数字锁相弹道相机旋转快门相位控制器的优化设计

     0 引言

    武器装备的测试水平与武器装备的发展是密切相关、相辅相成的.现代战争要求发展高准确的全天候作战武器,与此相适应,提高对现代武器的全天候综合测试能力至关重要.当前,我国对诸如导弹、火箭、炮弹等弹道参数的测试,主要是利用各种传感器或胶片进行成像测试;而相比之下,在国外广泛采用的弹道相机则利用镀膜玻璃干板作为成像介质,具有高准确、大视场等特点,在常规兵器弹道测试中具有举足轻重的作用[1].但弹道相机也有它的缺点,即相机控制部分多采用模拟锁相技术控制相机快门,且以模拟电路、分立元件为主的设计方法,同步捕获范围窄、速度慢、准确低,严重影响了交汇测量准确.随着数字技术的发展,尤其是大规模集成电路及微处理器的广泛应用,使得一些复杂的高准确控制得以实现[2].针对上述问题,本文提出了应用数字锁相技术取代模拟锁相技术控制弹道相机旋转快门的方案,并结合具体的试验应用效果分析了该设计方案的可行性和优越性.

    1 原理分析

    1.1 系统概述

    弹道相机主机由光学镜头组、旋转快门、程序快门等组成[3].旋转快门控制曝光中心与摄影频率信号的同步,程序快门控制相机开拍、抹点(为了方便空间交汇处理时确定时间基准点)和停拍.弹道相机的旋转快门由快、慢两组叶片组成,每组有四个叶片,各自分装在四个轴上.快慢叶片之间由过渡齿轮联系起来,它们都是由同步电机通过变速齿轮箱驱动.旋转快门在工作时连续旋转,当叶片开口打开光瞳时,目标在底版上成像,获得干板图像,经过后期处理获得弹道空间坐标,再计算出弹道诸元参数.

    系统采用磁滞式三相同步电动机作为驱动电机,该电机的转速正比于定子绕组控制电压的频率,调整电机的驱动频率就可以调整电机的转速,进而达到控制曝光频率的目的.锁相控制就是控制输入信号(摄影指令)和反馈信号(旋转快门的回答信号)这两个脉冲信号的前沿同步,从而实现弹道相机旋转快门的同步.

    1.2 锁相原理

    锁相环路是一个相位跟踪系统,从输入信号加到环路的输入端开始,直到环路达到锁定的全过程,称为捕获过程.捕获过程所需要的时间,称为捕获时间Tp.对一定的环路来说,是否能通过捕获而进入同步,完全取决于起始频差$Xo,若$Xo超过某一范围,环路就不能捕获[4].这个范围的大小是锁相环路的一个重要性能参数,称为环路的捕获带$Xp,也就是锁相环路的牵引范围.

    为了保证摄影指令的前沿和旋转快门曝光曲线中心位置同步,首先要使叶片的曝光频率和摄影指令的频率保持近似相等,就是起始频差$Xo应小于环路的捕获带$Xp,模拟锁相技术最大的弱点就是,必须由人工进行初始校准调节来实现捕获,且同步准确较低,而采用数字锁相技术则可以很好地解决这一问题.