CN110360899A - 一种双旋制导炮弹寻地检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双旋制导炮弹寻地检测系统，包括红外探测系统、变换放大系统、信号处理系统和电源系统，红外探测系统包括光学系统和红外探测器，变换放大系统包括滤波电路和放大电路，所述信号处理系统包括微处理器，电源系统包括±5V电源转换模块和3.3V电源转换模块。其检测方法为，首先，光学系统将待测物体的能量聚集到红外探测器上，红外探测器将能量转换为电信号；之后变换放大系统将电信号过滤、放大；最后，信号处理系统将电信号进行处理并识别出探测大地方向的电信号。该检测系统通过红外探测空间温度场来寻地，具有响应速度快、无能量消耗且可实时测量的优点，从而增强了制导炮弹的隐蔽性和制导精确性。
Description
技术领域
本发明属于炮弹检测技术领域，具体涉及一种双旋制导炮弹寻地检测系统，还涉及该系统的检测方法。
背景技术
自从第二次世界大战德国首先研制并在战争中率先使用制导导弹以来，经过70余年的发展，制导武器种类越来越多，并在现代战争中发挥着越来越重要的作用。
寻地是在制导段需要实时为炮弹控制系统提供大地方向，是炮弹控制系统调整姿态的一个标准参量，其调姿过程为：炮弹在制导段搜索到目标，通过导引系统产生制导指令，然后由控制系统对其进行解析并生成控制指令，当寻地装置检测到下一时刻大地方向，控制系统会将控制指令发送给执行机构进行姿态调整，实现精确制导，因此，寻地的准确性对于控制系统的响应和精度影响非常大。
目前，常用的寻地方法有陀螺仪寻地和地磁寻地，这两种方法都可以为远射程且发射加速度不大的大口径炮弹和导弹控制系统提供相对准确的地面参考信息，然而，其无法应用于小口径、小射程的双旋制导炮弹，这是由于双旋制导炮弹中没有动力系统，其射程很大程度的取决于初始速度的大小，其具有大约8000g～10000g的加速度(g为重力加速度)；若采用一般的微机电陀螺仪，由于无法承受如此巨大的加速度，微机电陀螺仪会在发射瞬间失去稳定性，甚至损坏；若采用体积庞大机械陀螺仪，由于炮弹控制仓的体积非常有限，因而无法进行安装。其次，由于双旋制导炮弹的射程近且射高小，若采用地磁寻地的方法，地面的铁桥、金属矿等会对其产生较大的影响，其无法提供准确的地面参考信息。因此，设计一种成本较低、抗干扰性能强、精度高且能满足炮弹体积要求的制导炮弹寻地方式具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种双旋制导炮弹寻地检测系统，增强了制导炮弹的隐蔽性和精确性。
本发明的另一目的是提供上述双旋制导炮弹寻地检测的方法。
本发明所采用的技术方案是，一种双旋制导炮弹寻地检测系统，包括红外探测系统、变换放大系统、信号处理系统和电源系统，红外探测系统包括光学系统和红外探测器，变换放大系统包括滤波电路和放大电路，信号处理系统包括微处理器，电源系统包括±5V电源转换模块和3.3V电源转换模块，红外探测器与滤波电路电性连接，滤波电路与放大电路电性连接，放大电路与微处理器电性连接；±5V电源转换模块分别与滤波电路和放大电路电性连接；3.3V电源转换模块和微处理器电性连接。
本发明的特点还在于，
微处理器为STM32F4单片机。
光学系统为卡塞格林光学系统。
红外探测器的型号为HMS-Z11。
滤波电路及放大电路，包括电阻R1和电阻R2，电阻R2的一端与红外探测器热电偶输出电压的正极相连，电阻R2的另一端分别与电容C2的一端、电容C3的一端、仪表运放A1的同向输入端相连，电阻R1的一端与红外探测器热电偶输出电压的负极相连，电阻R1的另一端分别与电容C2的另一端、电容C1的一端、仪表运放A1的另一个同向输入端相连，仪表运放A1的供电电源正端分别与+5V电压、电容C4的一端、电容C5的一端连接，仪表运放A1的供电电源负端分别与-5V电压、电容C6的一端、电容C7的一端连接，仪表运放A1的输出端与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端分别与电阻R5的一端、电容C8的一端相连，电容C8的另一端分别与运放A2的反向输入端、运放A2的输出端连接，电阻R5的另一端分别与电容C9的一端、运放A2的同向输入端连接，运放A2的供电电源正端分别与+5V电压、电容C12的一端、电容C13的一端连接，运放A2的供电电源负端分别与-5V电压、电容C10的一端、电容C11的一端连接，红外探测器热敏电阻的一端分别与电阻R6的一端、运放A3的同向输入端连接，电阻R6的另一端分别与+5V电源、电容C16的一端、电容C17的一端、运放A3的供电电源正端连接，运放A3的供电电源负端分别与-5V电源、电容C14的一端、电容C15的一端连接，运放A3的输出端和反向输入端相连；电容C1、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16电容C17和红外探测器热敏电阻的另一端均分别接地。
电容C2的电容远大于电容C1和电容C3的电容，电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C3的取值均相同。
仪表运放A1的引脚两端跨接有电阻R3。
本发明所采用的另一技术方案是，一种双旋制导炮弹寻地检测方法，具体步骤如下：
步骤1，光学系统将待测物体的能量聚集到红外探测器上，之后后红外探测器采用以下计算公式将该能量转换为电信号U；
电信号U的计算公式，如式(1)所示：
S为红外探测器的敏感度，K为玻耳兹曼常量，εo为待测物体的发射系数，To为待测物体的温度，εs为红外探测器的发射系数，Ta为红外探测器的环境温度；
步骤2，变换放大系统将步骤1中的电信号U进行过滤、放大；
步骤3，信号处理系统将步骤2中的电信号进行软件滤波处理，通过AD采样电压值，根据波峰或波谷附近电信号的变化率为零的特点，以此检测出每周期内电信号的最大值或最小值时刻，在该时刻输出一个单脉冲信号，则即可为炮弹在制导过程中提供大地的方向信息。
本发明的有益效果是，通过红外探测空间温度场来寻地，具有响应速度快、无能量消耗且可实时测量的优点，同时，红外探测具有较好的隐蔽性及抗干扰能力，从而增强了制导炮弹的隐蔽性和制导精确性。
附图说明
图1是本发明一种双旋制导炮弹寻地检测系统的结构示意图；
图2是本发明一种双旋制导炮弹寻地检测系统中滤波电路及放大电路的电路图；
图3是本发明一种双旋制导炮弹寻地检测系统中不同温度下绝对黑体的辐射出射度关系曲线图；
图4是本发明一种双旋制导炮弹寻地检测系统的中红外传感器的传输率与波长关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种双旋制导炮弹寻地检测系统，如图1所示，包括红外探测系统、变换放大系统、信号处理系统和电源系统，红外探测系统包括光学系统和红外探测器，变换放大系统包括滤波电路和放大电路，信号处理系统包括微处理器及外围电路，电源系统包括±5V电源转换模块和3.3V电源转换模块。
红外探测器位于光学系统的聚焦点处；
红外探测器与滤波电路电性连接，滤波电路与放大电路电性连接，放大电路与微处理器电性连接；
±5V电源转换模块分别与滤波电路和放大电路电性连接；
3.3V电源转换模块和微处理器电性连接；
微处理器为STM32F4系列单片机；
光学系统为卡塞格林光学系统；
红外探测器的型号为HMS-Z11。
滤波电路及放大电路的电路图，如图2所示，包括电阻R1和电阻R2，电阻R2的一端与红外探测器热电偶输出电压的正极相连，电阻R2的另一端分别与电容C2的一端、电容C3的一端、仪表运放A1的同向输入端相连，电阻R1的一端与红外探测器热电偶输出电压的负极相连，电阻R1的另一端分别与电容C2的另一端、电容C1的一端、仪表运放A1的另一个同向输入端相连，电容C1、电容C2及电容C3与电阻R1和电阻R2构成了射频滤波电路，仪表运放A1的引脚两端跨接有电阻R3，通过改变电阻R3进行放大倍数的调整；仪表运放A1的供电电源正端分别与+5V电压、电容C4的一端、电容C5的一端连接，仪表运放A1的供电电源负端分别与-5V电压、电容C6的一端、电容C7的一端连接，仪表运放A1的输出端与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端分别与电阻R5一端、电容C8的一端相连，电容C8的另一端分别与运放A2的反向输入端、运放A2的输出端连接，电阻R5的另一端分别与电容C9的一端、运放A2的同向输入端连接，仪表运放A1、电阻R4、电阻R5、电容C8、电容C9构成了有源二阶低通滤波器，运放A2的供电电源正端分别与+5V电压、电容C12的一端、电容C13的一端连接，运放A2的供电电源负端分别与-5V电压、电容C10的一端、电容C11的一端连接，红外探测器热敏电阻的一端输出分别与电阻R6的一端、运放A3的同向输入端连接，电阻R6的另一端分别与+5V电源、电容C16的一端、电容C17的一端、运放A3的供电电源正端相连，运放A3的供电电源负端分别与-5V电源、电容C14的一端、电容C15的一端相连，运放A3的输出端和反向输入端相连，±5V电源、电阻R6、运放A3、电容C14、电容C15、电容C16和电容C17构成电压跟随电路，用于跟随热敏电阻所监测的当前环境温度值多对应的电压信号；
其中，仪表运放A1的REF引脚为参考电压，主要目的是将放大的电压抬高；
电容C2的电容远大于电容C1和电容C3的电容，电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C3均属于结构匹配器件，取值相同；
电容C1、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16和电容C17的另一端均分别接地。
红外探测器的热敏电阻的另一端输出接地。
本发明一种双旋制导炮弹寻地检测系统，其具体工作原理是：
使用时，将红外探测系统设置在炮弹的弹头前部，将变换放大系统和电源系统设置在炮弹控制舱内。
非绝对零度的物体都能向外产生红外辐射，当待测物体辐射的能量通过大气传输到红外探测系统中时，光学系统将该能量聚集到红外探测器上，当制导炮弹在飞行过程中，红外探测器会随着弹体的旋转而旋转，在旋转一周的过程中，红外探测器就会探测到一次大地的方向；由于从地球表面开始，随着对流层高度的上升，地球表面的红外辐射强度是递减的，所以红外探测器从大地方向开始旋转180°之间所探测的温度场不同，而温度越高，红外辐射能量就越大，则红外探测器输出的电信号就越大，最终在一个周期内红外探测器输出一个类似于正弦波的电信号，之后该电信号再通过变换放大系统，其中，滤波电路滤除目标信号中的噪声，放大电路将滤除噪声后的电信号放大，微处理器对变换放大后的信号先进行软件滤波处理，之后检测每周期内电信号的最大值，经微处理器识别处理后，在电信号峰值或谷值时刻输出一个单脉冲信号，则表示为大地的方向信息，从而为炮弹控制系统调整姿态提供一个标准参量。
本发明中的光学系统，其主要工作原理是聚焦红外辐射，把远处目标辐射的能量聚集到红外探测器上。由于红外光学系统的工作波长范围一般比较宽，因而选择卡塞格林光学系统,通过双反射镜作用聚集能量。
本发明一种双旋制导炮弹寻地检测方法，具体步骤如下：
步骤1，光学系统将待测物体的能量聚集到红外探测器上，之后后红外探测器采用以下计算公式将该能量转换为电信号U；
电信号U的计算公式，如式(1)所示：
S为红外探测器的敏感度，K为玻耳兹曼常量，εo为待测物体的发射系数，To为待测物体的温度，εs为红外探测器的发射系数，Ta为红外探测器的环境温度；
步骤2，变换放大系统将步骤1中的电信号U进行过滤、放大；
步骤3，信号处理系统将步骤2中的电信号进行软件滤波处理，通过AD采样电压值，根据波峰或波谷附近电信号的变化率为零的特点，以此检测出每周期内电信号的最大值或最小值时刻，在该时刻输出一个单脉冲信号，则即可为炮弹在制导过程中提供大地的方向信息。
本发明一种双旋制导炮弹寻地检测系统中不同温度下绝对黑体的辐射出射度关系曲线图，如图3所示，在一定波长范围内，当物体温度越高，辐射出射度越大，则表示红外辐射能力越强，当探测器接收到不同温度的物体辐射能量时，转换得到的电信号大小也不同。
本发明一种双旋制导炮弹寻地检测系统的中红外传感器的传输率与波长关系曲线图，如图4所示，在波长为8μm～12μm范围内，红外探测器接收到的能量传输率最大，由于一般地表物体辐射能量波段主要在8μm～12μm内，所以证明了该探测器能很好的传输吸收的红外能量。
本发明一种双旋制导炮弹寻地检测系统，通过红外探测空间温度场来寻地，具有响应速度快、无能量消耗且可实时测量的优点，同时，红外探测具有较好的隐蔽性及抗干扰能力，从而增强了制导炮弹的隐蔽性和制导精确性；同时，本该系统的体积较小、抗压能力较强且生产成本低廉，能够满足检测系统的性能要求。
Claims (8)
1.一种双旋制导炮弹寻地检测系统，其特征在于，包括红外探测系统、变换放大系统、信号处理系统和电源系统，所述红外探测系统包括光学系统和红外探测器，所述变换放大系统包括滤波电路和放大电路，所述信号处理系统包括微处理器，所述电源系统包括±5V电源转换模块和3.3V电源转换模块，所述红外探测器与所述滤波电路电性连接，所述滤波电路与所述放大电路电性连接，所述放大电路与所述微处理器电性连接；所述±5V电源转换模块分别与所述滤波电路和所述放大电路电性连接；所述3.3V电源转换模块和所述微处理器电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种双旋制导炮弹寻地检测系统，其特征在于，所述微处理器为STM32F4单片机。
3.根据权利要求1所述的一种双旋制导炮弹寻地检测系统，其特征在于，所述光学系统为卡塞格林光学系统。
4.根据权利要求1所述的一种双旋制导炮弹寻地检测系统，其特征在于，所述红外探测器的型号为HMS-Z11。
5.根据权利要求1所述的一种双旋制导炮弹寻地检测系统，其特征在于，所述滤波电路及放大电路，包括电阻R1和电阻R2，电阻R2的一端与红外探测器热电偶输出电压的正极相连，电阻R2的另一端分别与电容C2的一端、电容C3的一端、仪表运放A1的同向输入端相连，电阻R1的一端与红外探测器热电偶输出电压的负极相连，电阻R1的另一端分别与电容C2的另一端、电容C1的一端、仪表运放A1的另一个同向输入端相连，仪表运放A1的供电电源正端分别与+5V电压、电容C4的一端、电容C5的一端连接，仪表运放A1的供电电源负端分别与-5V电压、电容C6的一端、电容C7的一端连接，仪表运放A1的输出端与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端分别与电阻R5的一端、电容C8的一端相连，电容C8的另一端分别与运放A2的反向输入端、运放A2的输出端连接，电阻R5的另一端分别与电容C9的一端、运放A2的同向输入端连接，运放A2的供电电源正端分别与+5V电压、电容C12的一端、电容C13的一端连接，仪表运放A2的供电电源负端分别与-5V电压、电容C10的一端、电容C11的一端连接，红外探测器热敏电阻的一端分别与电阻R6的一端、运放A3的同向输入端连接，电阻R6的另一端分别与+5V电源、电容C16的一端、电容C17的一端、运放A3的供电电源正端连接，运放A3的供电电源负端分别与-5V电源、电容C14的一端、电容C15的一端连接，运放A3的输出端和反向输入端相连；电容C1、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16电容C17和红外探测器热敏电阻的另一端均分别接地。
6.根据权利要求5所述的一种双旋制导炮弹寻地检测系统，其特征在于，所述电容C2的电容远大于电容C1和电容C3的电容，所述电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C3的取值均相同。
7.根据权利要求5所述的一种双旋制导炮弹寻地检测系统，其特征在于，所述仪表运放A1的引脚两端跨接有电阻R3。
8.一种双旋制导炮弹寻地检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，光学系统将待测物体的能量聚集到红外探测器上，之后后红外探测器采用以下计算公式将该能量转换为电信号U；
电信号U的计算公式，如式(1)所示：
S为红外探测器的敏感度，K为玻耳兹曼常量，εo为待测物体的发射系数，To为待测物体的温度，εs为红外探测器的发射系数，Ta为红外探测器的环境温度；
步骤2，变换放大系统将步骤1中的电信号U进行过滤、放大；
步骤3，信号处理系统将步骤2中的电信号进行软件滤波处理，通过AD采样电压值，根据波峰或波谷附近电信号的变化率为零的特点，以此检测出每周期内电信号的最大值或最小值时刻，在该时刻输出一个单脉冲信号，则即可为炮弹在制导过程中提供大地的方向信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191022 |