某型捷聯(lián)激光導引頭網(wǎng)格化標定研究

陳青貴

摘 要：為解決某型捷聯(lián)激光導引頭軸向標定測角誤差大的問題，研究如何使用現(xiàn)有設(shè)備進行測角精度更高的網(wǎng)格化標定。采用逐點極坐標轉(zhuǎn)換的方法獲取網(wǎng)格化標定點的轉(zhuǎn)臺運動坐標，項目得以實施。在研究過程中，解決了網(wǎng)格化標定時因轉(zhuǎn)臺重復往返運動以及轉(zhuǎn)臺需要多次進行歸零操作而導致網(wǎng)格化標定消耗時間太長問題。最終順利將該型激光導引頭網(wǎng)格化標定落實于實物并應(yīng)用于生產(chǎn)，大幅提高了該型激光導引頭的制導精度。

關(guān)鍵詞：捷聯(lián);激光導引頭;網(wǎng)格化;標定

中圖分類號：TG333 ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：1003-5168（2022）7-0015-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.003

Abstract： To reducing the error of a strapdown laser seeker angle output， a new angle calibration method should be applied on the existing equipment. By using coordinate transformation， the target could be reached. However， the time consumption of new calibration is too long. This is because of the turntable having too many times to-and-fro movement and reset operation. Through reordering the angle calibration， the problems were solved. Finally， the gridding angle calibration of this laser seeker is successfully applied in the production， and it greatly improves the guidance precision of this laser weapon.

Keywords： strapdown; laser seeker; gridding; calibration

0 引言

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，激光制導技術(shù)已經(jīng)十分成熟[1]。目前世界上出現(xiàn)了種類眾多的激光制導武器[2]。某型捷聯(lián)激光導引頭具有結(jié)構(gòu)緊湊、線性視場大、成本低廉等優(yōu)點，具有廣闊的市場前景。該型捷聯(lián)激光導引頭在初期采用的是軸向標定法。軸向標定后導引頭測角誤差分布情況如圖1所示，從圖中可看出，在標定軸向的測角誤差較小，但是在其他方位的測角誤差偏大甚至難以接受。導引頭測角誤差大嚴重影響了激光制導武器的制導精度，甚至可能會使武器無法完成戰(zhàn)斗任務(wù)[3]，有文獻對激光導引頭測試和標定系統(tǒng)進行了大量有用的研究[4-5]，但是新建一個激光導引頭標定測試系統(tǒng)要耗費大量的時間與資金，這樣任務(wù)難以保證完成。因此，亟須研究一種利用現(xiàn)有生產(chǎn)條件能大幅提高導引頭測角精度的標定方法。

1 捷聯(lián)激光導引頭基本原理

如圖2所示，導引頭光學系統(tǒng)接收被攻擊目標反射的脈沖激光（遠距離點光源，可作平行光處理）匯聚到后離焦的四象限探測器上。如圖3所示，激光在探測器上形成圓形光斑，系統(tǒng)設(shè)計光斑直徑約為探測器直徑一半。當目標反射的激光（平行光）與光學系統(tǒng)中軸偏離時，四個激光探測器接收的能量就存有差異。設(shè)激光探測器輸出的電壓分別為Ua、Ub、Uc、Ud。通過公式（1）（2）可以得出不同入射角與探測器電壓的關(guān)系。式中θY和θZ是計算的光線入射角在探測器直角坐標平面YOZ中坐標軸向分量。導引頭經(jīng)標定系統(tǒng)標定即可確定計算角度和實際角度的對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過標定后的導引頭方可用于實際角度的測量[6]。

2 網(wǎng)格化標定

網(wǎng)格化標定法是對導引頭的線性區(qū)進行標定的一種方法，可以實現(xiàn)在導引頭指標范圍內(nèi)對所有關(guān)鍵點因理論、裝配和材料等引起的測量誤差進行校正，網(wǎng)格化標定具體步驟如下。

①將目標線性區(qū)±10°按照俯仰和偏航輸入值進行二維網(wǎng)格化，形成441個測試點，參照圖4。圖中空心圓點是常規(guī)軸向標定法標定的點，網(wǎng)格化標定的點是圖4中所有的圓點。

②逐個測試二維網(wǎng)格點（圖4的圓點坐標位置）導引頭計算的俯仰和偏航的輸出值，形成輸入與輸出對應(yīng)的兩個矩陣（俯仰矩陣和偏航矩陣）。

③使用時，導引頭先根據(jù)采集的信號分別計算俯仰和偏航初值，然后通過俯仰矩陣和偏航矩陣查表確定實際輸入所在的區(qū)間，最后經(jīng)過線性插值的方法獲得實際的俯仰和偏航輸入角。

從圖4可以看出，網(wǎng)格化標定相比軸向標定，標定點數(shù)量增加了10倍，但是網(wǎng)格標定能解決常規(guī)軸向標定后非軸向的測角輸出誤差大的問題，能極大地減小導引頭的測角誤差。

3 網(wǎng)格化標定

3.1 格標定偽代碼

根據(jù)上文給出的導引頭網(wǎng)格標定的步驟，其中的①②項屬于網(wǎng)格標定的過程，③是導引頭內(nèi)部軟件實現(xiàn)過程。所以①②項使用偽代碼描述如下。

//網(wǎng)格化標定偽代碼開始。

轉(zhuǎn)臺俯仰回零;//Y軸向

轉(zhuǎn)臺方位回零;//Z軸向

for（i=-10，i<=10，i++）

{for（j=-10，j<=10，j++）

轉(zhuǎn)臺俯仰位置=i;

轉(zhuǎn)臺方位位置=j;

等待轉(zhuǎn)臺到位;

讀取導引頭俯仰輸出值Yout;

讀取導引頭方位輸出值Zout;

標定矩陣Y[i+10，j+10]=Yout;

標定矩陣Z[i+10，j+10]=Zout;

}

}

//網(wǎng)格標定偽代碼結(jié)束。

從偽代碼可以看出，如果轉(zhuǎn)臺能夠直接給導引頭提供俯仰和方位兩個軸向的方位角輸出，網(wǎng)格標的實現(xiàn)程序會很簡便。

3.2 直角坐標轉(zhuǎn)極坐標

該型激光導引頭標定系統(tǒng)依照常規(guī)軸向標定原理設(shè)計，轉(zhuǎn)臺只有一個方位轉(zhuǎn)臺和一個橫滾轉(zhuǎn)臺。標定設(shè)備的方位轉(zhuǎn)臺給導引頭提供軸向的方位角輸入，橫滾轉(zhuǎn)臺可讓導引頭滾動從而實現(xiàn)軸向的切換。這樣導引頭標定系統(tǒng)在俯仰和方位兩個軸向都能給導引頭提供方位角輸入，從而完成導引頭的軸向標定及測試。

該標定系統(tǒng)無法完成3.1中的功能，無法同時在兩個軸向給導引頭提供角度輸入。但是一個橫滾轉(zhuǎn)臺和一個方位轉(zhuǎn)臺可理解為極坐標形式。如圖5所示，橫滾轉(zhuǎn)臺提供θ輸入，方位轉(zhuǎn)臺可提供r方位的輸入。因此，該標定系統(tǒng)可通過極坐標形式完成網(wǎng)格化標定任務(wù)。

參照圖5，針對網(wǎng)格化標定的每個位置（i，j）都可將其轉(zhuǎn)換為（r，θ），轉(zhuǎn)換公式按i的大小分三種情況如下。

①i>0時

j>=0時（第一象限）

r=sqrt（i2+j2）;θ=arctan（j/i）;

j<0時（第四象限）

r=sqrt（i2+j2）;θ=2*π+arctan（j/i）;

②i=0時

j>=0時

r=j;θ=π/2;

j<0時

r=-j;θ=3*π/2;

③i<0時（第二、三象限）

r=sqrt（i2+j2）;θ=π+arctan（j/i）;

4 網(wǎng)格化標定的實現(xiàn)

按照3.2的分析，導引頭標定系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺按極坐標形式可以實現(xiàn)導引頭網(wǎng)格標定，實現(xiàn)的偽代碼如下。

//網(wǎng)格標定偽代碼開始。

轉(zhuǎn)臺橫滾回零;

轉(zhuǎn)臺方位回零;

for（i=-10，i<=10，i++）

{

for（j=-10，j<=10，j++）

{

直角坐標（i，j）轉(zhuǎn)極坐標（r，θ）;

轉(zhuǎn)臺方位位置=r;

轉(zhuǎn)臺滾轉(zhuǎn)位置=θ;

等待轉(zhuǎn)臺到位;

讀取導引頭俯仰輸出值Yout;

讀取導引頭方位輸出值Zout;

標定矩陣Y[i+10，j+10]=Yout;

標定矩陣Z[i+10，j+10]=Zout;

}

}

按照上面?zhèn)未a即可便捷實現(xiàn)導引頭網(wǎng)格標定的程序設(shè)計，但是在實現(xiàn)過程中卻發(fā)現(xiàn)幾個比較大的問題。

4.1 網(wǎng)格化標定實現(xiàn)的難題

4.1.1 橫滾轉(zhuǎn)臺往復運動，耗時長。以上文4中所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)運行時，橫滾轉(zhuǎn)臺θ值會有往復運動，如圖6所示。

當初橫滾轉(zhuǎn)臺設(shè)計只是為了給導引頭提供通道切換，只對位置精度有要求，對轉(zhuǎn)臺的運行速度要求不高。當橫滾轉(zhuǎn)臺往復運動時，橫滾轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的角度量增加，運行的時間大大增加，以此方法完成一枚導引頭網(wǎng)格化標定耗時接近4個小時。

4.1.2 橫滾轉(zhuǎn)臺運轉(zhuǎn)超100°，回程需要歸零。從圖6可以看出，一開始轉(zhuǎn)動角度就會超過100°，由于標定設(shè)備設(shè)計之初只要求轉(zhuǎn)動范圍為±100°，采購的轉(zhuǎn)臺在轉(zhuǎn)動超過100°時，無法直接進行回程操作，如要進行回程操作需要先進行歸零操作。比如從185°轉(zhuǎn)到145°位置時，轉(zhuǎn)臺需要先進行歸零操作（找轉(zhuǎn)臺機械零位），然后在轉(zhuǎn)到145°位置，轉(zhuǎn)臺每次歸零操作要轉(zhuǎn)動350°左右，耗時大概3 min。

按照上文所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)運行時，橫滾轉(zhuǎn)臺需要來回往復，轉(zhuǎn)臺大概需要20多次回程操作。橫滾轉(zhuǎn)臺僅歸零耗時就超過60 min。

4.2 網(wǎng)格化標定實現(xiàn)方法改進

考慮到該系統(tǒng)橫滾轉(zhuǎn)臺是導引頭網(wǎng)格標定過程中的瓶頸，需要減少橫滾轉(zhuǎn)臺的往復運動及歸零操作;將網(wǎng)格標定的441個點的極坐標形式（r，θ）都計算出來，按θ進行排序，讓橫滾轉(zhuǎn)臺從0°向360°逐點運動，這樣在標定過程中橫滾轉(zhuǎn)臺不需要往復運動和歸零操作，能極大提升標定效率。

圖6是網(wǎng)格標定點按順序標定時θ值的變化情況，可見θ值有21次往復運動，每次都有超過100°的角度值，往復運動需要進行歸零操作。

圖7是將網(wǎng)格標定的點按極坐標（r，θ）的θ值進行升序排列，網(wǎng)格標定按照θ值的順序進行標定，這樣橫滾轉(zhuǎn)臺總的運動角度不會超過360°，運行時間短。另外，運行過程中不需要往復，橫滾轉(zhuǎn)臺只需要標定完畢后進行一次歸零操作即可回零。這樣可大大節(jié)省標定時間。

因此，改進的網(wǎng)格標定方法使用偽代碼表述如下。

//網(wǎng)格標定偽代碼開始。

轉(zhuǎn)臺橫滾回零;

轉(zhuǎn)臺方位回零;

for（n=1，n<=441，i++）

{

從表格中讀取新序號n行的極坐標（r，θ）;

從表格中讀取新序號n行的網(wǎng)格點坐標（i，j）;

轉(zhuǎn)臺方位位置=r;

轉(zhuǎn)臺滾轉(zhuǎn)位置=θ;

等待轉(zhuǎn)臺到位;

讀取導引頭俯仰輸出值Yout;

讀取導引頭方位輸出值Zout;

標定矩陣Y[i+10，j+10]=Yout;

標定矩陣Z[i+10，j+10]=Zout;

}

轉(zhuǎn)臺滾轉(zhuǎn)歸零;//橫滾轉(zhuǎn)臺運行超過100°，須歸零回位處理。

轉(zhuǎn)臺方位回零;

//網(wǎng)格標定偽代碼結(jié)束。

5 試驗結(jié)果

通過以上工作，該型捷聯(lián)激光導引頭全新的網(wǎng)格化標定法在原有標定設(shè)備上部署完成。為檢驗研究效果，對同一導引頭的測角誤差數(shù)據(jù)進行對比分析。按軸向標定法，導引頭的測角誤差如圖1所示，采用網(wǎng)格化標定法后導引頭的測角誤差分布如圖8所示。

對比圖1和圖8得到以下3個結(jié)果。

①軸向標定的誤差角較大且分布不均，一般入射角越大誤差角越大，不同方向誤差分布差異較大。

②網(wǎng)格化標定測得的誤差角較小，在線性區(qū)內(nèi)分布平坦。

③網(wǎng)格化標定法的誤差角明顯小于軸向標定加二維補償法。

6 結(jié)語

項目通過對某型激光導引頭原標定設(shè)備進行一些微量的優(yōu)化改動，實現(xiàn)了導引頭的網(wǎng)格化標定，大幅提高了該型激光導引頭的測角精度。對標定順序的優(yōu)化，解決了轉(zhuǎn)臺多次往復運動、需多次歸零操作等浪費時間的難題，使導引頭網(wǎng)格化標定得以工程化實施，從而大幅提高了該型激光制導武器生產(chǎn)條件，保障了武器裝備的優(yōu)良性能。

參考文獻：

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[5] 張莉莉.半主動捷聯(lián)式激光導引頭測試系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2019.

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