一種紅外二維干擾源的設計

本文介紹一種用于紅外導引頭性能測試系統二維干擾源的設計，該干擾源以工業計算機為控制核心，控制兩臺直流伺服電機驅動二維擺鏡運動，控制直流伺服改變光欄孔的大小，實現紅外能量大小可變和二維平面上的運動的二維干擾源，用于紅外型導引頭在動態測試過程中模擬二維干擾源。

【關鍵詞】紅外 二維 干擾源 控制

1 引言

在紅外型導引頭測試中，需要模擬紅外干擾源對導引頭的進行干擾測試，判斷導引頭是否能穩定捕獲目標而不受二維方向上的干擾，因此需要設計一種二維方向運動并且干擾能量可以調節的干擾源。本文設計的紅外二維干擾源以工業計算機為控制中心，通過控制三臺伺服電機實現干擾源的二維運動和能量調節，其中干擾源的能量通過黑體來實現。

2 總體設計

干擾黑體1發出紅外干擾能量，通過光欄可變光欄2調節能量大小，經過反射鏡4后反射到離軸拋物面鏡3形成平行光，平行光經二維反射擺鏡5運動后，可形成二維坐標上的干擾光源，最后通過合成鏡6供給產品測試使用。合成鏡6的主要用于合成其他光源，其他光源的原理本文不作介紹。二維干擾源的主要設計有三個方面，分別為：離軸拋物面鏡設計、二維反射擺鏡、電控系統。下面分別進行介紹。

2.1 離軸拋物面鏡設計

采用傳統的離軸拋物面系統，離軸拋物面光學系統是一種標準的投影系統， 該系統的特點是小視場分辨率及傳函比較高。通常采用Z-MAX程序計算非球面的像質，該離軸拋物面系統光學的各項具體參數為：

焦距：f=650mm；口徑：D=Φ120mm；離軸量：h=90mm。

根據非球面的的數學方程表達式，計算出非球面的光學像差：

此式表示X軸與系統的對稱軸—光軸重合，其中：

C—表示曲面頂點的近軸曲率；

K—表示非球面系統的系數，拋物面時K=0；

an—表示高次曲面系數；

H—表示為曲面體的橫截面半徑：H2=y2+z2；

由于該系統是一個全反射拋物面光學系統，我們將各種參數帶入公式并簡化后得到拋物面體的如下計算公式：

2.2 二維反射擺鏡

二維反射擺鏡是由反射鏡、U型支架、力矩電機、測速電機、編碼器所組成，其目的是驅動反射鏡水平軸、垂直軸轉動。二維反射擺鏡的結構圖如圖2所示。

由圖2可以看出，水平軸系左邊是光學編碼器，右邊為力矩電機和測速電機，U型支架由散裝軸承結構支撐，其垂直軸編碼器、力矩電機和測速電機裝在垂直軸中。由于俯仰的擺動范圍是±5?，水平的擺動范圍在±5?，因此在各自位置上有機械限位和電限位，反射鏡的轉動不超出各自范圍。

2.3 電控系統

電控系統包括兩個部分：可變光欄孔大小及速度控制、二維反射鏡控制。

2.3.1 可變光欄控制

可變光欄孔位置控制采用步進電機控制。上位機下發可變光欄孔轉動位置信息，下位機接收到轉動命令后，根據上位機設定的轉速和孔徑大小，計算出步進電機轉動速度和轉動角度脈沖，控制步進電機帶動可變光欄轉到相應位置。可變光欄可按1mm/s～30mm/s的速度連續變大或變小。光欄孔變化的起始光欄孔徑和終止光欄孔徑可由計算機任意設置。內部采用相對編碼器采樣轉動脈沖，計算出光欄孔經大小通過雙口RAM傳送給上位機在界面上顯示出來。框如圖3。

可變光欄孔位置計算：

假設步進電機步距為：0.045°，則步進電機每轉需發脈沖數為：360°/0.045°=1333脈沖/轉。

可變光欄孔位置是靠控制步進電機步進數來控制的，根據上位機下發的位置值，求出步進脈沖數。上位機下發的位置值為Xmm，步進電機每轉可變光欄變化Ymm/轉，所以下位機控制可變光欄轉X/Y轉。Xmm位置步進電機需要轉：

X/Y（轉）*1333脈沖/轉=1333X/Y（脈沖）

X：上位機下發的位置值，單位：mm；

Y：步進電機每轉變化大小，單位：mm/轉。

2.3.2 二維反射鏡控制

二維反射鏡運行控制采用速度內環控制和位置外環控制的串聯控制。前者用硬件電路實現，后者由位置環通過單片機檢測經位置PID計算，通過D/A輸出控制量，作為速度環的控制輸入，經過PI-P調節，使驅動電機運行平穩。擺動角速度可在0.1°/s～30（°）/s范圍內任意設置。

位置環檢測采用16位光電編碼器作為反饋，位置閉環控制先建立模擬模型，再經過雙線性變換離散化，采用位置式PID控制，并加入了不完全微分環節，以克服高頻擾動的影響，使系統有較好的控制特性。控制中加入了Bang_Bang控制算法，根據偏差的大小，在Bang-Bang和PID控制之間進行切換，即：

當控制誤差絕對值較大時，采用Bang-Bang控制即輸出最大的控制量，使系統過渡過程加速。加速的程度與Q值的選取有關，Q越小，Bang-Bang控制的范圍越大，過渡時間就短，但超調量會大些，反之亦然。通過選取適當的Q值，可有效的提高控制的快速適應能力。采用以上的控制方法，使系統具有了很好的控制特性。

5 結束語

在紅外二維干擾源的使用過程中，實現了準確、快速、穩定的性能測試，動態的考核了產品的抗干擾性能，滿足預定設計要求。該紅外二維干擾源已應用于紅外導引頭的的抗干擾性能測試。

參考文獻

[1]盧勝峰.紅外導彈目標模系統的實現[J].測控技術，2013.

[2]宋延松等.紅外目標模擬器光學系統設計[J].光學學報，2015.

[3]胡初強.紅外目標模擬器的光學系統設計[D].長春理工大學，2012.

[4]毛博年等.紅外多干擾目標模擬器電控系統的實現[J].光學技術，2014.

作者簡介

付穎（1979-）女，天津市人。大學本科學歷。自動化專業，現為天津富昌電子公司工程師，主要從事非標設備測控工作。

作者單位

天津工業大學電子與信息工程學院 天津市 300387endprint