一种空心激光驾束制导模拟实时控制与显示系统的制作方法

1.本发明属于光电试验测试与实时控制技术领域，具体涉及一种空心激光驾束制导模拟实时控制与显示系统，该系统可实现空心驾束制导模拟的实时控制与显示，为模拟导弹在空心激光束中的飞行状态提供必要的试验验证手段。


背景技术：

2.随着激光告警技术的不断发展，制约了激光制导类武器系统效能的正常发挥，通过对照射激光束的进行空心改造，可以有效的提高激光驾束制导武器的打击效能，但导弹武器系统对空心激光的适应能力成为武器系统研发的难点。针对武器系统前期的研发构建了模拟试验系统，为了提高试验的实时性和操作控制简单性，为了能够定量验证武器系统的跟踪性能，需要构建空心激光驾束制导模拟实时控制与显示系统，提高对二轴转台的精确定量控制能力，实现手动控制和自动控制功能，在电视监控基础上，设计研制定量测试手段，保障试验验证的准确性与真实性，同时设计研制实时控制和显示功能，实现多路信息的实时显示，为武器系统的研制试验提供直观可靠的数据依据。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.本发明要解决的技术问题有三个：其一是为了较逼真的模拟导弹的飞行运动情况，特别是在空心激光束中的飞行状态，设计研制了制导操控仪，实现精确定量的手动和自动两种控制方式；其二是定量的电视测试，实现导弹偏转控制指令与电视测角测试的对比验证；其三是多路信息的实时显示，电子测角仪输出的视频图像、角偏差信号实时采集与显示，和弹上计算机解算的位置信息实时采集与显示。
5.(二)技术方案
6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种空心激光驾束制导模拟实时控制与显示系统，所述系统包括：制导操控仪、导弹运动模拟转台、测试控制计算机和图像跟踪采集显示系统，用于实现空心驾束制导模拟的实时控制显示与偏转量的验证；
7.所述制导操控仪用于根据测试控制计算机的控制指令，对导弹运动模拟转台进行实时控制；
8.所述导弹运动模拟转台用于在制导操控仪的控制下，完成模拟弹的支撑和高精度的偏转运动；
9.所述测试控制计算机用于获得图像跟踪采集显示系统输出的误差角，完成与导弹在激光信息场中实际位置的比对计算处理，并根据弹上计算机的偏转指令解算出导弹运动模拟转台的控制指令；
10.所述图像跟踪采集显示系统用于在测试控制计算机的控制下完成导弹目标视场的成像清晰，输出目标与视轴的误差角和所采集导的图像视频信号至测试控制计算机。
11.其中，所述制导操控仪内部集成了系统电源、步进电机驱动模块、操控仪脉冲发生
器、计算机接口转换器、操控按钮，手动自动切换按钮和输入输出接口。
12.其中，所述制导操控仪用于在测试控制计算机参与的情况下，由测试控制计算机根据弹上计算机的偏转指令解算出导弹运动模拟转台的控制指令，制导操控仪再根据测试控制计算机的控制指令对导弹运动模拟转台进行自动控制。
13.其中，所述制导操控仪用于在测试控制计算机不参与的情况下，实现对导弹运动模拟转台的手动操控，以及对ccd摄像机供电与镜头参数控制，方便调试以及现场使用。
14.其中，所述图像跟踪采集显示系统实时测量得到图像视频信号，实现定量测量目标与视轴的误差角，从而达到电视测角的目的，获得电视观瞄测角输出的误差角；误差角和图像视频信号一起传输至测试控制计算机；
15.测试控制计算机通过对电视观瞄测角输出的误差角与弹上计算机解算出的导弹在激光信息场中的实际位置进行比对，验证模拟弹上计算机解算出的偏转指令和模拟转台运动的正确性。
16.其中，所述系统所涉及的导弹为模拟弹。
17.其中，所述导弹运动模拟转台为模拟弹提供支撑平台，由方位和俯仰两套独立的转动装置组成，可模拟导弹在有控飞行过程中方位、俯仰的姿态运动；
18.所述方位和俯仰的每套轴系由相互独立的伺服控制单元控制，各轴系控制回路由控制及驱动电路、步进电机、框架角传感器组成；模拟弹上计算机输出的脱靶量信号经过处理后，下传给导弹运动模拟转台的伺服控制系统，即制导操控仪，制导操控仪控制轴系电机转动，达到驾束制导模拟的目的。
19.其中，所述图像跟踪采集显示系统包括镜头、ccd摄像机、电子测角仪和图像显示单元，其输出的图像视频信号与误差角同时送给测试控制计算机进行信息存储和显示；测试控制计算机通过误差角与弹上计算机解算出的模拟弹在激光信息场中的实际位置进行比对，监测模拟弹上计算机解算出的偏转指令和模拟转台运动的正确性。
20.其中，所述电子测角仪由dsp处理模块、fpga逻辑控制及预处理模块、图像解码模块、图像编码模块、图像缓存模块、系统控制模块和电源滤波模块组成；ccd摄像机输出的视频图像送至电子测角仪，电子测角仪根据图像识别与跟踪的相关算法规律，进行目标识别与跟踪运算，并求得目标与视轴的误差角，结果与图像视频信号一起传输至测试控制计算机进行存储与显示。
21.其中，所述误差角包括俯仰误差角和方位误差角；
22.俯仰和方位误差角的输出、电子测角仪的参数设置与控制功能通过rs-422串行通信接口实现；
23.电子测角仪的图像识别与跟踪的相关算法包括：基于分割的质心跟踪法、基于提边的差分法、特征匹配跟踪法；测角算法依据是目标图像偏离视场中心的像素数δx、δy乘以单像素对应的锥角δβ，计算公式为，水平角误差：h＝δx
×
δβ，垂直角误差：v＝δy
×
δβ。
24.(三)有益效果
25.与现有技术相比较，本发明的有益效果体现在以下两个方面：
26.(1)空心激光驾束制导模拟实时控制与显示系统，主要用于实时手动和自动控制二轴转台和模拟导弹在空心激光束中的偏转，并实时显示和定量测试导弹的偏转跟踪性
能。为进行空心激光驾束制导模拟试验提供必要的条件保障，通过实时控制和显示以及定量的测试手段，为武器系统制导控制的先期设计、试验验证提供必要的条件支撑。
27.(2)可以提升精确制导武器的研发手段，保障试验验证的准确性与真实性。该实时控制与显示系统可以解决空心激光驾束制导模拟的定量测试问题，可以实现系统的自动控制与实时显示，为空心激光驾束制导武器系统的制导控制模型的建立和试验评估提供简单可靠的试验条件。
附图说明
28.图1是本发明空心激光驾束制导模拟实时控制与显示系统组成框图。
29.图2是电视测角原理图。
30.图3是测试控制计算机显示的导弹在空心激光信息场中的位置点。
31.图4是测试控制计算机显示的实时电视监控与控制，电视测角位置偏差结果显示图。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
33.为了解决上述技术问题，本发明提供一种空心激光驾束制导模拟实时控制与显示系统，所述系统包括：制导操控仪、导弹运动模拟转台、测试控制计算机和图像跟踪采集显示系统，用于实现空心驾束制导模拟的实时控制显示与偏转量的验证；
34.所述制导操控仪用于根据测试控制计算机的控制指令，对导弹运动模拟转台进行实时控制；
35.所述导弹运动模拟转台用于在制导操控仪的控制下，完成模拟弹的支撑和高精度的偏转运动；
36.所述测试控制计算机用于获得图像跟踪采集显示系统输出的误差角，完成与导弹在激光信息场中实际位置的比对计算处理，并根据弹上计算机的偏转指令解算出导弹运动模拟转台的控制指令；
37.所述图像跟踪采集显示系统用于在测试控制计算机的控制下完成导弹目标视场的成像清晰，输出目标与视轴的误差角和所采集导的图像视频信号至测试控制计算机。
38.其中，所述制导操控仪内部集成了系统电源、步进电机驱动模块、操控仪脉冲发生器、计算机接口转换器、操控按钮，手动自动切换按钮和输入输出接口。
39.其中，所述制导操控仪用于在测试控制计算机参与的情况下，由测试控制计算机根据弹上计算机的偏转指令解算出导弹运动模拟转台的控制指令，制导操控仪再根据测试控制计算机的控制指令对导弹运动模拟转台进行自动控制。
40.其中，所述制导操控仪用于在测试控制计算机不参与的情况下，实现对导弹运动模拟转台的手动操控，以及对ccd摄像机供电与镜头参数控制，方便调试以及现场使用。
41.其中，所述图像跟踪采集显示系统实时测量得到图像视频信号，实现定量测量目标与视轴的误差角，从而达到电视测角的目的，获得电视观瞄测角输出的误差角；误差角和图像视频信号一起传输至测试控制计算机；
42.测试控制计算机通过对电视观瞄测角输出的误差角与弹上计算机解算出的导弹在激光信息场中的实际位置进行比对，验证模拟弹上计算机解算出的偏转指令和模拟转台运动的正确性。
43.其中，所述系统所涉及的导弹为模拟弹。
44.其中，所述导弹运动模拟转台为模拟弹提供支撑平台，由方位和俯仰两套独立的转动装置组成，可模拟导弹在有控飞行过程中方位、俯仰的姿态运动；
45.所述方位和俯仰的每套轴系由相互独立的伺服控制单元控制，各轴系控制回路由控制及驱动电路、步进电机、框架角传感器组成；模拟弹上计算机输出的脱靶量信号经过处理后，下传给导弹运动模拟转台的伺服控制系统，即制导操控仪，制导操控仪控制轴系电机转动，达到驾束制导模拟的目的。
46.其中，所述图像跟踪采集显示系统包括镜头、ccd摄像机、电子测角仪和图像显示单元，其输出的图像视频信号与误差角同时送给测试控制计算机进行信息存储和显示；测试控制计算机通过误差角与弹上计算机解算出的模拟弹在激光信息场中的实际位置进行比对，监测模拟弹上计算机解算出的偏转指令和模拟转台运动的正确性。
47.其中，所述电子测角仪由dsp处理模块、fpga逻辑控制及预处理模块、图像解码模块、图像编码模块、图像缓存模块、系统控制模块和电源滤波模块组成；ccd摄像机输出的视频图像送至电子测角仪，电子测角仪根据图像识别与跟踪的相关算法规律，进行目标识别与跟踪运算，并求得目标与视轴的误差角，结果与图像视频信号一起传输至测试控制计算机进行存储与显示。
48.其中，所述误差角包括俯仰误差角和方位误差角；
49.俯仰和方位误差角的输出、电子测角仪的参数设置与控制功能通过rs-422串行通信接口实现；
50.电子测角仪的图像识别与跟踪的相关算法包括：基于分割的质心跟踪法、基于提边的差分法、特征匹配跟踪法；测角算法依据是目标图像偏离视场中心的像素数δx、δy乘以单像素对应的锥角δβ，计算公式为，水平角误差：h＝δx
×
δβ，垂直角误差：v＝δy
×
δβ。
51.实施例1
52.将空心激光驾束制导模拟实时控制与显示系统放置于空心激光束中时，可以通过切换制导控制仪上的手动/自动模式，进行试验测试。当处于手动控制模式时，通过制导控制仪上的转台电源对转台进行上电，手控电源用来给手控按钮进行上电，可以通过制导控制仪上的变倍+和变倍-按钮进行ccd镜头的大范围调节，通过制导控制仪上的聚焦+和聚焦-按钮进行监控相机的成像清晰度细致调节，通过制导控制仪上的方位+、方位-，俯仰+和俯仰-按钮进行方位和俯仰的手动调节。当处于自动控制模式时，制导操控仪配合测试控制计算机自动完成测试任务。
53.空心激光驾束制导模拟实时控制与显示系统所需要的电源电压是通过ac/dc电源转换模块实现的，电源种类如下：
54.a)dc36v、5a为转台步进电机主回路驱动电源；
55.b)dc
±
12v、2a为ccd相机供电与镜头参数控制电源；
56.c)dc20v、1a为模拟弹内部用电单元提供电源；
57.d)dc5v,1a为脉冲发生器和操控按钮指示灯提供电源。
58.在计算机系统不参与工作的情况下，为了对转台进行相关的运动控制，系统专门设计了手控脉冲发生器单元，方便了系统的操作使用。
59.模拟转台为模拟弹提供支撑平台，系统主要组成环节之一，由方位和俯仰两套独立的转动装置组成，可模拟导弹在有控飞行过程中方位、俯仰的姿态运动。每套轴系由相互独立的伺服控制单元控制，各轴系控制回路由控制及驱动电路、步进电机、框架角传感器等组成。模拟弹上计算机输出的脱靶量信号经过处理后，下传给转台伺服控制系统，伺服控制系统控制轴系电机转动，达到驾束制导模拟的目的。
60.为了保证转台的精度，设计中采取了如下措施：
61.a)外环机构：由步进电机带动蜗杆转动，蜗杆带动涡轮转动，最终带动台体转动，实现台面的方位角转动；
62.b)内环机构：与外环一样，由步进电机带动蜗杆转动，蜗杆带动涡轮转动，最终带动台体转动，实现台面的俯仰角转动。这两环的最主要区别在于内环的结构体是安装在外环之上的，方位角转动时外环只是转轴转动，而内环的结构体是一并转动的；
63.c)定位检测控制系统：由固定于伺服电机轴上的脉冲编码器实现对转轴移动的准确控制及闭环反馈位置检测监控。
64.由于蜗轮/蜗杆传动的减速比是一定的，所以检测到电机轴转动的角度，就可以间接地检测到转台实际转动的角度。
65.d)框架选用高强度钢架结构制造，抗拉强度σb为340mpa，主轴用40cr加工，p4精度的成对角接触球轴承构成精密回转轴系，经向、轴向承载能力加大，回转在
±3″‑±5″
之内。采用伺服电机与高精度无间隙涡轮蜗杆直接驱动框架，无中间传动链，减少了间隙和弹性变形，增加了偶合刚度，也显著的减小了电机折算惯量，提高了扭转刚度。
66.e)为了实现定量测试，角度反馈元件选用了高分辨率增量式脉冲编码器，精度为217p/rev，它的输出脉冲直接接入位置控制插卡，在卡中进行4分频，最终的角度分辨率为360
°
/(4
×
217)＝0.00068
°
(0.25
″
)，满足控制精度要求。
67.f)控制方法
68.转台除了计算机控制外，增加了手动操控功能可在较大范围内对目标进行搜索，为了实现在大范围的搜索与定位，该功能通过相应的控制按键给予实现。
69.转台主要指标测试结构如下。
70.1)工作范围：方位
±
25
°
71.俯仰
±
25
°
72.2)角速度：方位15
°
/s
73.俯仰15
°
/s
74.3)角加速度：方位25
°
/s2
75.俯仰25
°
/s2
76.4)角分辨率：≤10
″
77.5)定位精度：≤13
″
78.由于转台精度较高，采用光学杠杆的方法进行放大测量，光杠杆测试方法如图2所示进行测试布置。测试中，使用长度尺对距离l和光点移动位置h进行测量，依据公式：
计算出偏转的角度分辨率。
79.图像跟踪采集显示系统由镜头、ccd摄像机、电子测角仪和图像显示等部分组成，视频图像与测角信号同时送给测试控制计算机进行信息存储和显示。测试控制计算机通过输出的误差角与弹上计算机解算出的模拟弹在激光信息场中的实际位置(如图3)进行比对，监测模拟弹上计算机解算出的偏转指令和模拟转台运动的正确性。电子测角仪由dsp处理模块、fpga逻辑控制及预处理模块、图像解码模块、图像编码模块、图像缓存模块、系统控制模块和电源滤波模块等组成。ccd摄像机输出的视频图像送至电子测角仪，电子测角仪根据图像识别与跟踪的相关算法规律，进行目标识别与跟踪运算，并求得目标与视轴的误差角，结果与视频图像一起传输至测试控制计算机进行存储与显示。
80.俯仰和方位误差角的输出、电子测角仪的参数设置与控制功能通过rs-422串行通信接口实现。图像识别与跟踪算法包括：基于分割的质心跟踪法、基于提边的差分法、特征匹配跟踪法等，同时软件还具有抗干扰处理等功能。测角算法依据是目标图像偏离视场中心的像素数(δx、δy)乘以单像素对应的锥角(δβ)，计算公式为，水平角误差：h＝δx
×
δβ，垂直角误差：v＝δy
×
δβ。
81.测试控制计算机主要用于对电子测角仪输出的视频图像、角偏差信号进行采集，完成与弹上计算机的信息交换，对上述信息进行存储与显示。对弹上计算机输出的位置偏差信号进行处理运算，根据运算结果向模拟转台输出控制信号，控制模拟弹按制导指令运动。测试控制计算机主要由主机、图像采集卡、步进电机运动控制卡，多串口卡、i/o卡和系统程序等部分组成。
82.系统程序主要功能包括系统操作界面的管理、图像以及参数的显示，串行通讯，偏差求取和偏差控制等。为了降低系统研究的难度，加快系统研究的步伐，可以选用适合本系统研制开发的各类软件产品，在此基础上进行二次开发。人机界面采用标准的windows程序界面，如主菜单、弹出式菜单、弹出式对话框、信息框等。输入输出采用文本显示和图形显示相结合的特点，文本式输入输出用于参数的装订、控制命令以及参数的输出。图形显示方式将模拟示波器的显示方式和运行界面。运行后在屏幕上显示相应的数据。数据记录以文件方式存盘，程序运行过程中可以根据需要进行文件的记录存盘。测量数据以状态指示灯、数据等形式显示出来，以便测试人员在现场对测试情况和干扰效果有初步的识别和评估。同时，主控计算机将这些数据存储和记录，以便进行后期处理，系统界面如图4所示。
83.综上，本发明属于光电试验测试与实时控制技术领域，具体涉及一种空心激光驾束制导模拟实时控制与显示系统，用于实时手动和自动控制二轴转台和模拟导弹在空心激光束中的偏转，并实时显示和定量测试导弹的偏转跟踪性能。为进行空心激光驾束制导模拟提供必要的条件保障，通过制导操控仪、导弹运动模拟转台、测试控制计算机和图像跟踪采集显示系统实现空心驾束制导模拟的实时控制与显示，为模拟导弹在空心激光束中的飞行状态提供必要的试验验证手段，该实时控制与显示系统可同时得到导弹在激光束中的位置坐标，电视方位和俯仰，二轴转台方位和俯仰，从而验证导弹在空心激光束中的跟踪性能。空心激光驾束制导模拟实时控制与显示系统的构建，对于模拟空心激光驾束制导具有重要作用，为了能够控制导弹的飞行姿态，设计了制导操控仪，在计算机系统不参与的情况下，可实现对转台的手动操控，或者根据弹上计算机的偏转指令解码成转台控制指令，方便
调试以及现场使用，导弹运动模拟转台为模拟弹提供支撑平台，实现了高精度的方位和俯仰控制运动，图像跟踪采集显示系统实现了电视测角和导弹跟踪性能的实时显示，测试控制计算机完成对电子测角仪输出的视频图像、误差角信号进行采集，完成弹上计算机解算的位置信息采集，对上述信息进行存储与显示。本发明的突出优点是，能够同时获得导弹的位置信号，导弹偏转控制指令以及方位和俯仰的跟踪性能，具有手动控制和自动控制两种功能，具有电视测角验证手段，操作方便，直观简单，图像信息实时性好。
84.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。