳定系统最大加速度等。

以前的导引头隔离度测试方法是将激光目标模拟器直接放置在三轴转台的对面，让光源与三轴转台的内框的中心处于同一水平线上。目标模拟器产生的激光直接被导引头所接收。保持模拟器静止，并让三轴转台的内框以一定速率旋转，使三轴转台的外框或中框按给定幅值和频率的正弦曲线运动。进而通过对给定指令和采集回的试验数据的处理对比来分析导引头的隔离度性能。以前的模式激光目标模拟器无法模拟目标运动，总能量小，无法变化尺寸和能量。

这种测试方法存在一些不足。具言之，激光能量的强弱以及光斑尺寸大小不容易控制，激光目标模拟器产生的激光直接照射到导引头上，由于距离的限制，高强度的激光使得导引头很容易毁坏。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种导引头隔离度测试系统，其能够为弹设计者提供第一手在研炮弹的导引头性能实验资料，也能够让设计者直观地了解炮弹的其他方面性能，缩短弹的研制周期，降低弹的研制成本，具有很高的社会效益和经济效益。

为了实现上述目的，本发明提供了一种导引头隔离度测试系统，用于测试激光末制导炮弹的导引头的隔离度，其包括：信号模拟部分，包括激光目标模拟器、二维摆镜和反射幕，用于产生能够被导引头接收的激光；运动模拟部分，包括能够装载导引头的三轴转台，用于模拟弹体的姿态运动；以及测试主控部分，用于根据预定的数学模型控制台体以模拟弹体的姿态运动，并接收从导引头传回的测试数据以进行隔离度性能分析。其中，激光目标模拟器产生的激光通过所述二维摆镜投射到反射幕上，并且经过反射后被导引头接收。

由于避免了将激光直接投射到导引头上，本发明使得能够获得关于导引头隔离度测试的准确、有效实验数据，同时能够更好的模拟真实的武器系统作战模式。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。

图1是示出根据本发明典型实施例的导引头隔离度测试系统的架构示意的图；

图2是示出根据本发明典型实施例的导引头隔离度测试系统的各组成部件之间的接口关系的图；

图3是示出基于根据本发明典型实施例的导引头隔离度测试系统、利用MATLAB建立的导引头隔离度测试模型示意的图；以及

图4和图5是示出利用根据本发明典型实施例的导引头隔离度测试系统所获得的测试结果的图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如上所述，本发明提供了一种激光末制导炮弹的导引头隔离度测试系统，其引入了二维摆镜和反射幕，使得激光目标模拟器产生的激光通过二维摆镜投射到反射幕上，导引头接收经反射幕反射后的激光，这避免了激光直接照射在导引头上，从而能够在导引头隔离度性能测试中更轻松地得到更精确的有效试验数据。下面将参照示出根据本发明典型实施例的导引头隔离度测试系统100的架构示意的图1进行详细说明。

如图1所示，系统100主要包括三大部分，即信号模拟部分U1、运动模拟部分U2以及测试主控部分U3。其中：

信号模拟部分U 1主要包括激光目标模拟器110、二维摆镜120、反射幕130，用于实现模拟目标信号的功能。其中，激光目标模拟器110产生符合测试要求的激光信号，也即能被导引头200接收到的激光信号。二维摆镜120将激光目标模拟器110所产生的激光投射到反射幕130上，利用反射幕130的光线反射原理，使激光反射后被导引头200所接收。

运动模拟部分U2主要包括三轴转台140和导引头200，用于完成对炮弹(俯仰、偏航、滚转)三通道角度位置运动的模拟，能最大程度的逼近真实情况。其中，三轴转台140主要包括台体141和控制柜142。台体141是运动姿态模拟的主体部分，其上装载了实验用的导引头200，以最大程度模拟炮弹运动。控制柜142用于实现对台体141的本地控制。具言之，对台体141进行控制以模拟炮弹的运动姿态的控制模式分为本地控制和仿真控制两种模式。在本地模式下，控制柜142可以输入指令以测试台体141的性能参数以及功能是否正常，以及进行对台体141上电等操作。在切换到仿真模式后，台体141的控制权就由控制柜142交给了后面将详细说明的仿真机150。这时台体141只接收由仿真机150发出的指令，直到控制柜142退出仿真模式为止。

测试主控部分U3主要包括仿真机150和主控机160。其中，仿真机150是整个大系统100的核心，主要功能是利用事先基于弹体运动学和动力学模型、目标运动学模型、弹体-目标相对运动学模型至少之一编写好的程序来模拟炮弹的空间位置运动，其几乎要完成测试过程中的所有数学计算。主控机160则作为提供给操作人员的控制终端，可以实现可视化功能。当程序下载到仿真机150后开始仿真运行时，主控机160使得操作人员能够实现对仿真机150里程序的参数再设置，以及控制整个仿真的开始和停止等功能。

在启动测试时，台体141的内框按某一恒定的角速度Rr/s(即导弹末导段弹体的自旋角速度)旋转，导引头200解锁并开始工作，台体141的中框(或外框)按正弦方式摆动。与台体141相连的仿真机150实时观测并记录导引头200的输出信号及台体141的姿态信息，基于导引头200陀螺进动角速度与采集到的与其相对应的电压的关系来分析导引头200的隔离度。改变正弦指令参数，重复上面步骤，可以得到导引头200在不同频率下的隔离度性能指标。

通过上述介绍可知，本发明主要采用了激光目标模拟器、二维摆镜、反射幕、三轴转台、仿真机、主控机等来测试导引头的隔离度性能，激光目标模拟器用于产生能被导引头接收到的激光信号。利用反射幕的光线反射原理，使激光反射后被导引头接收。采用了三轴转台模拟弹体的姿态运动。导弹与目标之间的空间相对位置关系则由仿真机通过基于预定的数学模型编写程序来确定。

其中，优选地，二维摆镜和三轴转台的中心处于同一高度上，并且二维摆镜和三轴转台的中心线的连线与反射幕平面平行。即使目标静止而导弹摆动，光轴也应该始终指向目标。但是由于弹体对导引头的干扰，光轴偏离目标一定的角度。在这种情况下，弹载计算机会发出进动角速度指令，以使与光轴固定的陀螺进动，从而追踪目标。

下面将参照示出根据本发明典型实施例的导引头隔离度测试系统100的各组成部件之间的接口关系的图2，对其中主要的组成部件进行更详细的说明。

激光目标模拟器

激光目标模拟器110主要包括半导体脉冲激光器、驱动电源和控制器等。其中，半导体脉冲激光器作用是产生激光，驱动电源通过驱动激光目标模拟器110内的机械部件运动来实现对激光的控制。而控制器可具体包括激光控制器、能量控制单元、光斑控制单元、系统控制器这4部分，用于对激光能量的大小和照射到反射幕上光斑的大小进行控制。

优选地，激光目标模拟器110还可通过主控机160与操作人员进行互动，从而使得操作人员可以方便地对激光目标模拟器110进行参数设置、输入指令等操作。

激光目标模拟器110的性能参数主要有：

不间断工作时间，可根据需要设定，一般为10秒～10分；

激光编码范围，可根据需要设定，一般不少于20组；

能量范围，例如小于20mw；

衰减倍数，例如为200；

激光发光波长，例如1.064μm；以及

光斑直径，可根据需要设定，例如大于1mm。

如图2所示，激光目标模拟器110经由电缆、优选为激光目标模拟器110的生产商提供的专用电缆与二维摆镜120连接。

二维摆镜

二维摆镜120主要包括2个能各自转动一定角度的镜片以及附属的控制电路和电源模块。其中，2个镜片分别控制光斑在反射幕130上的横向和纵向位置，电源模块用于给控制电路供电，而控制电路能够根据所接收到的仿真机150指令来控制2个镜片的转动角度。

二维摆镜120的性能参数主要有：

X轴扫描角度，例如±40°；

Y轴扫描角度，例如±40°；

重复精度，例如＜20μRad./℃；以及

零点漂移，例如＜25μRad./℃。

三轴转台

三轴转台140主要包括台体141和控制柜142这两部分，且台体141与控制柜142之间通常经由电缆相互连接。

台体141作为整个三轴转台140的最终执行机构，主要由内框、外框、中框、底座构成，可用来模拟导弹的俯仰、偏航、滚转三个通道的运动。优选地，台体141采用立式的机械结构，每根轴上均装有角度和角速度敏感元件和力矩电机，底座上有与地脚螺栓固定的安装孔及水平调整机构。其中，敏感元件用来敏感炮弹三个通道上的角度和角速度大小，力矩电机是执行指令的部分，使各框按给定指令运动。

台体141的主要性能指标有：

内框连续滚转；

中框和外框的最大角度，例如为±220°，

定位精度，例如为±5″；

最小速度，例如为0.005°/s；

内框、中框、外框的最大速度，例如分别为±25r/s、±2500°/s、±1800°/s；

最大加速度，例如分别为2200°/s²、1800°/s²、1600°/s²；

导电环(导电环是导电滑环的简称，即滑环)环道绝缘电阻，例如≥200MΩ；以及

导电环环道接触电阻变化量，例如＜0.01Ω。

在测试导引头200的隔离度的过程中，导引头200固定于台体的内框，并使导引头200保持水平方向。通过台体141上的接口和滑环给导引头200供电并检测记录导引头200的输出信号。通常，台体141的内框用于模拟弹体的自旋，中框用于模拟弹体的俯仰角运动。导引头200解锁并开始工作，台体141的中框按正弦方式摆动。通过与台体141相连的仿真机150实时观测并记录导引头200的输出信号以及三轴转台140输出的俯仰角和滚转角信号，根据导引头200输出的信号分析导引头200的隔离度。

控制柜142作为三轴转台140的控制部分，主要包括电源、测控计算机以及功率放大驱动部分，用于完成台体141的上电、断电、伺服驱动、各类保护和工作状态指示等功能。

如上所述，控制柜142对台体141的控制分为本地控制和仿真控制两种模式。在本地模式下，控制柜142可以输入指令以测试台体141的性能参数以及功能是否正常，以及进行对台体141上电等操作。在切换到仿真模式后，台体141的控制权就由控制柜142交给了仿真机150。

仿真机

仿真机150作为整个测试系统100的运算核心部分，主要基于预先确定的数学模型来控制三轴转台140的台体141以模拟炮弹的空间位置运动，并采集和处理经由导引头200返回的测试数据，从而能够分析出导引头200的隔离度性能。

根据本发明的一具体实施例，仿真机150包括可编程处理部、模数(AD)采集部、数模(DA)转换部和串行通信部，其中：

可编程处理部是仿真机150的核心部分，其中加载有预先编写好的程序，以允许执行导引头隔离度测试过程中的所有数学计算。优选地，可编程处理部可以采用DS1005处理器板，具体采用了PowerPC750 GX，1GHz处理器。

AD采集部用于采集从台体141传回的模拟数据，并将其转换成数字形式。优选地，AD采集部可以采用DS2003 AD采集板，具体采用了32通道16位A/D采集方式。

DA转换部用于把通过AD采集部采集到的数字量转换成模拟量，从而能够进行更直观的显示。优选地，DA转换部可以采用DS2103 DA转换板，具体采用了32通道D/A、14位分辨率的DA转换板。

串行通信部用于提供仿真机150分别与三轴转台140(具体为控制柜142)及二维摆镜120之间的串口通信连接。优选地，串行通信部采用总的串口通道数为4个的DS4201S串行通信板，其可以提供RS232、RS422、RS485三种可定制的串口类型。

例如，如图2所示，仿真机150与控制柜142以及二维摆镜120之间均可通过DS4201S串行接口连接通信，具体为采用RS422串口方式。RS422接口是一种单机发送、多机接收的平衡传输规范(全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”)，又被命名为TIA/EIA-422-A标准。RS422接口标准定义了接口电路的特性，允许在相同传输线上连接包括一个主设备和至少一个从设备的多个接收节点，从设备之间不能通信，也即RS422接口支持点对多的双向通信。在接收端输入阻抗为4k的情况下，发送端最大负载能力是10×4k+100Ω(终接电阻)。RS422接口例如四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各通信方之间任何必须的信号交换均可以按软件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一对单独的双绞线)来实现。此外，RS422接口的最大传输距离约为4000英尺(约1219米)，最大传输速率约为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。

在二维摆镜120与仿真机150之间使用例如RS422的接口进行串口通信的情况下，优选地，波特率设置为921,600bps，并且采用起始位1bit、停止位1bit、数据位8bits的无校验传输方式。

此外，仿真机150还优选地配置有例如CP2003/CP2103等的接口面板，用于进行信号的采集观测。

根据本发明的一优选实施例，采用了德国dSPACE仿真机，其基于MATLAB/Simulink的控制系统在实时环境下的开发及测试工作平台，实现了和MATLAB/Simulink的无缝连接。dSPACE实时系统主要由两大部分组成，一是硬件系统，二是软件环境，其中：硬件系统的主要特点是具有高速计算能力，包括处理器和I/O接口等；而软件环境可以方便地实现代码生成/下载和试验/调试等工作。

更具体地，图3示出了在MATLAB的simulink环境下建立的一个导引头隔离度测试模型。现在简要说明其功能。S-Function模块接受7通道输入。其中前3通道代表了台体的偏航、俯仰、滚转角度指令。后4个为控制指令。S-Function模块中用c语言编写了仿真机到三轴转台之间的发送协议，使数据经过解算后能被三轴转台所正确接收。SubSystem模块用于把数据发送到三轴转台。Serial SubSystem模块接收从三轴转台返回的台体的三框角度信息，其中包含了用c语言编写的三轴转台到仿真机的接收协议。DS2003模块用于采集导引头的数据，图3中例示为采集舵指令信号和光轴进动指令信号。

此外，仿真机150使用网线与主控机160进行连接，并优选地基于TCP/IP协议进行通信。TCP/IP协议即传输控制协议/网间协议，它覆盖了OSI网络结构七层模型中的六层，并支持从交换(第二层)诸如多协议标记交换，到应用程序诸如邮件服务方面的功能。TCP/IP的核心功能是寻址和路由选择(网络层的IP/IPV6)以及传输控制(传输层的TCP、UDP)。

在利用根据本发明的导引头隔离度测试系统进行测试时，首先在例如MATLAB的编译平台上利用例如c语言等的编程语言编写好仿真模型，编译通过下载到仿真机后，启动实验仿真。优选地，可通过ContrlDesk来方便的对下载完的程序进行对实时硬件的可视化管理、用户虚拟仪表的建立、变量的可视化管理、参数的可视化管理、试验过程的自动化等功能。

接着，在实验仿真中，让导引头指向反射幕上的光斑位置，启动仿真，解锁导引头，这样光轴就会始终追踪光斑位置。这时台体按事先设定的三框角度指令运动，由于弹体对导引头隔离度的影响，光轴不可避免的会产生一定的摆动，一旦出现跟踪误差，导引头就会发出进动指令，使与光轴固连的陀螺进动，其趋势是减小光轴与弹体-目标线之间的角度误差。通过台体的滑环和仿真机的AD采集卡，可以得到导引头接收到的进动指令。根据这些数据分析，可以判断导引头隔离度性能。

利用根据本发明典型实施例的导引头隔离度测试系统进行测试的整个测试过程大致包括建立仿真测试模型、三轴转台初始化及测试、导引头隔离度测试试验和试验后处理四个阶段，下面分别详细介绍。

1、建立仿真测试模型

利用C语言和MATLAB等工具建立三轴转台台体的运动控制模型以及数据分析模块、数据显示模块，人机交互模块和数据存储模块。

2、三轴转台初始化及测试

三轴转台控制系统加电，控制柜通过已有的三轴转台系统软件给出指令，通过串口通信控制下位机的方式对三轴转台台体的三框架进行初始化，如使各框以低速归零；设置内框、中框、外框的工作方式及各框的软限位、软限速值等。

也可通过三轴转台系统软件对三轴转台台体进行静态和动态测试，保证三轴转台台体的三个框架工作正常。

3、导引头隔离度测试试验

A、将通过MATLAB建立的仿真数学模型经以太网(TCP/IP协议)下载到dSPACE仿真机里；

B、对模型参数进行初始开始仿真试验。制导控制部件产生的相关信号通过三轴转台台体的内框上的滑环插座传递给仿真机；

C、仿真机实时计算三轴转台台体的姿态信息，通过RS422串口与多用途三轴转台控制系统进行通信，传递三轴转台台体的中框角度指令，同时三轴转台台体的内框以固定转速旋转；

D、导引头生成的控制信号由滑环传递给仿真机；以及

E、与此同时，仿真机通过网线与数据显示、存储装置相连，显示存储导引头控制信息。

4、试验后处理

待试验结束后将试验得到的参数保存在数据存储装置内，通过分析对比导引头信号与三轴转台台体的角运动，得到导引头的隔离度。实验结果可如图5和图6所示。

需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式仅旨在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (11)

1.一种导引头隔离度测试系统，用于测试激光末制导炮弹的导引头的隔离度，包括：

信号模拟部分，用于产生能够被所述导引头接收的激光；

运动模拟部分，其包括能够装载所述导引头的三轴转台，用于能够模拟弹体的姿态运动；以及

测试主控部分，用于根据预定的数学模型控制台体以模拟弹体的姿态运动，接收从所述导引头传回的测试数据，并分析所述测试数据以确定所述导引头的隔离度，

其特征在于，所述信号模拟部分包括激光目标模拟器、二维摆镜和反射幕，其中，由所述激光目标模拟器产生的激光通过所述二维摆镜投射到所述反射幕上，所述导引头接收经所述反射幕反射后的激光。

2.根据权利要求1所述的导引头隔离度测试系统，其特征在于，所述二维摆镜和所述三轴转台的中心处于同一高度上，并且所述二维摆镜和所述三轴转台的中心线的连线与所述反射幕平面平行。

3.根据权利要求1所述的导引头隔离度测试系统，其特征在于，所述激光目标模拟器包括：

半导体脉冲激光器，用于产生激光；

驱动电源，用于驱动所述半导体激光器内的机械部件的运动；以及

控制器，用于对由所述半导体激光器产生的激光的能量大小以及照射到所述反射幕上的光斑的大小进行控制。

4.根据权利要求1所述的导引头隔离度测试系统，其特征在于，所述二维摆镜包括：

两个镜片，各自能够转动一定的角度，以控制由所述激光目标模拟器产生的激光在所述反射幕上的横向和纵向位置；

控制电路，用于控制所述两个镜片各自的转动角度；以及

电源模块，用于给所述控制电路提供工作电源。

5.根据权利要求1所述的导引头隔离度测试系统，其特征在于，所述三轴转台包括：

台体，其上能够装载所述导引头，用于模拟弹体的俯仰、偏航、滚转三个通道的运动；以及

控制柜，其通过电缆与所述台体连接，用于实现对所述台体的上电、断电、伺服驱动、工作状态指示至少之一操作。

6.根据权利要求5所述的导引头隔离度测试系统，其特征在于，所述台体包括：

内框，用于模拟弹体的自旋，其上能够固定所述导引头，并使所述导引头保持水平方向；

中框，用于模拟弹体的俯仰角运动；

外框，用于模拟弹体的偏航角运动；以及

底座，用于支撑所述内框、所述中框以及所述外框，其上设置有与地脚螺栓固定的安装孔及水平调整机构。

7.根据权利要求6所述的导引头隔离度测试系统，其特征在于，通过所述台体上的接口和滑环给所述导引头供电，并检测记录所述导引头的输出信号，并结合输出信号与设置台体运动得到导引头的隔离度指标。

8.根据权利要求7所述的导引头隔离度测试系统，其特征在于，所述台体采用立式的机械结构，所述底座上用于支撑所述内框、所述中框以及所述外框的每根轴上均装有敏感元件和力矩电机，其中

所述敏感元件用来敏感弹体在俯仰、偏航、滚转三个通道上的角度和角速度大小，以及

所述力矩电机用来使所述内框、所述中框以及所述外框各自运动。

9.根据权利要求5所述的导引头隔离度测试系统，其特征在于，对所述台体的控制分为本地控制和仿真控制两种模式，其中

在本地模式下，由所述控制柜来控制所述台体；以及

在仿真模式下，由所述测试主控部分来控制所述台体。

10.根据权利要求9所述的导引头隔离度测试系统，其特征在于，所述测试主控部分包括：

仿真机，其能够利用基于数学模型所编写好的程序来模拟弹体的空间位置运动，并接收和处理从所述导引头返回的测试数据；以及

主控机，其通过网线与所述仿真机相连接，用作能够为操作人员提供可视化的操作界面的控制终端。

11.根据权利要求10所述的导引头隔离度测试系统，其特征在于，所述仿真机包括：

可编程处理部，其能够加载所述程序，并根据所述程序来控制所述台体的运动姿态；

模数采集部，用于采集从装载在所述台体上的所述导引头传回的模拟数据，并将其转换成数字形式；

数模转换部，用于将通过所述模数采集部采集到的数字量转换成模拟量，并将其提供给所述主控机，以能够进行更直观的显示；以及

串行通信部，用于提供所述仿真机与所述控制柜以及所述仿真机与所述二维摆镜之间的串口通信连接。

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