运载火箭发射瞄准仪的脉冲光源调制.doc

运载火箭发射瞄准仪的脉冲光源调制 1.基本光学原理 本系统的光学原理和普通光学自准直仪相似。如图2所示。光源采用可见光半导体激光器，光敏元件采用线性光电位置传感器并放在返回光路的物镜焦平面上被瞄棱镜的返回光束在上形成光焦点。在准直状态下，光焦点处于中心，被瞄棱镜转动时光焦点将沿着敏感轴左右移动。3.2.线性光敏元件 由于半导体技术的发展，已有可能利用新的光电器件对目前瞄准系统进行彻底改进。其中，利用CCD光电图象传感器作为瞄准系统的光敏元件就是一个例子CCD器件可将连续的图象信 光敏面BA 光焦点 C 图 2 号进行线性离散化处理。采用图象处理方法可克服原来通过光能差确定瞄准信号而造成的因光强变化引起的瞄准误差；而线性化处理克服了原来的非线性特性，并实现了直接数字化。然而由于CCD离散化的分辨率及帧扫描速度的限制及硬件、软件比较复杂，因而限制了它的使用(其它一些缺点见表1)。 直线PSD是一种PIN光敏二极管构成的三端连续线性位置传感器。其响应速度达微秒级，线性度达0.5%。如图2. A、B为左右输出端，C为公共端。当有光照到光敏面上时，A、B两端分别产生光电流IA 、IB。两个电流之差(再除以两个电流之和)比例于光焦点在AB轴线上偏离光敏面中心的距离x.，.两个电流之和比例于照射的光强。输出电流与入射光强有良好的线 (1)性关系。信号处理极为简单。因此用它作为瞄准信号光电传感器比CCD更为适合。 和值I=IA + IB正比于PSD上接收到的总光能量。经过处理的和值信号可作为瞄准信号的敏区指示信号。此外。为了消除光强对瞄准信号与偏差角之间相对关系的影响，和值可用来对差值进行补偿。例如可用软件完成(1)中的除法运算。2光调制和信号处理2.1.机械调制及信号处理 为了消除背景杂光及其他干扰，光电信号系统通常需要某种调制处理。例如目前瞄准仪是采用机械斩波器对出射光进行斩波调制。斩波后的光电信号近似于方波，占空比近似为1:1以保证有最大的基波分量。信号经隔直和带通滤波取出基波分量而滤除直流和其他干扰，再经检波和平滑而获得直流信号。如果把检波直流与基本信号峰值之比定义为光信号的利用率，则此时信号利用率为4/。如果把调制后出射的平均光强与未调制出射的光强之比定义为调制光出射率，则此时出射率为50%。 为了减少工频干扰,上述调制频率必须避开50HZ及其倍频。对工频及其倍频的衰减取决于带通滤波器Q值。此外，由于机械结构的限制，机械调制频率不可能做得很高。 当然，为了获得具有水平相位扫描的调制光信号并由此获得目标棱镜的平移信息，采用机械调制是合理的。这是在实现自动跟踪瞄准系统中使用的方法.2.2.光脉冲调制 本文提出的瞄准原理中，使用可见光半导体激光器作为固态光源，光电线性位移传感器PSD为光敏元件。半导体激光器可以很容易采用简单的低压电流调制，调制频率可达1MHZ以上。特别是当使用窄脉冲调制时，脉冲峰值功率可为额定(平均)值的若干倍。但由于在一个调制周期内发光的时间只是很短的一瞬间，平均发光功率仍可比额定功率低很多(例如1/101/100)，从而大大提高了光能利用率。光源发热少，有利于光束的热稳定，这对于保证瞄准精度来说是非常重要的。 由于PSD的响应速度高，脉冲占空比宽度调制的变化范围可以作得很大，而人眼睛对高频变化光源的视觉作用只和光源的平均发光强度成正比，因此利用光脉宽调制可以在不改变光脉冲强度(调制信号不变)条件下连续改变占空比来改变视觉亮度。2.3.同步采样保持处理 为了更有效的利用半导体激光器具有调制简单的特点，采用窄脉冲调制是合理的。由于这种调制方法可获得很高的光脉冲峰值，但其平均值和基波分量却很低，因此不能再采用带通滤波放大来提取基波分量的处理方法。此时采用峰值采样和保持的方法最为有效。 采样保持器是一种对信号的瞬时值进行采样并保存这个瞬时值直到下次采样时为止。而两次采样间隔内的信号变化与采保器的输出无关(对于零阶采保器是如此)。采保器除去有输入和输出端之外，还有一个采样控制端，输入(瞬时)采样脉冲信号，以便控制采保器进行瞬时采样。可见，为了对脉冲调制光信号进行采样，采样控制脉冲信号必须与被采样的信号例如光脉冲同步出现。 由于采保器直接对峰值进行采样，因此从理论上讲，根据上述关于调制光出射率的定义，其率光出射率总是大于1。 从原理上讲，当输入为稳定直流信号时，采保器的输出波形也为平稳的直流；当输入信号慢变化时，采保器输出为阶梯波，因此很容易将其平滑。 上述信号处理是通过硬件电路完成的，如果能使用AD变换和CPU，则上述信号的采样保持处理可用软件实现。例如使用内部带有(10位或10位以上)的CPU可大大简化硬件设计。2.4. 共模信号的处理 无论是原系统的双光敏元件接收还是使用光电位置传感器PSD，为了获得瞄准信号，光敏元件均有左右两路输出，而有用的瞄准信号只是两者的差。对瞄准信号来说，共模分量是干扰分量。通常，共模分量往往比差模分量大得多，尤其是内调制杂光干扰和工频干扰中存在着大量的共模分量，如果不在前级进行处理，而是不分青红皂白地把存在着大量共模分量的光电信号放大数百甚至数千倍(目前的瞄准信号处理方式即是如此)，将会轻易造成末级饱和而破坏系统的正常工作。为此本系统在前级将左右两路信号进行取差处理从而全部消除共模分量。取差后，放大电路从双路变为单路。 应该指出，无论是使用硬件还是软件完成采保和取差处理，前级I / V变换和消除共模信号的模拟电路都是必须的。2.3.剩余内调制杂光的处理 利用取差的方法消除了大部分内调制杂光之后仍然可能会存在部分剩余分量也即内调制杂光中的差模分量。此分量将造成瞄准信号的零位偏移，偏移量将随着光源强度的变化而变化。 为了补偿这种干扰，可以从半导体激光器内的光敏元件所输出的调制信号中取出与光源强度成正比的调制信号(经过适当衰减)加(或减)到瞄准回路中，用以抵消内调制杂光中的差模分量。由于补偿量能和被补偿量的强度是同步变化的所有不受光源强度变化的影响。 当然，这种处理方法仍然是建立在线性叠加原理的基础上的。2.4.背景光的抑制 当光源发出窄脉冲调制光时，光敏元件PSD接收到的光信号为： (2)式中 与目标棱镜失调角成正比的瞄准信号分量 内调制杂光分量 慢变化的背景杂光(差模)和电路中的直流分量 周期性干扰分量的谐波幅值 周期性干扰分量的基波周期 噪声分量 当背景光的变化频率比调制频率低得多，则在一个调制周期内可认为是相等的。如果在一个周期内对光电信号进行两次采样，前次采样只对光源不发光状态采样并获得采样值U1，后采样则对光脉冲发射的瞬间进行，并获得采样值U2。两次采样脉冲宽度相同，为DT。为了消除背景光的影响，可将两个采保值相减，则差值中不再含有慢变化的背景光干扰及前级直流(漂移)信号。见图3。 不难看出，这种同步采保和取差处理过程实际上是一种特殊的同步鉴相过程。而信号通过同步鉴相处理即具有一定的选频作用。3. 调制(或采样)频率的选择3.1.最低采样频率 根据采用定理，采样频率必须比被采样信号中的最低有用频率高出2倍以上。由于瞄准信号的变化频率实际是被瞄棱镜的方位转动频率，此频率通常在几个赫兹以下，除非平台产生高频抖动。采样频率过低将造成瞄准系统响应速度太慢(采系统的响应时间不会比采样周期还短)，在采用闭环自动瞄准时将发生困难。因此,，采样频率应尽可能选择较高值，如几十赫兹以上。5.2.工频同步调制原理 上述分析指出，只要被采样的信号在前后两次采样的瞬间值相等或相近，则通过不断将前后两次采保信号相减即可滤除慢变化的背景光和其他直流分量，如50HZ正弦 同具有隔直流作用的交流放大器。但对于信号中存在的交变分量，其中主要是工频50HZ及其倍频，以及内调制杂光干扰信号则无法处理。由于工频干扰分量具有相对稳定的相位和幅值，因此当脉冲调制频率和工频同步时，将使前后两次采样的瞬间工频干扰的瞬时值相等，通过取差后尤如直流分量而被全部滤除。见图3 。 采用工频同步调制消除工频干扰，需要满足两个条件：一是调制频率与工频同步，二是前后两次采用之间相差半个工频周期。这样，每个采保器的采样频率将是工频的二分频。至于调制脉冲与工频之间的初始相位差则是无关紧要的，这一点也是十分主要的。 此外，工频同步调制可避免由于工频与调制频率之间的频率差而产生的拍频干扰.。 原机械调制系统为了抑制工频干扰，采用带通滤波器，要求调制频率避开工频及其倍频；而工频同步调制抑制工频干扰的方法则与之截然不同，其效果也不同。前者只能部分地衰减工频干扰(视带通滤波器的带宽而定)，后者则理论上可将工频及其倍频干扰全部滤除。见附2。 t 50HZ方波 25HZ方波 T0/2 T0 前采保(无光) 图3 准直输出前采保后采保放大I-V变换 SH11 SH12PSD和值输出 SH21 SH22无光采样脉冲发光采样脉冲脉冲调制 光源 图43.3.工频同步调制脉冲的获得方法 为了得到前后两个采保器的采样控制脉冲，首先应把来自工频的正弦信号通过过零比较器变换为方波后再进行二分频为25HZ的方波。如图3。前后两个采样控制脉冲则由两个单稳产生。(如果此波形由软件产生则是非常简单的)显然，此时对瞄准信号的采样频率已是25HZ了。 当采用机械调制时，调制器的激励必须为工频。在使用同步电机调制时，为了避免分频，可选用级对数为2的电机，直接获得25HZ的调制频率。3.4.提高响应速度的方法 有时使用25HZ的调制频率显得系统响应速度过低，可设法提高采用速度。例如，欲将采用速度提高10倍，则可将25HZ的前半个周期等分成10份(不必从相位为0时开始)作为10个前采样值，分别为S10，S11S19，将后半个周期也等分10份作为10个后采样值，S20，S21，S29，这20个采样值分别被存储。而输出为DUi=U2i -U1i。这里所谓的等分脉冲并非要求把半个周期正好等分，但要求S1i 与S2i的两次采样间隔时间正好等于工频的半个周期。显然，此工作很容易用微机来完成。 采样速度提高后，系统的响应速度也就提高了。此时输出直流的纹波也将减小，这对于闭环自动瞄准是有意义的。4数字化和简单智能化设计问题4.1.软件控制问题 由于使用了线性光电传感器和脉冲调制，因此系统可实现数字化。使用微处理器(尤其是内部含有AD的)则很容易完成同步采样脉冲的输出、信号的采样和保持、存储、求和、取差、完成除法、内调制杂光的补偿、数字调零、瞄准信号的数字显示和传输等。4.2.某些智能化设计 适当增加一些接口电路和相应的软件，系统可实现简单的智能化. 4.2.1.光强度的自动调节 当瞄准仪的光源强度和瞄准偏差角给定时(在瞄准信号敏区之内且敏区边缘除外)，瞄准信号的强度和信噪比与返回光强成正比。由于瞄准距离的改变以及光线传播过程的衰减变化(如大气能见度的变化等)，将会影响返回光强并造成瞄准误差。 通过采集“和值”信号并与给定值比较，然后根据差值去调节激光驱动电路的光强控制端，可实现光源强度的自动调节。由于光强变化会影响PSD的差值输出，为此需要设法进行补偿。此外还必须处理返回光焦点在PSD左右两个边缘出现切割时产生的光强变化问题。4.2.2.出射光视觉亮度的自动调节 由于光电瞄准仪的敏区有限，瞄准系统开始工作时往往需要进行目视敏区搜索或监视，此时较高的出射光亮度是有利的，即要求在敏区之外时，光源发出高亮度调制光(即加亮状态)，而在敏区之内则为低亮度。4.2.节曾指出，改变调制光的宽度即可改变出射光的视觉亮度，而通过CPU实现敏区判断和改变脉宽是很容易的。当然此时只能使用可见光光源. 这里应该指出，由于在脉宽调制过程中并不改变有光采样脉冲所对应的瞬时出射光脉冲的强度，因此在上述视觉亮度变化时瞄准光信号的强度是不会受到影响的。 为了便于目视搜索，上述加宽调制可采用间歇加亮方式即形成闪烁加亮控制。这样，瞄准系统一旦丢失敏区，则瞄准仪将自动发射闪烁的高亮度调制光。当返回光信号进入瞄准敏区时自动变为低亮度调制光以减少光源发热提高光源稳定性。4.2.3.双光源和自动光源转换 为了提高瞄准仪的可靠性可采用双光源(或多光源)系统。两个光源分时工作，在软件内同时存在两个相互独立的瞄准回路，其中一个为“在线回路”，提供现时输出瞄准信号，另一个为备份回路。当在线回路发生故障时自动将备份回路送出。和值可用来判断光源的故障。6.2.4.目标丢失后的自动搜索 在闭环自动瞄准系统中，可通过“和值”来检测目标是否在敏区之内，当发现目标丢失后，自动给出方位搜索信号，控制平台进行方位搜索，直到目标进入敏区，完成目标的锁定。4.2.5. 闭环自动瞄准和动态校正 当采用闭环自动瞄准时，为了既能保证瞄准系统有足够的稳态精度又能获得良好的闭环动态特性，系统闭环校正回路是不可少的。此校正回路可由软件实现。此外，为了补偿地球自转角速度垂直分量的影响，可在软件内加入积分环节或直接由软件生成地速补偿信号进行补偿。4.2.6.小角度射向变换 由于使用了线性光电位置传感器, 当瞄准距离和光源强度及返回光信号强度不变时，瞄准仪的角度测量特性为稳定的线性特性，因此可以通过加入数字偏置量完成小角度(如线性敏的1/3)射向变。使用射向变换之前上述线性特性的系数应预先测定。4.2.7. 瞄准信号晃动的数字滤波 调制光信号在穿过大气时除去被衰减之外还由于大气抖动造成瞄准信号抖动(抖动频率通常在10HZ以下)，严重时将造成很大的瞄准误差，或在闭环自动瞄准时形成系统振荡。为此，可在软件系统内加入低通数字滤波抑制这种干扰。4.2.8. 光电曲线的自动检测 如果数字式瞄准仪和具有水平电子度盘的棱镜装置通过微机连接起来，则可实现快速光电曲线的自动检测，其测量结果与出厂时存储在数据库中的标准特性曲线进行自动比较，并给出所测曲线是否合格的判断。 4.2.9.平移导轨精度的自动检测和自动补偿 通常，瞄准仪平移导轨的平直度要求在5左右，这对于长度大于200mm的导轨来说，其加工和检测均是十分困难的。而利用微机控制的数字式瞄准仪可实现平移导轨精度的自动检测和自动补偿。为此需在平移导轨上安装一平移位置传感器(如直线塑料电位计)测量移动负载(即瞄准仪)的位置,瞄准仪在导轨平移过程中沿导轨方向准直一个参考棱镜。检测时，移动导轨,，同时记录瞄准仪在导轨的位置和此位置(如，每毫米采样一个)所对应的准直信号，将其对应数据列表存储。使用时，根据实际位置，读取对应准直误差值,将此值作为瞄准信号修正量完成对平移导轨的补偿。这样可大大降低平移导轨的加工精度要求并简化导轨检测过程。 性 能 对 照 表 原 系 统 CCD系统 本 系 统 光敏元件 硅光电池 (左中右) CCD (多元阵列) PSD(属光电二极管)光敏元件供电方式 不需供电,无热漂移 必须供电,有热漂移 不需供电,无热漂移 敏感元件响应速度 微秒级 毫秒级 微秒级 瞄准信号通道数 双通道 串行单通道 单通道 线性特性属于本质非线性特性,不可数字化 离散线性直接数字化 分辨率低 连续线性可数字化 分辨率高 零位调节 因非线性,原理上不可调 可数字调零 可连续或数字调零 光 源 白炽灯或氦氖激光器 不限 可见光半导体激光器 调制方式和光源热稳定 机械斩波 无需调制 窄脉冲调制，平均发热功率可减小到额定功率的1/101/100有利于光源热稳定 信号利用率 小于0.4 小于1 等于1 光源射出率 小于1/2 等于1 等于1 光强利用率 小于1/2 等于1 可大于1 共模干扰 无法处理 不存在 通过取差而消除光源变化对零位关系 有直接影响 有一定影响 有影响视觉亮度与零位关系 有直接影响 有一定影响 无直接影响 抗干扰能力 差只要脉冲采样瞬间存在的干扰才影响输出 高 工频干扰 带通滤波衰减一部分 有一定影响 全部被消除 输出直流的纹波 脉动(全波整流) 无 直流或阶梯波放大倍数可调性 对瞄准零位有影响 图象处理 对瞄准零位无影响 敏区信号 左、右、中相加 图象处理 左、右相加 左右对称调节 困 难 简 单 简 单 信噪比处理 带通滤波 同步采保和软件滤波加强光脉冲可使之提高 电路的通用性 基本上不通用 基本上不通用 可通用 电路复杂性 较简单 复杂 极简单 电路装调 需要一定调整 需要调整 基本上不需调整 内调制杂光处理 全部被放大 图象处理 引入调制光进行补偿 信号抖动的处理 简单的输出电容滤波 数字滤波 采用有源或数字滤波 自动瞄准可能性 受非线性特性限制 可以,但响应速度低 可以,响应速度可变 结构复杂性 中 复杂 简单 可靠性 中 低 较高 电路成本 低 高(软件和硬件) 低附2UiSCU0C1C2后采保(也即发光