CN113607197A - 一种激光架束制导编码盘及编码器 - Google Patents

一种激光架束制导编码盘及编码器 Download PDF

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CN113607197A CN202110814420.3A CN202110814420A CN113607197A CN 113607197 A CN113607197 A CN 113607197A CN 202110814420 A CN202110814420 A CN 202110814420A CN 113607197 A CN113607197 A CN 113607197A
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范哲源
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吕园成
李粉利
刘改化
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Abstract

本发明涉及光电编码盘，具体涉及一种激光架束制导编码盘及编码器，用于解决现有编码盘码道宽度固定不变，若只接收到一种频率，无法进行位置解算，以及现有编码盘根据接收到的频率信息，只能定性判断光斑偏离情况，无法精确判断光斑位置偏差的不足之处。该激光架束制导编码盘，包括编码盘基体，以编码盘基体中心为圆心，定义逆时针方向为正向，在编码盘基体内码道一端的连线为0°刻线；所述内码道位于编码盘的(0°～180°)，外码道位于编码盘的(90°～270°)；内码道上设有宽度不等的第一码道和第二码道，外码道上设有宽度不等的第三码道和第四码道，并且内码道和外码道上均设有抗干扰的第五码道。同时，本发明还提供一种采用上述激光架束制导编码盘的编码器。

Description

一种激光架束制导编码盘及编码器
技术领域
本发明涉及光电编码盘，具体涉及一种激光架束制导编码盘及编码器。
背景技术
在激光架束制导过程中，瞄准手首先通过地面发射制导装置的观瞄组件或热像瞄准具手动跟踪并瞄准目标，由激光制导组件发射已调制的激光信号，形成供弹体识别坐标位置的空间信息场，位于弹尾的接收机接收激光调制信号，并转化成电信号，经信息处理后，解算出弹轴与光束中心的偏离量，反馈给弹上控制系统，从而控制弹体沿光束中心飞行，直至命中目标。
参照图1，基于上述原理的一种激光驾束制导模拟系统被应用于地面模拟驾束制导工作过程，该系统包括地面制导照射器、弹尾接收器和无线透传系统。通过地面制导照射器上的瞄准装置，将激光发射光轴对准弹尾接收器，由半导体激光器连续发射的激光束，经聚光系统投射到编码盘的外码道上，经转像系统由内码道射出，再经变焦投射系统将已调制的激光束发射出去，形成供弹尾接收器识别坐标位置的信息控制场；弹尾接收器接收激光编码信号，经信号处理后，解算出弹尾接收器所处位置在方位、俯仰两个方向相对光斑中心的偏离量；偏离数据及转台数据信息输出给无线透传系统，通过发射天线发送给位于地面制导照射器端的信号处理计算机，完成数据的闭环。
参照图2、图3，系统中编码盘02的具体调制过程如下：半导体激光器01输出连续激光，垂直投射至编码盘外码道022，编码盘02以频率w旋转，激光束被编码盘外码道022上间隔不同的黑白光栅切割激光束，经过一定时间后，含有f3、f4、f5三个频率的制导激光束从编码盘02出射，至转折第一棱镜031、第二棱镜033，再次穿过编码盘内码道021，经过一定时间后，含有f1、f5、f2三个频率的制导激光束从编码盘02出射，至转折第三棱镜033、第四棱镜034，光束进入变焦光学系统04中。最终，在空间投射出含有5种脉冲频率的激光信息场。
参照图2、图3，当编码盘02以100Hz的频率旋转，即周期为10ms时，编码盘02的信息图案的黑白光栅以不同的频率从上到下切割激光束，经过5ms后，从右到左切割激光束，因此，在上半周期5ms内含有f1、f5、f2三种频率的激光射出，其经历时间控制偏航方向；下半周期5ms内含有f3、f5、f4三种频率的激光射出，其经历时间控制俯仰方向。其中，频率f5的主要作用是增强制导激光束的抗干扰性。而各频率脉冲信号的持续时间是随着弹尾接收器偏离控制场中心误差距离增大而增大的。因此，通过测量激光接收机接收到的不同频率信号持续时间的长短，就可以得出弹尾接收器某一时刻偏离控制场中心的位置信息。
编码调制技术的数学模型如图4所示。其中MN代表编码盘码道的中心线，X为偏离光轴的误差量，△R表示环形码道的宽度。T为一个周期，T1、T2分别表示一个周期内，某光点经编码盘转动后，经历频率f1和f2的时间。根据相似三角形原理可知
Figure BDA0003169675030000022
则
Figure BDA0003169675030000021
由于T与△R均为常量，X只与T1、T2的差值成线性关系。
现有编码盘如图5所示，通常码道宽度固定不变，当接收器处于信息场固定位置时，如图中A处所示，若只能接收一种频率，则始终只能接收此一种频率，在没有其他频率信息的情况下，无法进行位置解算；此外,发射光束通过传统调制盘后，接收机接收频率f1、f2、f3、f4的扫描时间为τf1、τf2、τf3、τf4，计算表征位置信息的调制系数Kx、Ky,调制系数由如下公式计算：
Figure BDA0003169675030000031
Figure BDA0003169675030000032
通过判断Kx、Ky大于0还是小于0判断接收器偏离方向，此方式只能定性判断，无法精确判断偏离大小。
发明内容
本发明的目的是解决现有编码盘码道宽度固定不变，若只接收到一种频率，没有其他频率信息，无法进行位置解算，以及现有编码盘根据接收到的频率信息，只能定性判断光斑偏离情况，无法精确判断光斑位置偏差的不足之处，而提供一种激光架束制导编码盘及编码器。
为了解决上述不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
一种激光架束制导编码盘，包括编码盘基体，其特殊之处在于：
以编码盘基体中心为圆心，定义逆时针方向为正向，在编码盘基体内码道一端的连线为0°刻线；
所述内码道位于编码盘的(0°～180°)，内码道的内径为a，宽度为c；
所述外码道位于编码盘的(90°～270°)，外码道的内径为b，宽度为c；
所述内码道与外码道的间距为d；
所述内码道和外码道上均设有宽度为e且频率固定的第五码道，第五码道上设置有X5对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区所占角度相同；
所述e≤(c/2)；
所述内码道上还设有第一码道和第二码道；所述第一码道上设有X1对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区所占角度相同，所述第一码道频率固定，包括正向依次设置的第一等宽码道和第一宽度渐变码道；所述第二码道上设有X2对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区所占角度相同，所述第二码道频率固定，包括正向依次设置的第二宽度渐变码道和第二等宽码道；
所述第一等宽码道位于(0～A°)区间；所述第一宽度渐变码道、第五码道和第二宽度渐变码道位于(A°～B°)区间；所述第二等宽码道位于(B°～180°)；所述0°<A°<B°<180°；
所述第一宽度渐变码道、第五码道和第二宽度渐变码道由外至内依次分布；其中，第一宽度渐变码道的内径沿正向由(a+e)圆滑过渡至(a+c)；第二宽度渐变码道的内径沿正向由a圆滑过渡至(a+c-e)；其余区域为第五码道；
所述外码道上还设有第三码道和第四码道；所述第三码道上设有X3对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区所占角度相同，第三码道频率固定，包括正向依次设置的第三等宽码道和第三宽度渐变码道；所述第四码道上设有X4对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区所占角度相同，第四码道频率固定，包括正向依次设置的第四宽度渐变码道和第四等宽码道；
所述第三等宽码道位于(90°～C°)区间；所述第三宽度渐变码道、第五码道和第四宽度渐变码道位于(C°～D°)区间；所述第二等宽码道位于(D°～270°)；所述90°<C°<D°<270°；
所述第三宽度渐变码道、第五码道和第四宽度渐变码道由外至内依次分布；其中，第三宽度渐变码道的内径沿正向由(b+e)圆滑过渡至(b+c)；第四宽度渐变码道的内径沿正向由b圆滑过渡至(b+c-e)；其余区域为第五码道；
所述(B°-A°)与(D°-C°)相等；
所述X1、X2、X3、X4、X5均不相等。
进一步地，所述第一宽度渐变码道外径为(a+c)，其内径由Q个点拟合得到，点坐标
Figure BDA0003169675030000051
由如下公式决定：
Figure BDA0003169675030000052
Figure BDA0003169675030000053
n1＝0，1，2……Q
所述第二宽度渐变码道内径为a，其外径由Q个点拟合得到，点坐标
Figure BDA0003169675030000054
Figure BDA0003169675030000055
由如下公式决定：
Figure BDA0003169675030000056
Figure BDA0003169675030000057
n2＝0,1,2……Q
所述第三宽度渐变码道外径为(b+c)，其内径由Q个点拟合得到，点坐标
Figure BDA0003169675030000058
由如下公式决定：
Figure BDA0003169675030000061
Figure BDA0003169675030000062
n3＝0，1,2……Q
所述第四宽度渐变码道内径为b，其外径由Q个点拟合得到，点坐标
Figure BDA0003169675030000063
Figure BDA0003169675030000064
由如下公式决定：
Figure BDA0003169675030000065
Figure BDA0003169675030000066
n4＝0,1,2……Q
所述Q的取值为(2×X5)。
进一步地，所述A°的取值为36°，B°的取值为144°，C°的取值为126°，D°的取值为234°。
进一步地，所述第五码道宽度e的取值为1.4mm。
进一步地，所述内码道的内径a的取值为21mm；所述外码道的内径b的取值为27mm；所述内码道宽度和外码道宽度c的取值为3mm；所述内码道与外码道的间距d的取值为3mm。
进一步地，所述编码盘基体采用光学玻璃材质。
同时，本发明还提供一种激光架束制导编码器，其特殊之处在于：采用所述激光架束制导编码盘。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明中第一码道、第二码道、第三码道、第四码道均采用等宽码道和宽度渐变码道结合的设计，并且宽度渐变码道在码盘基体上的所处位置重叠，使得在俯仰或偏航方向，只接收到一种频率信息时，也可准确计算出弹体偏离光斑的位置；此外，本发明中第五码道采用非对称设计，进一步增强制导激光束的抗干扰性。
(2)本发明采用内外码道频率宽度渐变设计，只有频率数准确相等时，才是光斑的正中心位置，提高了制导精度。
附图说明
图1为现有技术中激光驾束制导模拟系统的工作流程图；
图2为图1系统的工作原理示意图；
图3为图1系统中编码盘的工作原理示意图。
图2至图3附图标记说明如下：01-半导体激光器；02-编码盘，021-编码盘内码道，022-编码盘外码道；031-第一棱镜，032-第二棱镜，033-第三棱镜，034-第四棱镜；04-变焦光学系统。
图4为图3编码盘的数学模型；
图5为现有编码盘的结构示意图。
图6为本发明一种激光架束制导编码盘一个实施例的结构示意图；
图6附图标记说明如下：10-编码盘基体，1-第一码道，2-第二码道，3-第三码道，4-第四码道，5-第五码道。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
参照图6，一种激光架束制导编码盘，包括石英材质的编码盘基体10，以编码盘基体10中心为圆心，定义逆时针方向为正向，在编码盘基体10内码道一端的连线为0°刻线；所述内码道位于编码盘的(0°～180°)，内码道的内径为21mm，宽度为3mm；所述外码道位于(90°～270°)，外码道的内径为27mm，宽度为3mm；所述内码道与外码道的间距为3mm。
所述内码道和外码道上均设有宽度为1.4mm且频率固定的第五码道5，第五码道5上设置有X5对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区均占
Figure BDA0003169675030000081
所述内码道上还设有第一码道1和第二码道2；所述第一码道1上设有X1对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区均占
Figure BDA0003169675030000082
所述第一码道1频率固定，包括正向依次设置的第一等宽码道和第一宽度渐变码道；所述第二码道2上设有X2对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区均占
Figure BDA0003169675030000083
所述第二码道2频率固定，包括正向依次设置的第二宽度渐变码道和第二等宽码道；所述第一等宽码道位于(0～36°)；所述第一宽度渐变码道、第五码道5和第二宽度渐变码道位于(36°～124°)；所述第二等宽码道位于(124°～180°)；所述第一宽度渐变码道、第五码道5和第二宽度渐变码道由外至内依次分布；其中，第一宽度渐变码道的内径沿正向由22.4mm圆滑过渡至24mm，第二宽度渐变码道的内径沿正向由21mm圆滑过渡至22.6mm，其余区域为第五码道5。
所述第一宽度渐变码道外径为24mm，其内径由Q个点拟合得到，点坐标
Figure BDA0003169675030000084
由如下公式决定：
Figure BDA0003169675030000085
Figure BDA0003169675030000091
n1＝0,1,2……Q
所述第二宽度渐变码道内径为21mm，其外径由Q个点拟合得到，点坐标
Figure BDA0003169675030000092
由如下公式决定：
Figure BDA0003169675030000093
Figure BDA0003169675030000094
n2＝0,1,2……Q
所述外码道上还设有第三码道3和第四码道4；所述第三码道3上设有X3对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区均占
Figure BDA0003169675030000095
第三码道3频率固定，包括正向依次设置的第三等宽码道和第三宽度渐变码道；所述第四码道4上设有X4对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区均占
Figure BDA0003169675030000096
第四码道4频率固定，包括正向依次设置的第四宽度渐变码道和第四等宽码道；所述第三等宽码道位于(90°～126°)；所述第三宽度渐变码道、第五码道5和第四宽度渐变码道位于(126°～234°)；所述第二等宽码道位于(234°～270°)；所述第三宽度渐变码道、第五码道5和第四宽度渐变码道由外至内依次分布；其中，第三宽度渐变码道的内径沿正向由28.4mm圆滑过渡至30mm，第四宽度渐变码道的内径沿正向由27mm圆滑过渡至28.6mm，其余区域为第五码道5。
所述第三宽度渐变码道外径为30mm,其内径由Q个点拟合得到，点坐标
Figure BDA0003169675030000097
由如下公式决定：
Figure BDA0003169675030000098
Figure BDA0003169675030000099
n3＝0，1,2……Q
所述第四宽度渐变码道内径为27mm，其外径由Q个点拟合得到，点坐标
Figure BDA0003169675030000101
由如下公式决定：
Figure BDA0003169675030000102
Figure BDA0003169675030000103
n4＝0,1,2……Q
所述Q的取值为(2×X5)。
所述X1、X2、X3、X4、X5均不相等，并且每对透光区和非透光区可以是透光区和非透光区依次交替，或非透光区和透光区依次交替。
本实施例中，编码盘是100Hz的频率旋转，即周期为10ms，当编码盘旋转时，黑白光栅以不同的频率割激光束；上半周期5ms内，编码盘从右到左切割激光束时，光斑经过第一码道1、第五码道5、第二码道2，其经历时间控制偏航方向；下半周期5ms内，编码盘从上到下切割激光束时，光斑经过第三码道3、第五码道5、第四码道4，其经历时间控制俯仰方向；其中第五码道5采用非对称设计，进一步增强制导激光束的抗干扰性。
本实施例中，在俯仰或偏航方向，只接收到一种频率信息时，也可准确计算出弹体偏离光斑的位置；此外，同一码道上，内外侧频率宽度渐变设计，只有内外侧频率数准确相等时，才是光斑的正中心位置，提高了制导精度。
同时，本发明还提供一种激光架束制导编码器，采用所述激光架束制导编码盘。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种激光架束制导编码盘，包括编码盘基体(10)，其特征在于：以编码盘基体(10)中心为圆心，定义逆时针方向为正向，在编码盘基体(10)内码道一端的连线为0°刻线；
所述内码道位于编码盘的(0°～180°)，内码道的内径为a，宽度为c；
所述外码道位于编码盘的(90°～270°)，外码道的内径为b，宽度为c；
所述内码道与外码道的间距为d；
所述内码道和外码道上均设有宽度为e且频率固定的第五码道(5)，第五码道(5)上设置有X5对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区所占角度相同；
所述e≤(c/2)；
所述内码道上还设有第一码道(1)和第二码道(2)；所述第一码道(1)上设有X1对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区所占角度相同，所述第一码道(1)频率固定，包括正向依次设置的第一等宽码道和第一宽度渐变码道；所述第二码道(2)上设有X2对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区所占角度相同，所述第二码道(2)频率固定，包括正向依次设置的第二宽度渐变码道和第二等宽码道；
所述第一等宽码道位于(0～A°)区间；所述第一宽度渐变码道、第五码道(5)和第二宽度渐变码道位于(A°～B°)区间；所述第二等宽码道位于(B°～180°)；所述0°<A°<B°<180°；
所述第一宽度渐变码道、第五码道(5)和第二宽度渐变码道由外至内依次分布；其中，第一宽度渐变码道的内径沿正向由(a+e)圆滑过渡至(a+c)；第二宽度渐变码道的内径沿正向由a圆滑过渡至(a+c-e)；其余区域为第五码道(5)；
所述外码道上还设有第三码道(3)和第四码道(4)；所述第三码道(3)上设有X3对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区所占角度相同，第三码道(3)频率固定，包括正向依次设置的第三等宽码道和第三宽度渐变码道；所述第四码道(4)上设有X4对透光区和非透光区，每对中的透光区和非透光区所占角度相同，第四码道(4)频率固定，包括正向依次设置的第四宽度渐变码道和第四等宽码道；
所述第三等宽码道位于(90°～C°)区间；所述第三宽度渐变码道、第五码道(5)和第四宽度渐变码道位于(C°～D°)区间；所述第二等宽码道位于(D°～270°)；所述90°<C°<D°<270°；
所述第三宽度渐变码道、第五码道(5)和第四宽度渐变码道由外至内依次分布；其中，第三宽度渐变码道的内径沿正向由(b+e)圆滑过渡至(b+c)；第四宽度渐变码道的内径沿正向由b圆滑过渡至(b+c-e)；其余区域为第五码道；
所述(B°-A°)与(D°-C°)相等；
所述X1、X2、X3、X4、X5均不相等。
2.根据权利要求1所述的一种激光架束制导编码盘，其特征在于：
所述第一宽度渐变码道外径为(a+c)，其内径由Q个点拟合得到，点坐标
Figure FDA0003169675020000021
由如下公式决定：
Figure FDA0003169675020000022
Figure FDA0003169675020000031
n1＝0,1,2……Q
所述第二宽度渐变码道内径为a，其外径由Q个点拟合得到，点坐标
Figure FDA0003169675020000032
Figure FDA0003169675020000033
由如下公式决定：
Figure FDA0003169675020000034
Figure FDA0003169675020000035
n2＝0,1,2……Q
所述第三宽度渐变码道外径为(b+c)，其内径由Q个点拟合得到，点坐标
Figure FDA0003169675020000036
由如下公式决定：
Figure FDA0003169675020000037
Figure FDA0003169675020000038
n3＝0,1,2……Q
所述第四宽度渐变码道内径为b，其外径由Q个点拟合得到，点坐标
Figure FDA0003169675020000039
Figure FDA00031696750200000310
由如下公式决定：
Figure FDA00031696750200000311
Figure FDA00031696750200000312
n4＝0,1,2……Q
所述Q的取值为(2×X5)。
3.根据权利要求2所述的一种激光架束制导编码盘，其特征在于：所述A°的取值为36°，B°的取值为144°，C°的取值为126°，D°的取值为234°。
4.根据权利要求3所述的一种激光架束制导编码盘，其特征在于：所述第五码道(5)宽度e的取值为1.4mm。
5.根据权利要求4所述的一种激光架束制导编码盘，其特征在于：所述内码道的内径a的取值为21mm；所述外码道的内径b的取值为27mm；所述内码道宽度和外码道宽度c的取值为3mm；所述内码道与外码道的间距d的取值为3mm。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种激光架束制导编码盘，其特征在于：所述编码盘基体(10)采用光学玻璃材质。
7.一种激光架束制导编码器，其特征在于：采用权利要求1至6任一所述的激光架束制导编码盘。
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