一种面向室内测试开发的等效运动靶标.pdf

第3 8 卷第3 期2023年6 月测试、试验与仿真光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGY APPLICATIONVol.38,No.3June,2023一种面向室内测试开发的等效运动靶标徐海峰1,李泽乾1,李世诚,乔明洋（1.中国电子科技集团公司光电研究院，天津；2.国麒光电科技有限公司，天津）摘要：提出了一种面向室内测试开发的等效运动靶标的设计思路，采用“静态黑体+动态遮挡”的布局，通过等效运动模拟实际目标的运动轨迹在垂向的投影。利用合理的优化设计，兼顾了靶标系统的通用性和可靠性。相较于其他同类产品，造价低廉，泛用性强，便于调测且易于调整修改。该方案可模拟一定距离外由地面发射的目标在垂向的等效运动,亦可在简单修改后模拟更多种类的目标。关键词：运动学分析；运动靶标；等效运动中图分类号：TH112.4文献标识码：A文章编号：1 6 7 3-1 2 5 5(2 0 2 3)-0 3-0 0 6 7-0 5Equivalent Motion Target for Indoor Testing and DevelopmentXU Haifeng,LI Zeqian,LI Shicheng,QIAO Mingyang(1.Academy of Opto-Electronics,China Electronics Technology Group Corporation(AOE CETC),Tianjin,China;2.Guoqi Opto-Electronics Technology Ltd.Co.,Tianjin,China)Abstract:A design concept of equivalent motion targets for indoor testing and development is proposed.A lay-out of static blackbody and dynamic occlusion is adopted to simulate the vertical projection of the actual targetsmotion trajectory through equivalent motion simulation.Through reasonable optimization design,both the universali-ty and reliability of the target system are taken into account.Compared with other similar products,it has lower cost,stronger universality,and is easier to debug and modify.The scheme can simulate the equivalent vertical motion ofthe target emitted from the ground at a certain distance,and can also simulate more types of targets after simplemodifications.Key words:kinematics analysis;dynamic target;equivalent motion光电告警、测量、跟踪及瞄准等光电系统在研发与测试时需要进行功能的测试和调试。其中,动态靶标是室内测量光电系统跟踪精度的主要工具，其作用是模拟空间运动目标以实现光电系统跟踪精度检测的要求。进行室内试验时，受限于空间的大小限制，通常选择等效法对目标进行模拟。随着光电测控技术的发展，跟踪测量的很多技术性能指标都比以前有了很大的提高，因此针对光电跟踪测量设备的检测技术也提出了更高的要求，在室内对光电跟踪测量设备的功能及性能指标进行检测，需要提供合适的仿真目标。室内测试的数值要求与试验内容往往是复杂且多样的，一套优秀的靶标系统需要能在最小改动的情况下适配多收稿日期：2 0 2 3-0 4-1 7种试验需求。研究了一种基于可编程伺服电机的室内等效运动靶标，为室内试验对靶标的需求提供了一种泛用的解决思路。1装置设计思路运动靶标主要模拟空间飞行的点、面目标，用于调试和检测光电设备对点目标的捕获、跟踪能力 2 。由于室内空间的限制，靶标与光电设备之间的距离通常比较小，因此对运动有较高的精度需求。丝杠步进电机（见图1)采用螺杆传动，传动精度高，且结构简洁。搭配光电开关可以实现限位与自锁的功能，控制方式多采用闭环控制，常用的有68PD控制、矢量控制、解耦控制3,可作为靶标的运动导轨和驱动装置。图1 一种丝杠电机的数模最小可分辨温差（MRTD)是红外热像仪的主要成像特性,其定义为：在一个可为观察人员分辨的标准周期测试图案中，目标和背景的最小可分辨温差。MRTD测试对于靶板表面温度的均匀性要求较高，一般要求温差控制在1.0 以内。目前，为了解决温度均匀性问题，普遍采用的方法是利用电阻丝加热整块黑面板，但是采用这种方法，电阻丝分布密集，控制复杂，难以直接应用于外场大型测试靶。针对该问题，直接利用面源黑体作为热源，可有效降低控制难度并提高靶板表面温度均匀性。面源黑体(planeblackbody）是一个能够发出可调均匀热源的设备（见图2)。对其使用隔热性能好的材料进行遮罩，并预留出小孔，能得到特定位置的几个热信号。在对其余位置保持遮罩的同时，使小孔产生相对于观瞄设备的运动，就能产生观瞄设备可以捕获到的、产生运动的点源信号，从而实现靶标的功用。将面源黑体应用于此靶标中，可以将热源的位置变化等效为带有小孔的遮罩层的变化，减轻伺服机构的载荷，有效缩小设备尺寸和成本。光电技术应用根据上文所述的设计思路，将活动板置于整个装置的中心位置，由于板件全程要遮盖住黑体，所以垂向尺寸较大，为避免作动过程中发生晃动，用铝框将板件加以固定。铝框两侧分别放置导轨和伺服机构，两者与铝框通过夹具连接。所有的装备集成安装到框架中。装备框架应做成可拆卸形式，方便在必要情况下进行拆分。整个靶标装置的总体布置如图3 所示。板框导轨及伺服机构遮光板装备框架图3 装置总体布置示意图2送运动学公式推导以从地面出发，轨迹于地平面成一定角度为方向，做直线加速运动的目标为例，任一时间t时，靶标与目标的等效关系如图4。导弹任一时间1靶标速度V加速度ao发射俯仰角靶标速度a加速度aLhL第3 8 卷导轨及伺服机构红外源导图4某时间t下靶标与目标的等效关系观测点与目标发射起始距离为L，与靶标距离为1。目标垂向分速度为Vh=Vsin0=aOtsind该时刻下观测点与目标的垂向投影距离为Lh=L_ aot2cos0(Lh0)2靶标的运动速度与目标的垂向分速度有着图2 一种常用的面源黑体比例关系为(1)(2)13第3 期杭h即ataOt sindLh得1a=aosinQ=aoLhL-cOs 02上式即为靶标需要满足的运动学公式。在Ll时,可近似认为Lh不变且LL h。此时,有a=aosinLh理论上，在电机允许的数值范围内，可以等效模拟所有同种运动规律的目标。3设计方案细化3.1遮光板遮光板主要具备两种功能：（1)在作动过程中，持续遮挡住黑体大部分区域的红外辐射，也就是说，当遮光板处于最底端（初始位置)和最顶端(结束位置)时,都能保证对黑体的有效遮挡；(2)在制定部位开孔,提供有位移的、能够观测的点热源。为了方便后续的维护和更换，将遮光板在高度方向上分割为三块板，左右两侧用铝框固定，用于连接导轨和伺服机构，同时为遮光板提供支撑，如图5 所示。中间从上到下三块为遮光板，左右两条为板框。徐海峰等：一种面向室内测试开发的等效运动靶标(3)1(4)Isin2a0l tan 2L-a0t?(5)(6)69遮光板上的通光孔形状需要满足热源束散角的要求。束散角即为由于束宽逐渐增大形成包络渐近锥面而构成的（围绕功率或能量)全角。单位为rad。对于圆截面激光束，由光束直径得知光束宽度；对于非圆截面激光束，束散角分别由x和y方向对应的光束宽度确定。为满足束散角要求，需要通光孔做成锥孔结构，且两斜边夹角9 0，小径不能大于3.5 mm。考虑到加工误差，设定通光孔大径为1 3 mm,如图6 所示。450图6 通光孔面图设观测者的垂向视野角为，多个通光孔之间的分布规律如图7 所示。h2黑体Dh1靶标受试器件图7 通光孔分布规律示意图多个通光孔遮光板根据垂向中轴线对称分布，设x为距离中轴线最近一个孔圆心和中轴线的距离则有tan2-2(h1+h2)Dh1+h2=tan2图5 遮光板与板框装配数模2xDh1+h2考虑到对观测效果的优化，对外表面进行阳极h1 Dx=2(h1+h2)氧化发黑（AI/Et.A.CI(BK）5 处理Dh1h1tan22(7)(8)(9)(10)70可见，孔的分布与黑体到靶标的距离以及受试器件的视野相关联，当受试件视野变化时，对应更改中间的光孔板即可完成适配，更换速度快，成本低。3.2革靶标外框架综合考虑成本、可靠性和整备质量等因素，选用欧标3 0 3 0 L-2.2铝型材来搭建靶标的外框架。其米重0.9 kg/m,整备质量轻,耐腐蚀性能强,力学性能优良，拆卸便捷。在遮光板的尺寸发生变化时，更换横向型材即可快速进行改型和改进，便于操作和维护。4设备的整备、测试与改进对靶标系统进行转配设计，干涉校核后，确定整体方案并投产。靶标生产交付后，对上位机软件进行优化和测试，确保其满足所需的性能指标和作光电技术应用动要求。同时购人对应型号的包装箱，方便后续试验的运输和存放。图8 为靶标装配数模图。在测试中，靶标能够模拟从地面开始运动发射的红外源某阶段在垂向的运动投影，目标能以恒定的加速度运动，加速度、终止坐标、瞬时速度等参数可以通过上位机进行约束限制。在与受试器件的联调中,发现丝杠模组,型材等部分外表面的反光会影响到观测，于是在原设备基础上加装薄的黑色消光铝板进行遮罩，同时将所有的结构件和连接螺丝进行消光处理，以优化产品实际性能。在泛用性层面，由于电机的作动控制是由上位机实现，因此，当模拟目标运动规律发生变化时，只需对应修改上位机参数即可，而不需对装置本身进行过多调整。结构件选用型材，也保证了当需要更换或者添加结构件时，可以便捷、快速的进行操作。图9 为设备组装后效果图。第3 8 卷图8 靶标装配数模图图9 设备组装后效果图5 结 论提出了一种基于编程伺服电机的等效运动靶标，能够快速简便地设置运动学参数，实时反馈运动情况，且通过结构上的快拆设计和驱动机构的可调节性，实现靶标的泛用与兼容，在满足试验对靶标性能要求的同时,有效降低了室内试验的成本，是一种可被广泛应用的设计思路。参考文献1丝纪小辉.基于光电靶标的平行光管设计 .科技信息，2011(24):351.2 张宁.沈湘衡基于等效正弦、等效目标法的直线动靶标建模 J.激光与红外,2 0 0 8(2：1 5 4-1 5 7.3 胡耀斌，余明亮，陈艾华.直线驱动关键技术问题及其解决对策 J.机电工程,2 0 0 7,2 4(1):6 8-7 0.4个宿军，王劲松，李延风，等.红外热像仪性能参数检测系第3 期统校正方法研究 .长春理工大学学报（自然科学版），2018,41(2):80-82.5柳玉波.表面处理工艺大全 M.北京：中国计量出版徐海峰等：一种面向室内测试开发的等效运动靶标量出版社,2 0 1 3.71社,1 9 9 6.6 计量学名词审定委员会.计量学名词 M.北京：中国计(上接第40 页）4结 论随着具备运动速度识别能力的第四代以脉冲多普勒(PD)体制为主的雷达制导导弹大量使用,以及平台外有源诱饵角度欺骗的使用优势，并且诱饵通过信号调制能够产生大量速度特征以及雷达特性与载机平台相似的假目标信号，机载投掷式有源雷达诱饵在平台末端自卫防护领域有着较好的应用前景。伴随当前数字射频存储(DRFM)相参干扰体制的不断发展，以及高速并行信号处理器（FP-GA）、高速数模/模数转换器（DAC/ADC)等元器件集成度和性能的不断提升，支撑着投掷式有源雷达诱饵持续发展，增强了机载平台电磁对抗手段的丰富性和战术策略的灵活多变性。参考文献1 刘克俭，王修柏.第一场以空致胜的战争：科索沃战争 M.北京：军事科学出版社，2 0 0 8.2高桂清,赵后随,韩奎侠.导弹制胜论 M.西安：西北工业大学出版社，2 0 1 2.3 杨卫丽，王祖典.航空武器的发展历程 M.北京：航空工业出版社,2 0 0 7.4 樊会涛，崔颢.空空导弹7 0 年发展综述 .航空兵器，2016(1):1-3.5任淼,刘琪.2 0 1 9 年国外空空导弹发展动态研究 J.航空兵器,2 0 2 0(4)：2-3.6 樊会涛，王秀萍，任淼，等.美国“先进中距空空导弹”AIM-120的发展及启事（1)J.航空兵器，2 0 1 5（1）：3-9,22.7张静元，赵非玉，高旭恒，等.国外动力型诱饵的研究现状 .光电技术应用,2 0 2 0,3 5(2)：1-6,7 8.8 于群，过凯，赵非玉，等.基于数值模拟耦合群电磁特性及成像仿真分析 .光电技术应用，2 0 2 1,3 6（4）：67-68.9 STREETLY M.Janes Radar and Electronic WarfareSystemM.22nd ed.Surrey,UK:HIS Jane s,HISGlobal Limited:2010.10陈骄阳.航外有源诱饵干扰效果动态评定方法研究 1 舰船电子工程,2 0 2 0,40(3)：7 3-7 6.11】艾尔弗雷德普赖斯.美国电子战史(第3 卷)：响彻盟军的滚滚雷声 M.北京：解放军出版社，2 0 0 2.12石荣,包金晨，王学华,等.外军一次性有源射频诱饵应用现状与发展分析 J.舰船电子对抗，2 0 1 9,42（4)：44-46.13许海龙，王隽，张金华.国外新型舰载诱饵发射系统发展研究 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