CN110487509A - 三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器 - Google Patents

Abstract

三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器，属于激光技术应用领域，为解决现有激光半主动制导性能受到导弹面临环境的影响和制约的问题。包括光源模拟模块、三轴测试转台和测控模块；光源模拟模块通过准直物镜组以平行光形式为被测系统提供测试或仿真所需光源；三轴测试转台用于安装固定被测系统，转动所需测试角度，模拟被测系统测试或仿真使用的角位置信息；测控模块用于测试管控、测试参数反馈和记录。光源模拟模块将带有背景、目标、干扰目标的光信号以平行光方式投射到被测系统的出瞳处。被测系统通过转接工装安装在三轴测试转台的内环滚转环上，被测系统的入瞳位置位于三轴测试转台的转动中心。用于四象限激光探测测试、焦平面激光探测测试等。

Description

三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器

技术领域

本发明涉及一种激光半主动目标模拟器，属于激光技术应用领域。

背景技术

激光半主动制导技术是精确制导的重要组成部分，具有制导精度高、成本低和体积小等优点，我国已有多种弹型采用激光半主动制导技术。在激光半主动制导系统研发过程中，需要不断验证系统制导性能，如探测器线性区、探测灵敏度、动态响应范围等关键指标，为激光半主动制导系统优化和改进提供可靠的实验验证支撑。

现阶段，通常采用激光目标模拟器技术作为室内半主动制导系统验证方式和手段。激光目标模拟器技术是进入21世纪后新兴的一种室内验证模拟技术，是一种由光、机、电综合使用的先进技术，可模拟远场目标回波能量及其分布，也能模拟弹目距离由远及近的动态变化过程，是验证、检测激光半主动制导性能的必要技术手段。

激光目标模拟器主要由激光光源、光衰减系统和均光光学系统等组成，将目标模拟光斑投射到半主动制导系统分为两种，一种是反射式，即采用反射镜方式，将光斑投射到半主动制导系统，通常用于探测器指标性能检测，不能用于动态仿真；一种是光瞳耦合方式，即目标模拟光斑出瞳位置是半主动制导系统入瞳位置，二者合一，能够使半主动制导系统实时探测到光斑，既可用于探测器指标测试，也可用于动态仿真，后者是目前常用的技术手段。

随着制导技术发展，已涌现出多种反制导技术手段，如导弹诱饵、激光干扰等；此外，导弹面临的战场环境愈发复杂，如天候适应性、背景杂波众多等；这些都使得激光半主动制导性能受到严重的影响和制约，这反过来也对激光半主动制导验证技术提出了更高要求，传统的只能模拟目标光斑方案已不能满足日益发展的现实需求。

发明内容

本发明目的是为了解决现有激光半主动制导性能受到导弹面临环境的影响和制约的问题，提供了一种三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器。

本发明所述三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器，该目标模拟器包括光源模拟模块、三轴测试转台和测控模块；光源模拟模块通过准直物镜组以平行光形式为被测系统提供测试或仿真所需光源；三轴测试转台用于安装固定被测系统，转动所需测试角度，模拟被测系统测试或仿真使用的角位置信息；测控模块用于测试管控、测试参数反馈和记录。

光源模拟模块将带有背景、目标、干扰目标的光信号以平行光方式投射到被测系统的出瞳处。

被测系统通过转接工装安装在三轴测试转台的内环滚转环上，被测系统的入瞳位置位于三轴测试转台的转动中心。

本发明的优点：本发明提出的三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器，与现有的目标光通道类的目标模拟器相比，增加了背景光通道和干扰光通道，将三通道光耦合在一起，共同经主镜投射到被测系统，能够真实模拟复杂战场环境，使被测系统测试能够达到真实作战环境，提升了室内被测系统性能测试范围和能力，缩短了被测系统实际应用的研发周期。本发明为激光半主动探测性能测试和动态仿真提供了一整套完整解决方案，不仅包括光源模拟方案，还包括姿态仿真方案(三轴转台)和管控方案(测控系统)；可实时完成光源模拟器和被测系统的实时联动，能够实时输出被测系统的测试输出结果，为科研人员分析、改进被测系统提供可靠的实验数据；测控系统有良好的人机交互界面，操作简单、方便，功能区域划分合理、一目了然，能够适应不同类、不同层次的科研人员使用。

本发明提出了三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器，该目标模拟器不仅能模拟远场目标回波光斑，还能模拟远场干扰光和空天背景光，可以模拟复杂战场环境激光回波情况，为激光半主动制导系统应对复杂战场环境提供可靠的室内验证和检测技术。本发明能够模拟远场激光光斑、干扰光光斑和空天背景光，可用于四象限激光探测测试、焦平面激光探测测试等领域，检验激光成像系统性能。

附图说明

图1是本发明所述三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器的组成框图；

图2是光源模拟模块的电控系统结构图；

图3是三轴测试转台的控制原理图；

图4是三轴测试转台的原理框图；

图5是测控模块的电气组成框图；

图6是测试软件的功能模块图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器，该目标模拟器包括光源模拟模块1、三轴测试转台2和测控模块3；

光源模拟模块1通过准直物镜组以平行光形式为被测系统提供测试或仿真所需光源；

三轴测试转台2用于安装固定被测系统，转动所需测试角度，模拟被测系统测试或仿真使用的角位置信息；

测控模块3用于测试管控、测试参数反馈和记录。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，光源模拟模块1为被测系统提供测试或仿真所需光源的具体方式为：

光源模拟模块1将带有背景、目标、干扰目标的光信号以平行光方式投射到被测系统的出瞳处。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，三轴测试转台2安装固定被测系统的具体方式为：

被测系统通过转接工装安装在三轴测试转台2的内环滚转环上，被测系统的入瞳位置位于三轴测试转台2的转动中心。

本实施方式中，被测系统的入瞳位置位于三轴测试转台2的转动中心，所述转动中心为三轴理论交点。此状态无论三轴测试转台2怎样带动被测系统，在航向、俯仰转动的角度只要不超过被测系统视场角，都可以接收到光源模拟模块1投射到被测系统入瞳的“目标”光信号。

具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，光源模拟模块1包括主目标通道、次干扰通道和背景光通道；主目标通道用于将目标光源投射到被测系统；次干扰通道用于将干扰目标光源投射到被测系统；背景光通道用于将背景光源投射到被测系统。

本实施方式中，各个通道包括光源模块、光调制模块、目标和干扰目标模块、共用合束模块和准直物镜；光源模块包括光源输出器件、供电器件、光输出调制器件等；光调制模块包括均光器件和输出光能量调节模块，均光器件是改善光纤输出光的均匀性、均匀照明目标和干扰目标靶面。经过光学准直系统输出后，模拟真实目标输出光(被测产品入瞳处光能量均匀)，输出光能量调节模块由能量调节器件及驱动电源组成，用于调节目标和干扰目标的亮度，模拟目标输出能量变化；目标和干扰目标模块由可变光阑和二维平移模块构成，用于根据需要模拟输出所需的光斑，可变光阑采用圆形渐变光阑，光阑孔的尺寸可变，模拟目标光斑的远近变化，二维平移模块带动光阑做垂直于光轴的平动，模拟目标相对于被测产品光轴角度的变化，通过对光阑孔尺寸变化和位移变化的综合调制，可模拟被测产品与目标之间的距离和姿态连续变化；共用合束模块分为两个部分，一个是背景光和干扰目标合束，另一个是二者与目标光路合束；根据各通道所需能量不同，合束时光能利用率有所不同；准直物镜用于将各通道目标准直后输出，模拟远距离目标和干扰目标。

本实施方式中，光源模拟模块1的电控系统需要控制多个电机，以满足测试需求，目标和干扰光源电控包括二维平移机构(水平电机和垂直电机)，实现光斑在靶面的位置移动，衰减电机控制光学衰减片，可调控激光输出能量，光阑电机控制靶面光斑尺寸。电控系统还要控制目标和干扰光源(两台激光器)，调控激光器参数，如重复频率、脉宽、峰值功率等。与上位机通信协议是RS422，可接收测控系统指令，按照规范执行动作，满足性能测试需求。光源模拟模块1的电控系统结构如图2所示，电控系统核心部件是FPGA，利用FPGA并行执行的优势，可以同时控制8台步进电机和2台激光器，使模拟器快速响应。

本实施方式中，目标光源和干扰目标光源是1064nm激光器，通过光纤传输输出，能量和频率可调。

本实施方式中，背景光源由驱动光源和卤素灯组成，根据需要调节能量。卤素灯用于模拟太阳光。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一或四作进一步说明，光源模拟模块1的圆视场20°，出瞳口径35mm，出瞳距离300mm，可输出轴上视场通光孔径φ116mm平行光。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式一作进一步说明，三轴测试转台2为航向、俯仰和内环滚转三轴。

本实施方式中，三轴测试转台2采用底座+UOO结构形式，兼顾测试与仿真使用条件，经过计算及模态分析，转台底座采用铸钢消失模成型后经机械冷加工而成；UOO三轴框架全部采用铸铝116A消失模成型后经机械冷加工而成，传动部件的各轴系的主轴、传动结构均采用45#钢或40Cr作为首选材料，以便保证各轴系的抗变形能力。根据转台的技术要求，在转台设计基础上，选用电机参数、分配传动匹配形式，最后经参数优化及匹配，在保证测试功能的前提下兼顾动态仿真能力。

本实施方式中，三轴测试转台2的控制系统组成如图3所示，其伺服控制系统由计算机、A/D、D/A、数字伺服校正网络、力矩电机、台体及负载、测角系统等部分组成。三轴电机采用高性能的可编程器件(FPGA)进行控制，可实现三轴多点联动，加减速采用改进的正弦曲线，可使电机更加快速平稳的运行，具有一定的动态响应特性，以保证测试需求的情况下，可完成仿真试验。图4给出了基于FPGA的转台控制设计框图，由FPGA实现对各轴系电机、电机限位、绝对位置传感等控制，并通过RS422与上位机通信，进行指令收发。利用FPGA内嵌的DSP核，根据设定的运行速度实时计算加速和减速曲线，使电机运行更加平稳。根据位置传感器的定位信息，实时修正位置，提高运行精度。电机的正反转都安装了限位保护，有效的保护电机而不会产生飞车。

本发明中，测控模块3由工控机、配套控制与显示软件、供电电源、控制部分、通讯部分五部分组成，安装在一个控制台中。系统电气框图如图5所示，控制台采用19英寸标准框架结构，适用于各种标准仪器安装。设计符合人体工程学原理，承载大，底部安装脚轮推运方便，机柜控制台后部安装通风电扇。

软件功能包括：系统自检功能；目标/干扰激光器控制；背景光源能量控制；三轴转台控制；测试性能曲线显示；光阑组件控制；测试数据保存、打印功能。

测试软件使用VC++开发工具编写，采用面向对象的模块化程序设计方法，测试软件具有标准Windows风格的可视化操作界面，测试软件界面主要由六个区域组成，分别是：目标光源控制、干扰光源控制、背景光源控制、目标运动控制、干扰运动控制和转台运动控制。其中前三个主要控制光源模拟器内的激光器和卤素灯，能调节光源参数；第四个和第五个是控制光阑口径、光阑平移机构、衰减片转动等；第六个是控制三轴转台姿态。测试软件的界面操作简单。根据测试软件功能的需求，进行功能模块划分后，测试软件主要由以下几个模块构成，见图6所示：主控模块、图像采集模块、运动控制模块、数据分析模块、测试数据管理模块及通讯模块。

本发明提出的三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器，为三通道模拟光源输出设计，包括两台激光器和一台背景光源。光源模拟器、三轴转台和测控系统，在光瞳耦合方式下，能够实现被测系统探测性能测试和动态仿真测试，与传统的五轴模拟器方案相比，具有成本低、结构简单等优点。

Claims (6)

1.三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器，其特征在于，该目标模拟器包括光源模拟模块(1)、三轴测试转台(2)和测控模块(3)；

光源模拟模块(1)通过准直物镜组以平行光形式为被测系统提供测试或仿真所需光源；

三轴测试转台(2)用于安装固定被测系统，转动所需测试角度，模拟被测系统测试或仿真使用的角位置信息；

测控模块(3)用于测试管控、测试参数反馈和记录。

2.根据权利要求1所述的三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器，其特征在于，光源模拟模块(1)为被测系统提供测试或仿真所需光源的具体方式为：

光源模拟模块(1)将带有背景、目标、干扰目标的光信号以平行光方式投射到被测系统的出瞳处。

3.根据权利要求1或2所述的三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器，其特征在于，三轴测试转台(2)安装固定被测系统的具体方式为：

被测系统通过转接工装安装在三轴测试转台(2)的内环滚转环上，被测系统的入瞳位置位于三轴测试转台(2)的转动中心。

4.根据权利要求1所述的三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器，其特征在于，光源模拟模块(1)包括主目标通道、次干扰通道和背景光通道；主目标通道用于将目标光源投射到被测系统；次干扰通道用于将干扰目标光源投射到被测系统；背景光通道用于将背景光源投射到被测系统。

5.根据权利要求1或4所述的三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器，其特征在于，光源模拟模块(1)的圆视场20°，出瞳口径35mm，出瞳距离300mm，可输出轴上视场通光孔径φ116mm平行光。

6.根据权利要1所述的三通道光瞳耦合激光半主动目标模拟器，其特征在于，三轴测试转台(2)为航向、俯仰和内环滚转三轴。