采用光源扫描的大视场火箭发射瞄准仪.doc

采用光源扫描的大视场火箭发射瞄准仪1.前言常用的火箭发射瞄准仪的光源为安装在光管物镜主焦点的“固定点光源”，从光管发射出平行于光管主光轴的平行光束；被瞄对象通常是安装在火箭惯导装置上的瞄准直角棱镜。光管内的光敏元件接收到从瞄准直角棱镜反射回的光束并且以此给出直角棱镜准直状态的输出信号。这种瞄准仪的工作敏区(即方位和俯仰的准直敏区以及左右和上下的平移敏区)受到被瞄目标棱镜长度、宽度、工作距离、平行光管的口径及其焦距长度等因素的限制。五十多年前的纯光学目视瞄准仪，由发射光管和接收光管组成,属于由一种大视场（平移视场和方位瞄准视场）瞄准仪。发射光管主焦平面上安装的圆形照明分划板上等距的刻有垂直刻线，每条刻线右边标有顺序数字或者英文字母加以区分，中心刻线为0号。分划板被照明之后构成面光源从光管物镜发出。目视接收光管的焦平面安装的分划板其图案与发射光管分划板相同（需考虑倒向问题）。两个光管进行对瞄并且准直条件下，发射分划板成像在接收光管目视接收分划板上，两者的刻线重合，出现失准角时则不再重合，根据不重合量可估算出失准角。由于发射光源为平面平行光源，即X-Y两维光源而不是点光源因此出射光不是一个简单的单束平行光而是一个具有某个张角的多方向平行光。与点光源单束平行光瞄准仪相比其瞄准敏区，上下和左右平移敏区以及方位和俯仰准直敏区均被扩大了。为了扩大瞄准敏区，这里提出以自动扫描光源代替“固定点光源”实现加大瞄准仪视场的方法，实际上是将上述纯光学目视瞄准仪发射光管主焦平面上安装的圆形照明分划板上等距的刻有垂直刻线进行数字调制处理,因此其基本原理并无新意。采用点光源时，从光管投射出去的是直径等于光管口径的平行光束，为了对准被瞄直角棱镜除去需要进行方位对准之外还需要进行俯仰角调整，由于光管口径的限制，俯仰敏区受到限制。首先,为了扩大俯仰角的工作敏区，可将点光源用垂直安装的线光源代替。此时光管投射出去的光束在垂直方向上被扩大，瞄准的俯仰敏区将被扩大。此时被瞄直角棱镜的中心线不一定处于平行光管主光轴的延长线上而可以在其上下位置同样可以进行正常瞄准。2.焦平面扫描光源焦平面扫描光源瞄准仪原理类似于上述“平面光源”原理只不过是将发射和接收光管合二而一（即被瞄设备上安装直角反射棱镜）而将静止的分划板垂直刻线变为水平移动的垂直线光源的数字扫描调制光源，将目视接收分划板由CCD光电传感器代替,将目视刻线的重合状态的判别过程变为数字滤波和数字分析过程。此时在高低方向上的瞄准敏区也被扩展了。2.1.液晶屏扫描光源垂直的线光源进行水平数字扫描就近似为“平面光源”可以采用高亮度、高分辨率液晶屏。此时“平面光源”的明暗图形可以设计为多种形式，例如明暗相间扫描、垂直亮线扫描等等，水平扫描速度也可以有多种选择。 如图4，线光源从左往右移动，在CCD光敏元件上可接受到上述明暗扫描的倒像。在直角棱镜处于中心工作区的准直条件下，CCD接受到的数字光源的成像的扫描中心正好在CCD的水平中心像素。直角棱镜出现顺时针即正向偏角时，CCD接受到的成像相对于基准扫描信号产生同相相位移，相位移量正比于直角棱镜的顺时针转角。反之，直角棱镜出现反时针即反向偏角时，CCD接受到的图像相对于基准扫描信号产生反相相位移。液晶屏数字扫描“平面光源”将垂直线光源光源和无机械运动的扫描驱动“机构”合二而一。为了减少液晶屏导光板照明发热，可以采用高光亮度LED为照明光源并且以窄脉冲驱动。目前数字液晶屏的分辨率在0.2mm到0.3mm，有些应用场合难以满足要求。明暗相间扫描亮线扫描液晶屏数字光源等速扫描基准图像准直条件下CCD接受到的图像棱镜正向偏角时CCD接受到的图像棱镜反向偏角时CCD接受到的图像扫描基准相位零线相位差图2棱镜对中无平移运动只有方位转动的情况下CCD接受到的返回光信号液晶屏数字光源等速扫描基准图像准直条件下棱镜向左平移时CCD接受到的图像准直条件下棱镜向右平移时CCD接受到的图扫描相位基准线相位差图3准直情况下只有平移运动时CCD接受到的返回光信号2.2.水平微动机械扫描 在液晶屏 “平面光源”的水平扫描分辨率无法满足使用要求时，可以采用微动压电陶瓷直线电机。如图3所示，垂直状态的“线光源”（例如上述液晶屏）安装在可以左右（平移）微动的压电陶瓷直线电机的移动臂上并且确保电机左右平移时“线光源”一直处于物镜的焦平面内。压电陶瓷直线电机移动臂垂直状态的线光源（液晶屏）焦平面上的光源物镜焦平面正投影俯视图压电陶瓷电机的移动步距可在0.1微米级并且可数字化。假设光管焦距为300mm则上述最小步距对应的出射平行光的方位扫描步距角为在距离50m处投射的光束左右偏移步距量为 只要安装在光管焦平面的接收光敏元件CCD面积足够大，即只要方位扫描光束投射到被瞄直角棱镜，则直角棱镜法线方向与投射光束基本平行时CCD必将接收到棱镜的返回光信号，经过数字信号处理即可给出被瞄直角棱镜的准直状态。扫描光束的最大偏转角也即测角视场角 扫描光源的最大偏移量 光管焦距 实际上最大视场角还应该在上述基础上加上无扫描状态下的测角敏区。 假设焦距=300mm，为了获得20的大视场角，则点光源在焦平面的偏移量应该为：=1.74mm此视场角与被瞄直角棱镜到光管的距离无关。如果工作距离为L=50m，则投射到直角棱镜的扫描光束左右偏移量为如果上述平移运动的点光源用一个垂直安装的线光源代替则 “线光源”射出的投影为宽度等于物镜口径而高度被扩展了的平行光束。压电陶瓷电机只能单方向移动因此需要偏置电压得到左右对称的方位扫描。上述利用数字水平扫描的垂直“线光源”扩大瞄准视场的方法实际上就是老式光学瞄准仪的一种变形。扫描光源可以看成是将静态分划板进行了某种调制处理。4.信号的接收和处理在平行光管的共轭焦平面位置安装面阵CCD接收从被瞄直角棱镜返回的方位扫描信号。在理想准直状态下，从被瞄直角棱镜返回的方位扫描光在共轭焦平面上对称主焦点左右平移，复现扫描光源的运动。如果CCD的中心像素正好处于光管的主焦点则上述复现光点对称CCD中心像素左右运动。在CCD分辨率不足时可通过细分提高其分辨率。4.1.目标棱镜理想平移在理想准直状态下，从被瞄直角棱镜只出现左右平移运动时CCD信号不发生变化，当平移量超过某个切割值时CCD信号只出现强度。超过某个平移敏区时信号强度为零。理想准直的平移敏区为： 4.2.目标棱镜理想偏转当直角棱镜从理想准直状态出现方位偏转时上述复现扫描中心发生左右移动。移动量与直角棱镜的偏转角和光管焦距 的关系为假设面阵光敏元件被安装在数字光源的共轭焦平面，其面阵中心在光管主光轴上。被瞄直角棱镜失准角的计算： 数字光源左右扫描的步距长度X 数字光源的第i个发光点发光时对应的数字光敏元件敏感到的返回光点中心位置偏离光敏元件中心的距离。 上式是一个发光位置对应的一个接收位置计算的结果，当进行顺序扫描时，如果棱镜偏角没有改变，上式代入新的数据的计算结果不会改变（边缘切割时除外）。为了进行平滑滤波可进行平均计算 4.3.目标棱镜平移和偏转的复合 此时如果在敏区边缘则可能出现耦合需要进一步分析。关于双光管瞄准仪为了扩大横向平移敏区老式瞄准仪被架设在一个平移导轨上。如果能在上述方案的基础上采用（相同的）双光管结构则可进一步扩大瞄准和平移敏区。国外资料所述双光管瞄准仪可能就是这个原理。以上只是本人的一些简单的设想，不一定正确和可行。1） 状态判别（测角计算）与工作距离有关2） 从A到B循环扫描3）AB双光管原理方位扫描光源CCD焦平面上安放的水平“数字光源”-液晶屏发光线为可移动数字光源CCD为数字光敏元件，安装在数字光源的共轭焦平面处但是目前液晶的分辨率不足0.1mm！附液晶屏数字光源测角敏区 假设d 数字光源的步进间距2n+1 数字光源的水平排列个数 F 光管焦距L 工作距离2N+1 CCD光敏元件水平像素数目B 直角棱镜的宽度D 光管口径 则数字光源的水平宽度为 a） 测角敏区常用的在光轴位置的单个点光源的测角敏区是工作距离的函数，为：出射平行光的视场角为 应该与光管口径有关？ 当CCD光敏元件的水平宽度足够大时，足以接收到数字光源水平边沿发光点并且可能从被瞄直角棱镜反射回的工作区为测角工作敏区。b)平移敏区如果CCD的水平宽度足够大，则只要被水平扫描平行光束照射到的地方，被瞄直角棱镜在此扫描区域内时总可以通过转动直角棱镜方位角将出射平行光反射回来并且被CCD接收。被瞄直角棱镜的水平平移敏区E，即棱镜的水平中心线从平行光管中心光轴偏离出工作敏区的距离，为： 上述分析指出，被瞄直角棱镜的平移工作敏区是工作距离的函数，而测角工作敏区与工作距离无关。关于老式瞄准仪 老式瞄准仪为纯光学目视瞄准仪。瞄准时将发射光管靠在被瞄方位基面上，接收光管架设在地面。1 2 3 4 5 6 7 88 7 6 5 4 3 2 176543211111234567发光管分划板和接收光管分划板具有相同的图形，分别安装在发光管和接收光管的物镜的焦平面中心。被照明灯照亮的发光管分划板成为平面光源将载有刻线图形的无穷远图像放射出去。接收光管对准发射管时发光管分划板图像在接收光管分划板上再次成像，当两个光管光轴平行并且两者的水平刻线也平行（同在水平线上）时，成像和接收分划板图形将完全“反向重合”。此时两个光管之间沿水平轴或者垂直轴相对平移时不改变上述图形重合状态，只改变成像信号的强度，直到平移出接收敏区。当两者光轴出现方位失准角时。123456776543211118 7 6 5 4 3 2 11 2 3 4 5 6 7 8123456776543211118 7 6 5 4 3 2 11 2 3 4 5 6 7 8关于平面光束 常见的光源有1. 点光源 从一个点射向整个三度空间或者构成圆锥空间2. 平行光束 激光光源或者由点光源通过光学系统形成3. 面光源 发光面，充满半个空间4. 平面光束 从一个点放