激光近炸引信距离控制精度测试技术分析讲解Word格式.docx
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测距精度;
距离分辨率;
测试设备
中图分类号:
TN24
文献标识码:
A
文章编号:
1007-2276(2007)05-0639-05
Technologyoftestingrangeaccuracyonlaserproximityfuze
ZHANGZheng!
hui1,2,CHENShou!
qian1,XUShi!
wen,FANZhi!
gang1
(1.CenterofSkyOpticalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;
2.TianjinJinhangInstituteofTechnicalPhysics,Tianjin300192,China)
Abstract:
Rangeaccuracyoflaserproximityfuzeistheguaranteekeytocontrolmissileexplosivepoint.Itisthepremisetorealizebestmatchingforfuzeworkingandmissilebursting.Atpresent,onemainmethodoftestingrangeaccuracyiscalled“
pushingboard”,anotheriscalledrangesimulation.Butthelaterisdevelopedforlaserrangefinder,unavailabletotestlaserfuze,becauseithastheneareststartingrangeandlowerrangeresolution.Aimingattheseproblems,anewopticalmethodispresented,anditsengineeringfeasibilityisprovedtheoretically.
Keywords:
Laserproximityfuze;
Rangeaccuracy;
Rangeresolution;
Testingapparatus
0引言
目前,我国激光近炸引信(以下简称激光引信)的研制、生产已进入成熟阶段。
激光引信距离控制主要有[1-2]测距和定距两种方式。
距离控制精度是近炸引信重要的性能指标。
它是导弹进行炸点控制、战斗部发挥最大毁伤效能的保证,是实现引战配合的前提[3]。
由于引信光束扫掠目标时会进行多次距离测量,其结果不会是同一数值,而是一个范围。
所以,距离控制精度测试的主要目的是检验激光引信距离控制的一致性和重复性。
以前,距离控制精度测试主要利用“推板法”由人工完成。
这种方法既费时又费力,还会给测试引入不确定因素。
当靶板到达引炸距离时,由于测试者反应时间滞后以及靶车的惯性,停止信号发出后,靶板还会向前移动,造成测距误差;
另外测试者推动靶车,靶板与光束不可能完全对准,造成目标有效反射面积变化,导致激光反射回波能量变化,造成回波起伏,影响测距精度;
另外,测试所用靶板反射特性与真实目标之间存在差异。
从原理上说,使用标准的测试设备,执行严格、周密的测试计划和测试方案可以消除或明显减少偶然误差。
因此,只有明确激光引信距离控制
红外与激光工程第36卷
精度测试技术的基本方法,研制标准的测试设备,使用正确的数据处理手段,才能得到稳定、可靠的测试结果,才能对激光引信进行标定、
检验和评价。
1基本原理
因为引信多次距离测量结果是一个范围,通过对数据集合进行统计分析,根据总体均值和标准差可以得出参考值。
激光引信距离控制精度高,即测量值精确,是指测试结果数据集的标准差!
R很小。
理想情况下,脉冲激光测距精度的数学表达式为[4]:
!
R=
0.35・c
・・(1)
式中:
R为理想情况下的单脉冲测距精度;
c为光速;
BW为接收系统带宽,通常BW≈0.35r…0.44r,tr为
激光脉冲上升沿时间,通常tr取上升沿幅值为0.1~
0.9段的时间;
SNR为接收系统的信噪比。
利用脉冲信号前沿测距的激光测距精度分析,许多文章都论述过[4-5]。
对激光引信多次测量后,测量结果的标准差为:
RN=
R"
(2)
N为测量次数。
测量次数可以根据系统要求的距离控制精度,利用学生-t检验计算得出。
2常见的测试方法
2.1光电-电光转换法
目前,国内、外常见的脉冲激光测距精度测试方法,多是为检验远距离激光测距机的测距精度而设计的。
常见的是光电-电光转换测试方法(光电法)。
其中测距精度测试功能经常和其他测试功能组合在一起,
图1SBIR(2005)产品外形图
Fig.1PictureofSBIR(2005)
比如激光功率测试、激光光束发散角测试等,构成一套综合测试系统,也叫作距离仿真。
目前,国外主要有
美国SBIR公司为美军研制的两代产品[6-8],如图1所示,以色列CI公司为AH-64阿帕奇直升机上的光电吊仓开发的距离仿真系统如图2所示。
两公司三种产品性能比较如表1所示。
图2CI公司研制的激光综合测试设备
Fig.2LasergeneraltestingsystemofCI
表1SBIR与CI产品性能比较
Tab.1ComparisonofSBIRandCIspecification
光电法先将激光脉冲信号转变成电信号,通过精密可编程延迟线将电信号延迟一段时间后,再将它转变为光信号,输出给测距机的接收光学系统来满足距
离精度测试要求,其中电路延迟时间与光电、电光转换时间的和就是激光在大气中实际传输的距离。
由于光电-电光转换过程中,激光器、探测器的响应时间,电路工作的启动时间会影响测试系统的最小测试距
SBIR(2003)SBIR(2005)CIWavelength
1060±
5nm
850nm1064nm1550±
5nm1540nm1540nm
1570nmPulseenergy
1E-141E-12
J/cm2
30~1000mJ
(1640nm)≤140mJ,accuracy3%
4~120mJ(15×
×
nm)Outputpulse
width≥5ns
accuracy10ns10~2560nsaccuracy10ns≥4nsPulserepetitionrate8~20Hz
5~30Hz
10~
20Hz,accuracy0.05HzBeamdivergence0.13~1mrad
0.08~4mrad0.1~0.7mradFieldofview1.3°
0.2~2°
Entrancepupil100mmSimulatedrange
15m~40kmresolution1.5m
25m~250kmresolution1.5m
200m~50kmminstartingtime50
ns640
第5期
,也就是测试时,存在一段时间盲区。
同时,在光-电,电-光转换过程中,电路系统引入的不确定性干扰也会影响测试精度。
从表1可知两公司设备的距离仿真范围均>5m(CI公司设备启动时间50ns,即测量盲区7.5m)。
激光测距机的测量范围可达几十千米,测距精度为1~10m,使用光电法的特点是:
体积小、质量轻、成本低。
它只适合做远距离、低距离分辨率、低脉冲重复频率、小视场激光测距机距离精度测试。
光电-电光测试原理如图3所示。
另外,还由于可编程延迟电路及其他处理电路也存在器件最小工作时间(一般≥5ns)等问题,使得上述方法不能满足激光引信仿真起始距离<1m,测试精度≤±
0.1m的要求。
图3光电法测试原理图
Fig.3Schemeticdiagramofelectroptictestingmethod
2.2光学法测试
根据激光引信距离控制精度测试要求测试盲区小、距离近(激光引信典型工作距离为1m≤R≤20m)、测试精度高(通常≤0.5m),重复频率高的特点,提出了一种光学测量方法,其工作原理如图4所示。
图4光学法测试原理图
Fig.4Schemeticdiagramofopticaltestingmethod
激光引信测试仪负责对激光引信加电、装订距离值,及控制其开机工作。
距离控制精度测试仪在确定激光引信工作后开始测试,当它接收到激光引信测试仪传回的引炸信号后停止棱镜组运动,并由计算机计算出此时的距离值,该值即为激光引信测得的距离值。
测试设备组成如图5所示。
重复测量后,再利用数据分析软件计算被测激光引信的距离控制精度。
图5测试设备组成原理框图
Fig.5Schemeticdiagramoftestingsystem
2.3光电法与光学法测试性能比较
通过上述分析可以对这两种测试方法的基本性能和使用范围进行比较,如表2所示。
表2现有条件下光电法与光学法测试性能比较
Tab.2Comparisonofelectropticand
opticaltestingmethod
3直角棱镜组距离仿真设计分析
直角棱镜组是距离控制精度测试仪的核心部件,它可由步进电机控制上、下移动,以调整激光在棱镜组间的折返次数,或控制两棱镜前后移动,能增加或减少光程。
同尺寸等腰直角棱镜M1、M2的两个底面平行放置,激光引信发出的光束经准直后垂直于直角棱镜M2入射,由M1反射后,垂直入射到直角棱镜
M2,又被M2反射,再次入射到M1,如此在M1、M2间多次折返。
利用光开关可切换不同长度的光纤输出至引信接收端。
光路如图6所示。
图6直角棱镜组工作原理图
Fig.6Schemeticdiagramofsymmetryrectangleprism
Item
ElectropticOpticalMinrangeoftesting≥15m≯2mMaxrangeoftesting>40km≤20mPulsewidthoutput
≥4ns10~50nsPulserepetitionrate5~30Hz≯10kHzAccuracyoftesting
≥1.5m
<0.5m
张正辉等:
激光近炸引信距离控制精度测试技术分
析
641
激光在直角棱镜中走过的光程可由下式表示:
L棱=n・!
l+L内(3)
L棱为在棱镜组内所走的总光程,即从光线1与
M1的底边垂直时开始算起,到光线5出射时与M2的底边垂直时所走的光程;
n为光线在M1、M2间往返的次数,可换算为位移支架数控脉冲数;
l为M1、M2两底面相对移动的距离;
L内为激光在棱镜M1、M2内的光程(每往返一次走过的光程为底边长与棱镜折射率的乘积)。
这样当移动两直角棱镜相对运动时,在棱镜中走过的光程不变,增加的光程为相对移动距离的n倍(光线往返次数)。
即光程增加0.1m时,棱镜相对距离移动0.1m。
分析光程的改变量与测距精度测试仪
测得的引炸距离之间的关系,便可得出引信距离控制精度。
激光脉冲在测试仪中所走光程,即激光引信的仿真距离总计为:
L=!
L棱+!
L光纤
(4)
L光纤为可由光开关切换的不同测试长度,可以
减小棱镜的体积和位移距离。
光束在直角棱镜间的往返次数n与经过直角棱镜M1、M2间各自两对称面的间距d有关。
由几何关系证明,光束的往返次数为n。
n=int
h
"
+2(5)
h为入射光束到直角棱镜M1底部45°
角棱边的
距离;
d为水平调节距离。
设n=5,以直线AB为基线,入射光束1到基线的距离为x1;
输出光束5到基线的距离为x5,在棱镜间的折反光束2、3、4到基线的距离分别为x2、
x3、x4,设x1=x2=x0,x3=x4,由图6可知:
x0-x3
=d-x3
x5=x0+2x3
由以上两式得:
x5+x0=4dx3+x0=2d
由于x5+x0>h,所以h<4d,因此可得不等式:
inth"
<4(6)
另外,由于x0>x3,得x0>d。
由以上各式得,x3+2x0>3d。
从图6可知,透过棱镜底面的光束分别对称分布
在轴线AB和CD两侧,则h≥x3+2x0>3d,因此可得不
等式:
int
≥3(7)
与公式(6)相比,在此时必有n=int
+2=5。
对于其他n值,亦可用同样方法加以说明。
当直角棱镜组为非对称情况时,即两个直角棱镜尺寸不同,如图7所示。
图7非对称直角棱镜组
Fig.7Asymmetryrectangleprism
同理,此时光束在直角棱镜组之间的往返次数为:
+1(8)
光束传播方向特性与对称结构类似,往返次数为奇数时,输出光束为前向光束,而当往返次数为偶数时,输出光束为反向光束。
可以根据测试距离要求选择不同的直角棱镜组。
4光学法测试精度分析
影响测距精度测试仪测量精度的因素主要有:
步进电机的控制精度、位移支架平行度、准直光学系统、直角棱镜的机械加工精度和光纤耦合效率。
4.1机械加工及控制精度与测距精度误差的关系
因为采用光学法的距离控制精度测试仪是利用机械方法控制棱镜组移动,所以不存在光电法中的测距盲区。
其精度由位移支架的控制精度决定。
直角棱镜组可由步进电机控制前、后或上、下移动,精度可达到微米级,能满足直角棱镜组位移精度控制要求。
激光引信发射的激光脉冲经衰减片、准直系统、耦合器后所走过的光程,即系统固有光程,就是系统的最小测试距离,它可精确计算,能控制在1m以内。
完全满足了激光引信短距离测量要求,这是光电法不可能达到的。
目前,使用数控定位方法,步进电机的距离分辨率由步距角决定。
精密定位用步进电机步距角可达到1.8°
(最小0.9°
),换算到位移端输出的位移为4.6nm,实际控制中需整数化运行步数,引入1/2步距角误差折算到输出端位移误差为2.3nm,为提高测试速度,
可
642
调整光学棱镜组位移支架步距设置,如设置为0.1mm,所以整个定位系统数控脉冲当量,即设测试仪测距增量为!
l,则公式(3)可写为:
l+L内+机械加工误差
(9)
n为记录的脉冲数。
所以公式(4)可改写为公式(10),实际激光引信距离控制值为:
L光纤+机械加工误差+系统固有光程(10)在测试过程中可由控制计算机实时监控,读出输出的脉冲数n,记录当直角棱镜组连续移动过程中光程的改变值,经多次测量后,利用统计分析方法,可得出距离控制精度的范围。
该方法的特点是测距精度高,适合用作近距离精密距离测试。
4.2激光能量损失与测距精度误差的关系
使用激光脉冲测距方法,当阈值电平Vth设定后,由于激光脉冲能量损失,会引起脉冲信号起伏,造成信号上升沿飘移,从而影响测距精度,如图8所示。
目前,除了为角锥棱镜透射面镀增透膜,两反射面镀反射膜以提高棱镜反射效率外,还要特别注意耦合光学系统的设计、光纤端面的处理、光纤端面与探测器的匹配等问题,提高光纤耦合效率,减小能量衰减[9]
。
图8脉冲能量起伏造成的测距精度误差
Fig.8Errorcausedbyfluctuationofpulseenergy
4.3直角棱镜加工精度对系统测试精度的影响
由于入射光束经准直、压缩后,光斑投影面积要远远小于棱镜入射面面积,且要与入射面垂直,只有这样才能实现光路正确折返。
如果直角棱镜直角面加工角有1°
误差,就会引起出射光束2°
的偏差。
为保证激光束在直角棱镜间的反射次数及出射光束的角度,必须严格控制角锥棱镜直角面的加工误差。
5结束语
文中提出的光学法激光引信距离控制精度测试方法是光程差放大技术的工程应用,该技术曾经用于
激光干涉测量。
它原理成熟,测量精度完全满足激光引信距离精度控制测试要求。
其工程实现的难点是准直光学系统设计及如何提高光纤耦合效率,通过高精度的光机系统设计,并采用计算机自动测试技术,是完全可以实现的。
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分析
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