某型捷联激光导引头网格化标定研究

2022-05-23陈青贵

河南科技 2022年7期

陈青贵

摘要：为解决某型捷联激光导引头轴向标定测角误差大的问题，研究如何使用现有设备进行测角精度更高的网格化标定。采用逐点极坐标转换的方法获取网格化标定点的转台运动坐标，项目得以实施。在研究过程中，解决了网格化标定时因转台重复往返运动以及转台需要多次进行归零操作而导致网格化标定消耗时间太长问题。最终顺利将该型激光导引头网格化标定落实于实物并应用于生产，大幅提高了该型激光导引头的制导精度。

关键词：捷联;激光导引头;网格化;标定

中图分类号：TG333 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2022）7-0015-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.003

Abstract： To reducing the error of a strapdown laser seeker angle output， a new angle calibration method should be applied on the existing equipment. By using coordinate transformation， the target could be reached. However， the time consumption of new calibration is too long. This is because of the turntable having too many times to-and-fro movement and reset operation. Through reordering the angle calibration， the problems were solved. Finally， the gridding angle calibration of this laser seeker is successfully applied in the production， and it greatly improves the guidance precision of this laser weapon.

Keywords： strapdown; laser seeker; gridding; calibration

0 引言

经过数十年的发展，激光制导技术已经十分成熟[1]。目前世界上出现了种类众多的激光制导武器[2]。某型捷联激光导引头具有结构紧凑、线性视场大、成本低廉等优点，具有广阔的市场前景。该型捷联激光导引头在初期采用的是轴向标定法。轴向标定后导引头测角误差分布情况如图1所示，从图中可看出，在标定轴向的测角误差较小，但是在其他方位的测角误差偏大甚至难以接受。导引头测角误差大严重影响了激光制导武器的制导精度，甚至可能会使武器无法完成战斗任务[3]，有文献对激光导引头测试和标定系统进行了大量有用的研究[4-5]，但是新建一个激光导引头标定测试系统要耗费大量的时间与资金，这样任务难以保证完成。因此，亟须研究一种利用现有生产条件能大幅提高导引头测角精度的标定方法。

1 捷联激光导引头基本原理

如图2所示，导引头光学系统接收被攻击目标反射的脉冲激光（远距离点光源，可作平行光处理）汇聚到后离焦的四象限探测器上。如图3所示，激光在探测器上形成圆形光斑，系统设计光斑直径约为探测器直径一半。当目标反射的激光（平行光）与光学系统中轴偏离时，四个激光探测器接收的能量就存有差异。设激光探测器输出的电压分别为Ua、Ub、Uc、Ud。通过公式（1）（2）可以得出不同入射角与探测器电压的关系。式中θY和θZ是计算的光线入射角在探测器直角坐标平面YOZ中坐标轴向分量。导引头经标定系统标定即可确定计算角度和实际角度的对应关系，经过标定后的导引头方可用于实际角度的测量[6]。

2 网格化标定

网格化标定法是对导引头的线性区进行标定的一种方法，可以实现在导引头指标范围内对所有关键点因理论、装配和材料等引起的测量误差进行校正，网格化标定具体步骤如下。

①将目标线性区±10°按照俯仰和偏航输入值进行二维网格化，形成441个测试点，参照图4。图中空心圆点是常规轴向标定法标定的点，网格化标定的点是图4中所有的圆点。

②逐个测试二维网格点（图4的圆点坐标位置）导引头计算的俯仰和偏航的輸出值，形成输入与输出对应的两个矩阵（俯仰矩阵和偏航矩阵）。

③使用时，导引头先根据采集的信号分别计算俯仰和偏航初值，然后通过俯仰矩阵和偏航矩阵查表确定实际输入所在的区间，最后经过线性插值的方法获得实际的俯仰和偏航输入角。

从图4可以看出，网格化标定相比轴向标定，标定点数量增加了10倍，但是网格标定能解决常规轴向标定后非轴向的测角输出误差大的问题，能极大地减小导引头的测角误差。

3 网格化标定

3.1 格标定伪代码

根据上文给出的导引头网格标定的步骤，其中的①②项属于网格标定的过程，③是导引头内部软件实现过程。所以①②项使用伪代码描述如下。

//网格化标定伪代码开始。

转台俯仰回零;//Y轴向

转台方位回零;//Z轴向

for（i=-10，i<=10，i++）

{for（j=-10，j<=10，j++）

转台俯仰位置=i;

转台方位位置=j;

等待转台到位;

读取导引头俯仰输出值Yout;

读取导引头方位输出值Zout;

标定矩阵Y[i+10，j+10]=Yout;

标定矩阵Z[i+10，j+10]=Zout;

}

//网格标定伪代码结束。

从伪代码可以看出，如果转台能够直接给导引头提供俯仰和方位两个轴向的方位角输出，网格标的实现程序会很简便。

3.2 直角坐标转极坐标

该型激光导引头标定系统依照常规轴向标定原理设计，转台只有一个方位转台和一个横滚转台。标定设备的方位转台给导引头提供轴向的方位角输入，横滚转台可让导引头滚动从而实现轴向的切换。这样导引头标定系统在俯仰和方位两个轴向都能给导引头提供方位角输入，从而完成导引头的轴向标定及测试。

该标定系统无法完成3.1中的功能，无法同时在两个轴向给导引头提供角度输入。但是一个横滚转台和一个方位转台可理解为极坐标形式。如图5所示，横滚转台提供θ输入，方位转台可提供r方位的输入。因此，该标定系统可通过极坐标形式完成网格化标定任务。

参照图5，针对网格化标定的每个位置（i，j）都可将其转换为（r，θ），转换公式按i的大小分三种情况如下。

①i>0时

j>=0时（第一象限）

r=sqrt（i2+j2）;θ=arctan（j/i）;

j<0时（第四象限）

r=sqrt（i2+j2）;θ=2*π+arctan（j/i）;

②i=0时

j>=0时

r=j;θ=π/2;

j<0时

r=-j;θ=3*π/2;

③i<0时（第二、三象限）

r=sqrt（i2+j2）;θ=π+arctan（j/i）;

4 网格化标定的实现

按照3.2的分析，导引头标定系统的转台按极坐标形式可以实现导引头网格标定，实现的伪代码如下。

//网格标定伪代码开始。

转台横滚回零;

转台方位回零;

for（i=-10，i<=10，i++）

{

for（j=-10，j<=10，j++）

{

直角坐标（i，j）转极坐标（r，θ）;

转台方位位置=r;

转台滚转位置=θ;

等待转台到位;

读取导引头俯仰输出值Yout;

读取导引头方位输出值Zout;

标定矩阵Y[i+10，j+10]=Yout;

标定矩阵Z[i+10，j+10]=Zout;

}

按照上面伪代码即可便捷实现导引头网格标定的程序设计，但是在实现过程中却发现几个比较大的问题。

4.1 网格化标定实现的难题

4.1.1 横滚转台往复运动，耗时长。以上文4中所述的循环结构运行时，横滚转台θ值会有往复运动，如图6所示。

当初横滚转台设计只是为了给导引头提供通道切换，只对位置精度有要求，对转台的运行速度要求不高。當横滚转台往复运动时，横滚转台转动的角度量增加，运行的时间大大增加，以此方法完成一枚导引头网格化标定耗时接近4个小时。

4.1.2 横滚转台运转超100°，回程需要归零。从图6可以看出，一开始转动角度就会超过100°，由于标定设备设计之初只要求转动范围为±100°，采购的转台在转动超过100°时，无法直接进行回程操作，如要进行回程操作需要先进行归零操作。比如从185°转到145°位置时，转台需要先进行归零操作（找转台机械零位），然后在转到145°位置，转台每次归零操作要转动350°左右，耗时大概3 min。

按照上文所述的循环结构运行时，横滚转台需要来回往复，转台大概需要20多次回程操作。横滚转台仅归零耗时就超过60 min。

4.2 网格化标定实现方法改进

考虑到该系统横滚转台是导引头网格标定过程中的瓶颈，需要减少横滚转台的往复运动及归零操作;将网格标定的441个点的极坐标形式（r，θ）都计算出来，按θ进行排序，让横滚转台从0°向360°逐点运动，这样在标定过程中横滚转台不需要往复运动和归零操作，能极大提升标定效率。

图6是网格标定点按顺序标定时θ值的变化情况，可见θ值有21次往复运动，每次都有超过100°的角度值，往复运动需要进行归零操作。

图7是将网格标定的点按极坐标（r，θ）的θ值进行升序排列，网格标定按照θ值的顺序进行标定，这样横滚转台总的运动角度不会超过360°，运行时间短。另外，运行过程中不需要往复，横滚转台只需要标定完毕后进行一次归零操作即可回零。这样可大大节省标定时间。

因此，改进的网格标定方法使用伪代码表述如下。

//网格标定伪代码开始。

转台横滚回零;

转台方位回零;

for（n=1，n<=441，i++）

{

从表格中读取新序号n行的极坐标（r，θ）;