导弹平台二维激光测平仪数据处理技术

　　0　引　　言

　　惯性平台是导弹武器的核心部件,是决定导弹打击精度的关键因素,而水平基准则是其重要性能指标。为了提高二维水平基准测量速度和精度,设计了一种基于激光的二维测平仪。它用可见激光进行快速对准,通过二维枕形PSD捕捉平台水平基准反射光斑的位置,采用嵌入式微处理系统进行数据采集和处理,OLED显示输出,实现平台调平精度的快速自动化测试[1]。由于PSD的非线性,在大视场内测量数据出现较大偏差,必须通过数据建模和处理,修正系统的输出,才能保证系统的测量精度。本文就是介绍导弹平台激光测平仪的数据建模和处理工作。

　　1　平台激光测平仪测量原理

　　本系统光学系统及仪器框架示意图[1]如图1所示。

由图1可知,激光器LD发出的光束经准直透镜D、半透半反玻璃S1之后,成平行光射出,Z轴为激光光轴。设平台六面体P绕X轴有一微小转角θ,则反射光R经物镜组W、三角棱镜E和目镜组M组成的20倍望远镜系统,成细光束r以倾斜角40θ照射在二维光斑位置传感器处,PSD把光斑p′信号转换成4路光电流信号,4路光电流信号经过电流-电压转换和放大后,再经过A/D转换成16位数字信号送入数据处理二维光斑位置传感器进行位置和角度解算,OLED显示测量结果。设二维光斑位置传感器中心为原点,与望远镜的距离为L,初始时,光点在二维光斑位置传感器上的位置为p(x,y),此位置设置为相对零点。当反射面转动θ角后,光点在二维光斑位置传感器上的位置为p′(x′,y′),相对于零点的位移为(x″,y″)。由于光点的位移值远远小于距离L,所以可得到反射面转角的计算公式为:

　　2　测平仪光学系统光斑位置测量方案

　　系统采用枕形结构的二维PSD[2],其光敏面尺寸为21 mm×21 mm,最大检测误差小于5μm,通过调整反馈电阻使其输出电压在-9~5 V之间变化。以PSD的中心为原点,在4路反馈电阻相等的条件下,枕形结构的二维PSD示意图如图2所示。

　　式(2)是枕型二维PSD的光斑位置计算公式,其中通常认为k=d2,d为枕型位置敏感探测器相邻2个顶点之间的距离。

　　3　试验及数据采集

　　为了检验测平仪的性能指标,进行了数据采集试验。数据采集试验主要是验证x(水平)、y(垂直)方向的测量精度。在实验室条件下,将测平仪固定在精密回转台支架上,同时使用平面镜作为测试平面固定在回转台上。试验前先调整测平仪与平面镜的相对位置,使测平仪的激光束能由平面镜反射回测平仪,并将光斑的位置尽量调整到PSD敏感区域的中心。水平精度测试时调整反光镜与测平仪的相对位置,当测平仪的Y轴读数变化<2"时,反射光的光路与PSD的水平(X轴)方向大致在同一平面。小幅度(每次10")转动转台,观察并记录测平仪X方向转角读数和转台转角值(标准值),当测平仪X方向转角读数线性不再明显时,停止转动。再将转台回转相同的角度,测平仪复位,反方向小幅度(每次10")转动转台,观察并记录测平仪X负方向转角读数和转台转角值(标准值),当测平仪X负方向转角读数线性不再明显时,停止转动。垂直精度测试方法类同,测得数据如表1所示。