光电雷达红外调制检测技术

张洋;王庆祥;朱乐

【摘 要】因红外调制检测技术用于检测扫描积分型光电雷达调制器的工作性能,为此设计一套与调制器固有属性匹配的光学传递和激光准直系统.运用标准伺服控制理论为调制脉码信号建立Ⅲ型条件稳定的轴系扫描模型,通过截获、跟踪视场切换及驱动电压调幅,使模拟红外汇聚的激光扫描光束与3°×3°、40’×40 ′十字靶标重合,计量扫描视场及零位精度偏差,采集标定反射镜振动位置和扫描频率的过零脉冲,用以实现红外信号调制性能的检测.测试结果表明,该红外调制检测技术对调制器扫描视场的精度测量优于0.5′(1σ),零位误差的精度测量不大于5 ′(1σ),系统检测的相对误差不大于±1％,满足光电雷达红外光轴瞄准线工艺装配的精度要求,可应用于线列扫积型调制器的性能检测.%Infrared modulation detection technique is used to detect performance of scanning integral type electro-optical radar modulator.An optical transmission and laser collimation system are designed in this paper,which matches inherent properties of the modulator.Based on standard servo control theory,axis scanning model of Ⅲ system with stable condition is established for modulation of pulse code signal.Through FOV's switching of intercepting and tracking,and modulation of driving voltage amplitude,simulated infrared-converged laser scanning beam is coincided with 3°× 3°,40'× 40'cross target.Deviation of scanning FOV and zero position precision are metered,calibration mirror vibration position and scanning frequency zero-crossing pulse are collected in order to achieve infrared signal modulation performance detection.Results show that accuracy of infrared

modulation detection technique is better than 0.5'(1σ),accuracy of zero error is less than 5'(1a),and relative error of the system is less than ± 1％.It meets accuracy requirements of electro-optical radar in infrared optical axis assembly process,and can be applied to linear array scanning integral type modulator performance testing.

【期刊名称】《应用光学》

【年(卷),期】2017(038)003

【总页数】7页(P456-462)

【关键词】光电雷达;红外调制;视场转换;精度检测

【作 者】张洋;王庆祥;朱乐

【作者单位】江苏金陵机械制造总厂,江苏南京211100;江苏金陵机械制造总厂,江苏南京211100;江苏金陵机械制造总厂,江苏南京211100

【正文语种】中 文

【中图分类】TN219

光电雷达是把景物温度分布转变为可见光图像的红外装置，可用于红外目标的探测、

搜索、识别和跟踪，调制器作为光电雷达的核心部件之一，在光学传递、红外信号调制、截获场形成判定依据、截获和跟踪视场转换等功能中发挥着重要作用。调制器对红外探测器的扫描方式分为扫描积分型和凝视型，扫积型调制器的功能通过复杂的光机结构来实现，且扫描动作的次数与像元数成反比。由于某型光电雷达红外探测器为制冷型线列像元，因此光雷达采用红外光学调制和调制器频率扫描方式成像，其中调制器的扫描检测和反射镜面的零度调校为在满足光雷红外光轴平行度要求、光学系统工艺装配精度及整机功能实现的条件下不可或缺的环节。

调制器光机扫描有平行光束扫描和汇聚光束扫描两种，分别称为物方扫描和像方扫描。如果探测器只有一个像元，则所需要的扫描次数为显示图像的分辨率，如图1(a)所示，即串联扫描；如果像元排成一列进行扫描，扫描次数就可大为减少，即并联扫描，如图1(b)所示；如果有图像分辨率个像元构成一个列阵，这时就无需扫描，探测器列阵可获得一帧红外场景信息，即凝视器件，如图1(c)所示。

某型光电雷达调制器主要由平面反射镜、光路微调装置、驱动组件、零位传感器、差分运算放大电路及铸铝结构件组成(图2)，以图1(b)一维摆动的方式对探测器进行扫描，调制器反射镜在调制驱动脉冲作用下以25 Hz、100 Hz扫描频率及0.75°、10′偏转角度振动，将经整流罩、扫描机构、物镜组件传递汇聚的红外场景辐射调制为50 Hz、200 Hz频率的光脉冲。

光电雷达电子部件在快速识别热目标过程中为电流形成器提供截获和跟踪工作状态时的调制脉码信号，电流形成器驱动调制器为探测器提供3°×3°及40′×40′扫描场区。如图2所示，经光学系统汇聚的红外光束和焦点以调制器反射镜振动的二倍频率及偏转角度对

线列探测器进行横向扫描，红外探测器和后级视频通道对红外辐射像点进行光电转换、ADC及图像处理。

2.1 光学设备设计

调制器安装在某型光电雷达光学系统的汇聚光路中，置于物镜折、反射系统和探测器之间，光机扫描方式为汇聚光束扫描，景物辐射经光学系统汇聚后成像于线列探测器，探测器通过扫描把二维空间分布的图像变换为一维时间排列的电信号，红外物镜组件在光学系统的位置如图3所示。

根据调制器在光电雷达中的安装位置、扫描频率、扫描反射镜振动幅度及精度，设计和制造相应精度及计量准确的调制器/红外焦点模拟激光器稳固支架、手动旋转角位移台和视场靶板，并严格控制支架安装面的平面度及粗糙度，通过安装支架导轨调试装置，将调制器、激光器精确安装到支架光具座上。

光学设备的结构设计如图4所示，主要由以下4部分组成：1)导轨，长度1 m，配备光具座和手动旋转台，用于安装光学设备的各支架、调制器、激光器和视场靶板；2)激光器，使用长春镭仕光电的MW-GL激光器，输出绿光(波长532 nm)，光束直径小于1 mm，光束发散角小于1 mrad，用于准直调制器反射镜及视场靶板中心，并提供扫描光束；3)靶板，由3°×3°(宽高均为46.50 mm)、40′×40′(宽高均为10.32 mm)十字通孔靶标视场仪、方位、俯仰平移光轴校准装置组成；4)安装支架、调试工装及阻尼隔振光学平台。

以调制器扫描轴系的扭转刚度为计算依据，主轴扭转刚度：

式中：G为切变模量；IP为扭转截面系数；d为主轴直径；l为主轴长度。

主轴扭转振动固有频率：

式中：Kθ为主轴扭转刚度；I为轴系转动惯量。调制器转轴的固有振动频率远大于其扫描频率，能够满足光学设备的使用要求。

经最大允差±(1+L/100) μm、1 m万能工具显微镜及三坐标测量机计量的导轨精度不大于1.4 mm；调制器旋转角位移台精度不大于4′；靶板旋转角位移台精度不大于12′；靶标视场仪准确度±0.02mm，光学设备结构的精度指标完全满足调制器的测试和调校要求。

2.2 控制系统设计

零位传感器为集成在调制器扫描反射镜座中心的一个小型光电传感装置，其产生的半波正弦通过调制器外部逻辑组件处理可产生与调制器反射镜扫描位置及频率一致的过零脉冲。过零脉冲反馈至光雷电子部件用于监控调制器的扫描状态，同时作为光雷伺服机构对目标角位置截获和跟踪使能的必要条件，调制器控制反馈结构框图如图5所示。

根据调制器对控制系统提出的扫描到位精度、速率精度、速率平稳度等要求，最终反映到系统的主要设计参数为扫描动态失调角。考虑到要克服摩擦力矩、弹簧弹力矩和电机磁滞力矩所造成的静差以及提高反射镜扫描摇摆状态下的伺服精度等问题，控制系统采用

带积分环节的Ⅲ型系统。Ⅲ型系统为条件稳定系统，在设计时必须采取一些措施来解决由于调制脉码驱动信号饱和而导致系统增益下降所引起的系统发散问题。控制系统结构如图6所示。

图中G2(s)为调制器平面反射镜：

调制器轴系转动惯量J=1.21 g·cm2，由于弹簧弹力矩、扫描轴系轴承及电机摩擦力矩等因素的影响，依据经验估计其干扰力矩Td(s)=0.3 N·cm，按控制精度Δθ=θ-θi=1″来进行设计计算，其伺服刚度KT=28.5 N·m/rad，对应的开环增益Ka=20，G1(s)为系统校正参数，则根据系统稳定性的要求设计:

按照Ⅲ型系统最优传递函数进行设计，取τ1=0.09，τ2=0.032，T1=0.002 2，T2=0.001 43，控制系统开环传递函数：

将Ⅲ型系统单位反馈开环传递函数分解为图7所示参数模式，则系统误差传递函数：

在低频段，S≤1时，

由于控制系统采用了带纯积分环节的Ⅲ型系统，即使估计的Td(s)=0.3 N·cm左右的干扰力矩作用于轴系上，其带来的动态失调角度误差也只有22″，而扫描轴系对干扰力矩的关系在中、高频段完全由其转动惯量所决定，系统的校正参数以-60dB/十倍频程的趋势下降，调制器动态失调角能满足扫描精度的要求。

根据上述电气和伺服特性，控制系统由以下4部分组成：1)调制脉码生成器。数据处

理模块采用Altera公司Cyclone Ⅳ E EP4CE15F17C8可编程逻辑器件，使用Verilog语言汇编程序，用于生成向调制器综合板发送带积分环节Ⅲ型调制脉码信号(如图8所示)和向显示控制板发送的SPI传输模式下的GUI显控指令数据，其存储资源保留了43%的余量，计算能力保留了91%的余量；2)显示控制板。显示和控制硬件模块分别采用128×64像素分辨率液晶显示器和6位独立控制按键； 3)调制器综合板。由驱动模块和过零解析模块组成。驱动模块采用带动态正压调幅和低温漂L298HN型双路全桥驱动器，用于双路Ⅲ型调制脉码信号的开环增益功放，驱动调制器扫描镜以25 Hz或100 Hz频率扫描；过零解析模块由高速OP37AZ型运算放大器、高频小功率NPN型3DK9H开关三极管、带施密特触发器输入的SN54LS221J型双单稳态多谐振荡器及外围电路组成，用于将调制器零位传感器输出的差分正弦信号低噪声、高精度线性放大至饱和区，经信号检波，上下沿脉冲触发转换至双过零脉冲，并判定调制器工作状态；4)电源模块。

3.1 红外调制检测功能实现和性能测试

检测设备各部件装配与调制器连接测试如图9所示。

使用由光学设备和控制系统组成的红外调制器检测仪对调制器进行下列功能和性能指标测试：1)驱动调制器反射镜分别以截获频率25 Hz、振幅0.75°，跟踪频率100 Hz、振幅10′进行扫描，控制状态切换和调幅旋钮使激光横向扫描光束分别与3°×3°、40′×40′十字靶标边缘位置重合，判定调制器在上述两种工作模式下的驱动状态是否正常，检测调制器反射镜的扫描视场及精度，读取形成截获和跟踪场的工作电压；2)检测判定调制器零位传感器工作状态及反射镜扫描位置的双过零脉冲；3)对装配后的调制器反射镜零位精度进行测试和调校。

3.2 测试结果及分析

对标准调制器工艺件进行测试，性能指标检测结果如表1所示。

扫描位置及扫描频率、截获及跟踪状态判定的调制器双过零脉冲输出如图10和图11所示。

由表1可知，检测仪对调制器在视场3°×3°、40′×40′工作状态多次测试下的驱动工作电压、扫描视场精度及零位误差精度存在测量误差，之所以会出现上述范围内的光学偏差，是因为光学设备在机加和装配过程中不能完全保证其结构几何要求，以及光学传递理论计算限制于近似的函数公式引入系统误差，同时不排除测试环境中存在阻尼隔振平台不能完全隔离的微振动，以及观测者每次读取靶标刻度时激光亮斑散射带来的视觉误差。系统检测的相对误差≤±1%，且偏差分布近似于1σ标准正态分布，精度及测量误差导致的瞄准线光轴偏移在光电雷达光学系统装配的可允许范围之内。检测仪能对调制器反射镜零位进行调校，同时输出的脉宽为20 μs(如图12所示)、相位差为π、频率为25 Hz或100 Hz的双过零脉冲能够判定调制器零位传感器的工作状态和调制器扫描镜的摆动位置，因此针对光电雷达调制器性能测试，本文设计的基于红外调制检测技术的光电调制器检测仪具有较高的灵敏度、检测精度和稳定性。

本文在扫积型调制器检测理论分析和数学建模的基础上提出了某型光电雷达红外调制检测技术的设计思路和工程实现方法，红外调制器与激光反射及准直系统相匹配，在Ⅲ型控制系统功率脉冲的驱动下，通过设置人机界面的双视场切换及激励电压调节，使模拟汇聚的横向扫描光束与十字靶标边缘重合，通过采集和计量测试数据，实现红外信号调制性

能的检测。经测试验证，该红外调制检测技术能够有效完成调制器工作状态转换、过零脉冲及扫描频率测量、各视场扫描精度检测及反射镜零位误差校准，系统光学结构稳定，电气信号不失真，具有较低的系统测量误差，对扫描调制型红外信号检测系统的设计具有实际指导意义。

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