下視景像匹配系統(tǒng)照明電源故障技術(shù)研究

李禮，謝井華，王紅，高卓，黃杰文，喬邦江

（國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541002）

下視光學(xué)景像匹配系統(tǒng)具有在特定區(qū)域內(nèi)利用圖像匹配技術(shù)精確定位的能力，主要用于末段輔助慣導(dǎo)進(jìn)行末制導(dǎo)導(dǎo)航。主要由相機(jī)組件、綜合計(jì)算機(jī)和照明組合三部分組成。其中相機(jī)組件由成像穩(wěn)定裝置和成像/控制模塊等組成，用于攝取導(dǎo)彈正下方地面的圖像；綜合計(jì)算機(jī)主要承擔(dān)匹配定位等處理工作；照明組合在夜晚使用，主要由閃光燈、熱電池和照明電源等組成，負(fù)責(zé)控制閃光燈與攝像機(jī)同步工作。以下視光學(xué)景像匹配系統(tǒng)進(jìn)行“夜間配準(zhǔn)”測(cè)試時(shí)，閃光燈出現(xiàn)漏閃現(xiàn)象。下視光學(xué)景像匹配系統(tǒng)在夜間工作狀態(tài)下進(jìn)行“穿越式配準(zhǔn)”閃光，閃光燈漏閃，未能夠與相機(jī)同步工作，不符合技術(shù)指標(biāo)要求。

1 故障分析及定位

經(jīng)分析，“閃光燈漏閃”，可能是閃光燈、綜合計(jì)算機(jī)或照明電源故障。以“閃光燈漏閃”為首要事件，通過(guò)建立故障樹(shù)型圖，如圖1所示。通過(guò)樹(shù)型圖所示故障一一進(jìn)行詳細(xì)分析排查。

圖1 “閃光燈漏閃”故障樹(shù)

1.1 閃光燈故障

閃光燈作為下視系統(tǒng)中重要組成部分，它是低能度或夜間保障飛行器的視察精度起關(guān)鍵作用，通常被稱(chēng)為飛行器的眼睛。“夜間配準(zhǔn)”測(cè)試時(shí)，閃光燈接收照明電源發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)，由閃光燈中高壓脈沖觸發(fā)變壓器提升電壓，加到脈沖氙燈的觸發(fā)絲上，使氙氣電離，產(chǎn)生強(qiáng)光輻射。

對(duì)閃光燈的排故方式主要是是對(duì)閃光燈單獨(dú)進(jìn)行功能、光通量、照度分布和閃光瞬態(tài)能量的測(cè)試，測(cè)試所需設(shè)備框圖分別如圖2和圖3所示。穩(wěn)定光的測(cè)試方法不適合用于該閃光燈，因?yàn)楸疚闹械拈W光燈不僅瞬態(tài)能量大，而且持續(xù)發(fā)光時(shí)間非常短。因此本文設(shè)計(jì)了一套閃光燈光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)和一套積分球綜合測(cè)試系統(tǒng)，用于檢測(cè)閃光燈的有效光強(qiáng)和峰值光強(qiáng)。如果各測(cè)試指標(biāo)都在規(guī)定的范圍內(nèi)，說(shuō)明閃光燈是合格的。通過(guò)測(cè)速發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象依然存在，因此閃光燈故障分支可排除。

圖2 積分球綜合測(cè)試系統(tǒng)連接框圖

圖3 光強(qiáng)設(shè)備結(jié)構(gòu)布局示意圖

1.2 綜合計(jì)算機(jī)故障

夜間工作時(shí)，ICCD相機(jī)向綜合計(jì)算機(jī)發(fā)送閃光信號(hào)，綜合計(jì)算機(jī)接收信號(hào)后將ICCD相機(jī)設(shè)置為手動(dòng)增益方式，并根據(jù)實(shí)時(shí)高度將增益值發(fā)送給ICCD相機(jī)進(jìn)行MCP電控控制，同時(shí)在采圖配準(zhǔn)時(shí)刻向照明組合發(fā)出閃光觸發(fā)信號(hào)，使閃光燈工作，輔助拍照。更換合格的綜合計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試，故障現(xiàn)象依然存在，綜合計(jì)算機(jī)故障分支可排除。

1.3 照明電源故障

照明電源由照明電源電路板、CDW219電容器、場(chǎng)效應(yīng)管、諧振電感和壓板等組成。通過(guò)分析照明電源中各元器件及板件，對(duì)電容器及照明電源電路板做進(jìn)一步故障排查。

（1）電容器故障。夜間工作時(shí)照明電源接收到綜合計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的閃光觸發(fā)命令，脈沖氙燈內(nèi)部氙氣電離，內(nèi)阻急劇下降，與脈沖氙燈電極相連的CDW219電容器的電能在4ms內(nèi)通過(guò)脈沖氙燈釋放90%的能量，產(chǎn)生強(qiáng)光輻射。更換合格的電容器進(jìn)行測(cè)試，故障依然存在，電容器故障分支可排除。

（2）照明電源板故障。照明電源電路板接收綜合計(jì)算機(jī)命令，夜間工作狀態(tài)下進(jìn)行“穿越式配準(zhǔn)”閃光工作時(shí)，照明電源電路板會(huì)輸出13次脈沖信號(hào)，閃光燈進(jìn)行13次閃光作業(yè)。使用示波器對(duì)照明電源電路板輸出端XZ1:4、XZ1:1進(jìn)行信號(hào)采集，脈沖信號(hào)僅輸出3次，與合格照明電源電路板（脈沖信號(hào)輸出13次）進(jìn)行對(duì)比，輸出次數(shù)不足。更換合格照明電源后，輸出脈沖信號(hào)為13次，閃光燈進(jìn)行13次閃光工作，因此，照明電源電路板存在故障。

2 機(jī)理分析

照明電源的工作原理如圖4所示，控制電路接收綜合計(jì)算機(jī)的命令，喚醒照明電源進(jìn)入工作狀態(tài)，進(jìn)行自檢，并將自檢結(jié)果反饋給綜合計(jì)算機(jī)，自檢合格后綜合計(jì)算機(jī)向照明電源發(fā)送閃光命令，控制電路接收閃光命令，控制振蕩驅(qū)動(dòng)電路輸出脈沖信號(hào)到高壓脈沖觸發(fā)變壓器，將電壓提升到7～8kV，作用到脈沖氙燈觸發(fā)絲上，使氙氣電離，氙燈內(nèi)阻急劇下降，同時(shí)與脈沖氙燈電機(jī)相連的儲(chǔ)能電容器的電能在4ms內(nèi)通過(guò)脈沖氙燈90%的能量，產(chǎn)生1400cd的強(qiáng)光輻射，輔助夜間拍照工作。

圖4 照明電源工作原理圖

由圖5可知，綜合計(jì)算機(jī)觸發(fā)指令從X254:1輸入，經(jīng)過(guò)B1耦合后輸入到D1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，觸發(fā)后輸出2μs脈寬，128V高電平脈沖信號(hào)傳遞到N3脈寬調(diào)制器，信號(hào)調(diào)制完成后由XZ1:4、XZ1:1輸出給高壓脈沖觸發(fā)變壓器。在產(chǎn)品通電測(cè)試時(shí)，使用示波器對(duì)N3脈寬調(diào)制器輸出端和輸入端進(jìn)行信號(hào)采集，均只有3次脈沖信號(hào)；對(duì)D1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端和輸入進(jìn)行信號(hào)采集，輸出端僅有3次脈沖信號(hào)，而輸入端有13次脈沖信號(hào)，由此可判斷D1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器故障，導(dǎo)致輸出脈沖信號(hào)次數(shù)不足13次，導(dǎo)致夜間工作狀態(tài)下進(jìn)行“穿越式配準(zhǔn)”閃光工作時(shí)出現(xiàn)“閃光燈漏閃”現(xiàn)象。更換合格的D1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（型號(hào)：CD4098BF3A）后，故障排除。

圖5 部分電源板電路圖

在本文中的D1有如下特點(diǎn)：一是它有兩個(gè)不同的工作狀態(tài)，分別為穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)；二是它能夠在外界激勵(lì)的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)從穩(wěn)態(tài)到暫穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變，并且能夠自動(dòng)回到穩(wěn)態(tài)；三是暫穩(wěn)態(tài)所持續(xù)時(shí)間與激勵(lì)脈沖的幅值以及周期無(wú)關(guān)，只與最初所設(shè)計(jì)的電路本身有關(guān)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器主要有門(mén)電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩大類(lèi)。

一般情況下，設(shè)計(jì)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如果是門(mén)電路，那么RC電路的充、放電過(guò)程將決定其暫穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以有多種不同的分類(lèi)方式，如果按RC電路的不同接法可以分為積分電路形式和微分電路形式。這兩種電路形式各有優(yōu)點(diǎn)，單從抗干擾方面說(shuō)的話，積分電路形式更加具有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)榉e分電路形式在尖峰脈沖的噪聲作用下不能夠輸出工作所需寬度的脈沖。它的缺點(diǎn)是因?yàn)樵陔娐返霓D(zhuǎn)換過(guò)程中沒(méi)有正反饋功能，故邊沿波形不夠好。而且它能夠正常工作的前提是所需觸發(fā)脈沖寬度必須大于輸出脈沖寬度。

集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)范圍小，觸發(fā)方式簡(jiǎn)單。在TTL電路和CMOS電路的產(chǎn)品中，如果使用集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，那外接元件就非常少，并且集成基礎(chǔ)功能多，比如上下沿觸發(fā)功能和置零。在集成電路中由于有溫度補(bǔ)償電路，故其受溫度影響較小。

目前市面上所使用的觸發(fā)器有兩種，分別為可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)?？芍貜?fù)觸發(fā)意思就是在暫時(shí)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)期間接收到新的觸發(fā)信號(hào)，電路被觸發(fā)，進(jìn)行臨時(shí)穩(wěn)定，當(dāng)兩個(gè)觸發(fā)脈沖間隔小于臨時(shí)穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間Tw時(shí)，將繼續(xù)進(jìn)行臨時(shí)穩(wěn)定，直到，接收到脈沖后在Tw時(shí)間內(nèi)未接收到新的脈沖信號(hào)，返回到穩(wěn)態(tài)電路。這導(dǎo)致了較長(zhǎng)的輸出脈沖寬度，通過(guò)多次重復(fù)發(fā)射，從第一個(gè)脈沖到最后一個(gè)脈沖持續(xù)1Tw。不可重復(fù)觸發(fā)型的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就不能夠通過(guò)加入激勵(lì)信號(hào)讓處于暫穩(wěn)態(tài)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器回到工作狀態(tài)。電路一旦被觸發(fā)進(jìn)入暫態(tài)穩(wěn)態(tài)，再次接收到的觸發(fā)脈沖不會(huì)影響電路的工作過(guò)程，也不會(huì)影響原來(lái)的暫態(tài)穩(wěn)態(tài)時(shí)間。輸出脈沖寬度Tw仍然從第一個(gè)觸發(fā)器計(jì)算。只有在暫態(tài)穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，才能響應(yīng)新的觸發(fā)脈沖，進(jìn)入下一個(gè)暫態(tài)穩(wěn)態(tài)。

該型下視景像匹配系統(tǒng)照明電源板中的D1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是集成不可重復(fù)觸發(fā)型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。D1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4098BF3A共有16個(gè)引腳，呈DIP封裝，其主要引腳的功能為：CX：引腳1（15），定時(shí)電容輸入端。RX：引腳2（14），定時(shí)電阻輸入端。RD：引腳3（13），復(fù)位控制端，一般直接接高電平。TR+：引腳4（12），脈沖上升沿有效輸入端。TR-：引腳5（11），脈沖下降沿有效輸入端。Q：引腳:6（10），正脈沖信號(hào)輸出端。Q：引腳7(9)，負(fù)脈沖信號(hào)輸出端。

CD4098BF3A型觸發(fā)器提供了上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)，并且該觸發(fā)器有兩路輸出信號(hào)。因此合理使用兩路信號(hào)不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)正、負(fù)激勵(lì)信號(hào)的檢測(cè)，而且可以對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行倍頻。在不考慮電容參數(shù)的情況下，該觸發(fā)器的定時(shí)參數(shù)公式為：

τ=0.7RC

其中R為定時(shí)電阻，單位KΩ，該觸發(fā)器設(shè)計(jì)最小值為5KΩ，C為定時(shí)電容，單位uF，該觸發(fā)器設(shè)計(jì)最大值為100pF，為輸出脈沖寬度，單位取us。

D1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)作用時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在外來(lái)觸發(fā)信號(hào)作下，會(huì)由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，由于外部RC延時(shí)環(huán)節(jié)作用，電容充電使D1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)不能長(zhǎng)期保持，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)返回到穩(wěn)態(tài)，進(jìn)行單次觸發(fā)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生單脈沖信號(hào)。在夜間工作狀態(tài)下進(jìn)行“穿越式配準(zhǔn)”，綜合計(jì)算機(jī)發(fā)出閃光指令脈沖時(shí)，由于D1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器失效，無(wú)法產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)傳輸給閃光燈進(jìn)行激勵(lì)，從而導(dǎo)致閃光燈無(wú)法響應(yīng)13次。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)可能的故障模塊進(jìn)行梳理并列故障樹(shù)，之后逐一排除模塊故障，定位到模塊故障后對(duì)模塊中可能發(fā)生的故障點(diǎn)使用信號(hào)循跡法、替換法、旁路檢測(cè)法等方法進(jìn)行檢測(cè)，最后成功定位故障。在這個(gè)過(guò)程中需要熟悉產(chǎn)品及工作機(jī)理，并且能夠掌握部分電路檢測(cè)方法。