某型導(dǎo)引頭綜合測試設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

賈景堃，秦彥君，熊厚金

(1.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041;2.國營長虹機械廠，廣西桂林 541003)

0 引言

導(dǎo)引頭是截獲跟蹤［1］目標以控制航向的核心部件，廣泛應(yīng)用于各種飛行器械。電視導(dǎo)引頭首先將攝像機獲取的目標區(qū)域圖像通過圖像發(fā)射機發(fā)送給機載吊艙設(shè)備，由操控人員選取并鎖定目標，導(dǎo)引頭通過不斷獲取目標區(qū)域圖像信息，并不斷對目標方位進行相關(guān)分析從而輸出方向控制信號，使得目標保持在導(dǎo)引頭視場中央?yún)^(qū)域直至接觸目標為止。

電視制導(dǎo)作為末端制導(dǎo)階段的有效制導(dǎo)措施其優(yōu)點是利用圖像信息進行方向控制，具有較高控制精度，為精確制導(dǎo)提供了有效且實時的導(dǎo)引措施。缺點是受環(huán)境影響較大作用距離受限，不能適應(yīng)于全天候工作。

本文所涉及的測試設(shè)備運用VXI總線及虛擬儀器等技術(shù)，設(shè)計開發(fā)擁有完備的測試手段及多種型號導(dǎo)引頭維修專家知識庫，能夠?qū)Χ喾N型號導(dǎo)引頭光、機、電各組成部分的性能指標進行測試，實現(xiàn)故障精確定位，是維修人員的有力工具。

1 電視導(dǎo)引頭組成及原理

電視導(dǎo)引頭由光、機、電等多種功能復(fù)雜的部件組成，根據(jù)功能劃分，電視導(dǎo)引頭主要由以下功能單元組成:電視成像系統(tǒng)、陀螺穩(wěn)定平臺、控制單元、校正和目標指示組合、相關(guān)鑒別器、圖像信號處理系統(tǒng)、指令變換器和電源組合。某型電視導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電視導(dǎo)引頭功能結(jié)構(gòu)圖

某型導(dǎo)引頭采用較老制式的掃描攝像管實現(xiàn)外界圖像到視頻電流信號的轉(zhuǎn)換過程。外界光線經(jīng)光學系統(tǒng)匯聚后照射到攝像管的光電陰極，光電陰極上將產(chǎn)生相應(yīng)的電子束，電子束在攝像管的前端加速后轟擊到中部的攝像管靶面上，靶面上將建立與入射圖像一致的電位圖像。

掃描攝像管后端設(shè)有受控的掃描線圈發(fā)射電子束在靶面上做之字形掃描，將靶面上的圖像點電位一一復(fù)位歸零，靶面上各像素點電位歸零時將輸出與原電位成比例的電流信號，此電流信號即為視頻電流信號。

掃描線圈參數(shù)固定，因此掃描的行場參數(shù)為已知參數(shù)，當目標出現(xiàn)后可根據(jù)行場掃描的時間定位目標在視場相對于中心的水平及俯仰偏差［2］。相關(guān)鑒別器實現(xiàn)目標偏航及俯仰位置偏差的測量并將偏差轉(zhuǎn)換為電壓信號。位置偏差信號送至導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)，在陀螺平臺姿態(tài)信號參考下，伺服系統(tǒng)將控制導(dǎo)引頭將目標迅速移至視場中心與光軸重合，達到目標跟蹤效果。電視導(dǎo)引頭工作原理如圖2所示。

圖2 電視導(dǎo)引頭工作原理示意圖

2 測試設(shè)備總體設(shè)計

電視導(dǎo)引頭綜合測試設(shè)備由通用測試平臺、專用設(shè)備、輔助設(shè)備組成。通用測試平臺包括工控機、VXI儀器、LAN總線臺式儀器和通用測試接口 (ICA)等。專用設(shè)備主要是測試適配器和測試線纜，測試適配器和測試線纜都是針對具體型號設(shè)計，各型號對象均配有各自專用的測試適配器和測試線纜。輔助設(shè)備包括測試轉(zhuǎn)臺、目標模擬器等。圖3給出了通用測試平臺的組成示意圖。

圖3 通用測試平臺的組成

ICA為設(shè)備測試資源按照一定規(guī)則分類排布的對外接口，測試資源不直接與被測對象相連而是通過測試適配器對資源進行調(diào)理、再分配后連接至不同的被測對象，實現(xiàn)了資源最優(yōu)化分配。ICA采用航天測控公司自研的SCA－8000A接口適配裝置其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測試對接結(jié)構(gòu)示意圖

測試接口［3］的標準化也使得測試設(shè)備間的測試一致性提高，便于實現(xiàn)測試系統(tǒng)間的互操作，及測試對象的擴展，從結(jié)構(gòu)和功能上保證擴展性。

3 測試設(shè)備工作原理

3.1 導(dǎo)引頭供電

測試設(shè)備集成多路程控直流電源和中頻電源，工控機通過局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制各臺式電源輸出或讀取實時電壓電流等數(shù)據(jù)。

多路程控直流電源主要用于導(dǎo)引頭供電、設(shè)備指令系統(tǒng)供電、適配器內(nèi)部調(diào)理電路供電等，各電源模塊輸出相互隔離且具有防倒灌保護，可進行兩路或多路并聯(lián)對外供電并自主進行均流操作。

中頻電源包括36 V/400 Hz、36 V/1000 Hz和115 V/1000 Hz電源，中頻電源用于導(dǎo)引頭陀螺、旋變模塊和預(yù)熱系統(tǒng)等供電，考慮測試中可能會用到兩路同一電壓/頻率的中頻電源，設(shè)計交流控制組合實現(xiàn)每臺中頻電源的一分二輸出，每路輸出配置輸出接觸器做物理隔離，接觸器之后通過交流電流傳感器監(jiān)測每路輸出的實時電流。

3.2 基本電量測量

設(shè)備采用數(shù)字多用表作為沒有實時性要求當精度要求高的靜態(tài)模擬量采集設(shè)備，采集的模擬量主要包括直流電壓、電流、電阻、頻率等基礎(chǔ)物理量，如二次電源產(chǎn)生的直流電壓、電流、交流電壓、電流、頻率以及導(dǎo)通電阻等信號量。實時性較高的模擬信號采用內(nèi)置于閉環(huán)控制器的并行AD卡實現(xiàn)。

電視導(dǎo)引頭基礎(chǔ)電量采集數(shù)量較多，部分型號基礎(chǔ)電量達200多路，因此測試設(shè)備采用多塊復(fù)用開關(guān)來切換信號通道，設(shè)備配4塊64選1復(fù)用開關(guān)實現(xiàn)多達256路模擬信號輸入通道，被測信號經(jīng)復(fù)用開關(guān)切換后首先進入信號調(diào)理設(shè)備經(jīng)過量程變換、信號隔離后再經(jīng)繼電器開關(guān)切換送入數(shù)字多用表或并行AD。

3.3 時序信號測量

導(dǎo)引頭中指令信號脈沖間隔測量、數(shù)字信號脈寬及周期測量、數(shù)字信號組時序測量采用測控公司自研計時計數(shù)模塊AMC2314實現(xiàn)。計時計數(shù)模塊具備時間間隔、脈沖寬度、脈沖技術(shù)等測量功能。根據(jù)被測信號性質(zhì)的不同，將被測信號劃分為低頻及高頻兩類信號，高頻信號在測試適配器內(nèi)作隔離衰減等調(diào)理，低頻信號在適配器內(nèi)做衰減后在信號調(diào)理設(shè)備內(nèi)再做隔離，兩種信號各分配4個信號通道。

3.4 指令信號發(fā)生

導(dǎo)引頭測試中用到的指令信號有兩種形式:一種是簡單的直流電平信號;另一種由飛行設(shè)備上指令接收機對遠程高頻指令解調(diào)后的脈沖指令信號。

直流電平信號指令在導(dǎo)引頭中以5 V及27 V電平為主用于內(nèi)部焦距切換、目標鎖定等操作，設(shè)備采用程控電源和C型繼電器模塊產(chǎn)生。

脈沖指令信號為機載吊艙設(shè)備對導(dǎo)引頭發(fā)出的高頻控制指令信號［4］，在系統(tǒng)調(diào)試時監(jiān)測指令接收機輸出脈沖，對其進行人工分析、解碼、歸納后形成指令表，針對特定導(dǎo)引頭型號設(shè)計專用指令脈沖發(fā)生電路［5］，指令脈沖發(fā)生電路由通訊接口電路、指令解析電路、時序發(fā)生電路、脈沖調(diào)制電路、功率放大電路組成。指令解析電路用于指令表中脈沖編碼的代號解析并生成對應(yīng)的數(shù)據(jù)，時序發(fā)生電路將生成的數(shù)據(jù)按特殊規(guī)則生成序列編碼，脈沖調(diào)制電路將序列編碼調(diào)制成可發(fā)射的窄脈沖信號，最后功率放大電路將窄脈沖信號進行放大并做輸出阻抗匹配。脈沖指令發(fā)生電路可設(shè)置輸出脈沖的功率大小從而對導(dǎo)引頭指令接收系統(tǒng)進行靈敏度測試。

3.5 角度信號測量與導(dǎo)引頭閉環(huán)控制

導(dǎo)引頭測試過程中需要給定及采集攝像頭的偏轉(zhuǎn)角度，不同型號導(dǎo)引頭的攝像頭偏轉(zhuǎn)角度測量方式不同，主要為電位傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器兩種測量方式，電位傳感器輸出模擬電壓或電流值，而旋轉(zhuǎn)變壓器則輸出幅度變換的交流信號。測量電位傳感器測量的角度信號時采用閉環(huán)控制器內(nèi)置的AD板卡做實時信號采樣;測量旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的角度信號則采用專用旋變模塊采集，旋變模塊直接將旋轉(zhuǎn)變壓器模塊輸出信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以IO口形式輸出給閉環(huán)控制器內(nèi)置的IO板卡。

設(shè)備采用閉環(huán)控制器作導(dǎo)引頭在線控制用，閉環(huán)控制器模塊集成DSP可以快速處理數(shù)據(jù)實現(xiàn)高效的閉環(huán)控制算法，在DSP的控制下可以同時控制多達8組閉環(huán)回路。各控制回路以PID算法為缺省控制算法［6］，用戶也可以自定義算法，各回路算法以文件形式下發(fā)到控制器，并在DSP內(nèi)實時運行，避免了上位機軟件控制實時性低的弱點。

3.6 圖像處理與顯示

部分型號導(dǎo)引頭輸出圖像為非標準模擬視頻信號，圖像信號由于掃描與調(diào)制方式特殊，在特定工作階段會產(chǎn)生幅值較大的脈沖干擾［7］，無法用現(xiàn)有圖像采集設(shè)備進行采集，設(shè)計圖像指令變換裝置將導(dǎo)引頭輸出的原始圖像信號進行調(diào)理，并按行場掃描周期產(chǎn)生與之對應(yīng)的同步信號，并將同步信號與調(diào)理過的圖像信號送入PXI圖像采集卡［8］，在測試軟件中對圖像進行翻轉(zhuǎn)與鏡像處理后顯示。

設(shè)備兼顧圖像發(fā)射機測試，以工控機副屏圖像為源，經(jīng)視頻轉(zhuǎn)換器將VGA信號轉(zhuǎn)換為標準PAL信號，輸出給圖像發(fā)射機，圖像發(fā)射機將源圖像調(diào)制為超高頻信號經(jīng)波導(dǎo)管送入設(shè)備上程控衰減器，衰減后的高頻信號通過圖像指令變換裝置下變頻為圖像信號再由圖像采集卡采集，實現(xiàn)對圖像發(fā)射機的圖像調(diào)制功能測試。

3.7 目標模擬

目標模擬器［9］用于模擬導(dǎo)引頭目標對象，分為靜態(tài)和動態(tài)目標模擬器。測試設(shè)備配備多種型號的靜態(tài)目標模擬器及通用動態(tài)目標模擬器。

靜態(tài)目標模擬器通常以平行光套筒的形式照在導(dǎo)引頭攝像管前端，目標模擬器內(nèi)部具有專用光源，光源點亮后經(jīng)光學聚焦系統(tǒng)使光線匯聚后照射在白光面板上，白光面板發(fā)出白色均勻光線，照射在蝕刻了目標圖形的通光板上，通光板產(chǎn)生十字靶標的線條與圖標，經(jīng)物鏡后就成為模擬的、日光下的無窮的目標輸出給導(dǎo)引頭攝像管進行靜態(tài)目標測試。

動態(tài)目標模擬器與靜態(tài)目標模擬器原理類似，利用液晶板代替目標通光板，且物鏡視場可變。液晶板可在視頻驅(qū)動器作用下產(chǎn)生動態(tài)目標，目標可通過軟件生成各種場景中運動視角下的建筑、車輛、船只等。通過物鏡的視場變換實現(xiàn)導(dǎo)引頭光學系統(tǒng)近焦與遠焦切換時視場配合。動態(tài)目標模擬器接收導(dǎo)引頭輸出的姿態(tài)控制信號 (經(jīng)綜控機解算)形成閉環(huán)實時調(diào)整目標在視場中的位置，導(dǎo)引頭鎖定目標后始終跟蹤目標實現(xiàn)導(dǎo)引頭在線動態(tài)測試。

4 設(shè)備軟件平臺介紹

電視導(dǎo)引頭綜合測試設(shè)備軟件平臺采用航天測控技術(shù)有限公司自主研制的VITE(Vitual Instruments Test Environmemt)——虛擬儀器測試環(huán)境［10］，它是一套面向大型自動化測試系統(tǒng)的通用測試程序開發(fā)、運行和系統(tǒng)集成平臺。該應(yīng)該用環(huán)境為以S－R(激勵－響應(yīng))模式工作的測試過程提供了一個通用、完備的系統(tǒng)解決方案。

VITE軟件平臺包括儀器管理模塊、TPS開發(fā)模塊、測試執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)分析管理、測試程序發(fā)布工具測試驅(qū)動程序、主控與客戶端程序等功能模塊。儀器管理模塊用于對懸浮導(dǎo)向控制試驗臺的測試儀器管理資源進行管理和處理，配置試驗臺系統(tǒng)中的測試儀器資源;測試程序開發(fā)模塊可以完成對各個測試臺的測試程序開發(fā)工作，將測試執(zhí)行的過程、測試動作、狀態(tài)監(jiān)控信息進行定義并生成至測試程序文件;測試執(zhí)行模塊實現(xiàn)流程的執(zhí)行與測試狀態(tài)監(jiān)控;數(shù)據(jù)分析管理模塊對測試結(jié)果數(shù)據(jù)進行存儲、顯示與分析功能，以標準規(guī)范的格式進行存儲供用戶查閱和導(dǎo)出;測試程序發(fā)布工具實現(xiàn)各個測試程序的打包發(fā)布功能，發(fā)布后的測試程序內(nèi)容對外不可見，程序主要提供測試執(zhí)行和測試結(jié)果查看，實現(xiàn)獨立運行的測試程序功能;測試程序驅(qū)動完成試驗臺中測試資源、測試儀器模塊、控制模塊等模塊的驅(qū)動開發(fā)與程序控制，可在測試儀器管理中進行管理;主控與客戶端程序分別對系統(tǒng)側(cè)主控程序和客戶端程序進行控制與運行，實現(xiàn)主控平臺與各試驗臺中客戶端的信息交互，完成系統(tǒng)級測試流程的測試執(zhí)行，獲取系統(tǒng)運行狀態(tài)與測試結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖5 測試程序開發(fā)與測試執(zhí)行軟件平臺體系結(jié)構(gòu)

VITE軟件主要針對大型自動化設(shè)備在研制、維修過程中的測試程序自動生成要求，采用了虛擬儀器技術(shù)、虛擬系統(tǒng)和系統(tǒng)建模技術(shù)、語法定義和分析技術(shù)、測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、IVI技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，最終研制開發(fā)出適應(yīng)大型自動化設(shè)備雜測試需求的測試程序。軟件平臺具備系統(tǒng)設(shè)備配置、測試流程開發(fā)、測試任務(wù)開發(fā)、測試執(zhí)行管理、數(shù)據(jù)報表管理等主要功能。主要技術(shù)指標有自動開發(fā)向?qū)А⒔缑婀芾?、日志管理及程序自動生成等，達到國內(nèi)通用測試軟件的領(lǐng)先水平。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 導(dǎo)引頭控制技術(shù)

現(xiàn)代電視導(dǎo)引頭大多裝有陀螺穩(wěn)定平臺，該平臺的閉環(huán)控制比較復(fù)雜，且不同廠家的控制原理及算法各不相同。開發(fā)人員從各型導(dǎo)引頭控制信號的特點、反饋信號的特征總結(jié)各類控制的激勵響應(yīng)信號特征，使該設(shè)備滿足各類控制要求。由于導(dǎo)引頭的控制具有高實時性要求，硬件設(shè)備具有實時閉環(huán)功能，提供PID、自適應(yīng)等多種經(jīng)典控制算法和模糊邏輯［11］、神經(jīng)元等多種現(xiàn)代控制算法，同時可根據(jù)具體要求，下載自編的最優(yōu)算法。

5.2 導(dǎo)引頭控制、信號處理算法

各型號導(dǎo)引頭控制算法各不相同，在分析研究各型號導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)、電路基礎(chǔ)上研制開發(fā)了各型號導(dǎo)引頭控制算法，滿足多種型號導(dǎo)引頭控制需求。

5.3 故障診斷算法

研制開發(fā)適合各型號光學導(dǎo)引頭診斷維修的故障診斷算法，建立診斷專家?guī)?，在軟件設(shè)計時采用故障診斷專家系統(tǒng)，將平時實裝操作訓(xùn)練發(fā)現(xiàn)的故障輸入故障庫，建立鏈接資源共享，使導(dǎo)引頭的故障定位達到板級甚至器件級。具體設(shè)備實施中基于故障樹和分層的故障診斷方法根據(jù)被測導(dǎo)引頭的類型和特點采用有針對性的診斷方法。對于診斷知識庫，包括導(dǎo)引頭各獨立板件的故障知識、正常知識，獨立板件知識庫可增加、修改、刪除及優(yōu)化知識節(jié)點。推理機采用基于普通推理、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯結(jié)合的綜合智能推理機，即可提高診斷推理速度，同時也可以提高故障隔離的精度。

6 結(jié)束語

該測試設(shè)備以多種型號電視導(dǎo)引頭為主要研究對象，運用VXI、LAN等多總線技術(shù)以及虛擬儀器、專家系統(tǒng)技術(shù)，在對導(dǎo)引頭機電部件進行詳細分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了設(shè)備的通用硬件平臺，建立了診斷專家?guī)?，開發(fā)出了電視導(dǎo)引頭綜合測試設(shè)備。經(jīng)用戶驗收后長期使用，該設(shè)備綜合性強、穩(wěn)定性好、準確率高，實現(xiàn)了多種型號電視導(dǎo)引頭的獨立測試、指標檢定、故障定位，極大的提高了技術(shù)人員對電視導(dǎo)引頭的維修與保障能力。