车载观瞄系统光轴平行性检测系统控制设计思路构架实践

朱东 张瑶

中国北方车辆研究所 北京 100072

引言

当前车载观瞄系统属于高精度系统，是有多个精密仪器组成，具有复杂性，兼备激光测距和昼夜观瞄等功能。在车载观瞄系统运行中，多个光轴的平行性对激光测距的精确性瞄准目标和测距的准确性具有决定作用，这样必然会给火炮的精准打击造成影响。因而，做好车载观瞄系统光轴平行性的检测工作是整个车载观瞄系统检测的重要内容。然而，目前在车载观瞄系统中，因为测距激光的脉宽过短，将PSD作为感应器件依然存在光斑计算位置有偏差、延时触发信号缺乏稳定性等问，所以要遵循当前光学结构，做好以PSD为基础的一种能快速触发和准确检测的电气设计工作。本文将简单介绍光轴平行性检测系统的整体设计方案，分层探讨车载控制系统设计方法。

1 光轴平行性检测系统的整体设计方案

车载观瞄系统光轴的平行性检测工作主要是对三个光轴实施检测：第一，测距白光瞄准轴；第二，激光发射轴；第三，激光接收轴。其检测要点是判断这三个光轴是否能准确测距。在有效的空间内做好对远目标模拟工作，则需要依托大口径卡塞格林光学系统，遵循整体光学结构，将PSD作为传感器，这种传感器的响应速度比较快，其计算方法也非常简便。

可以看出，LD红外发射管和分划板照明设置紧贴于分划板，这样方能使 LD红外发射管准确位于卡塞格林的焦点上，以此做好回波以平行光形式射入被测系统的模拟工作。在光轴平行性检测系统的整体设计工作中，首先要正确运用分划板调准检测系统平行光管和白光瞄准轴的平行性关系。接着，向被测系统发射用于测距的激光，然后，经过三个设备——第一，经过卡塞格林光学系统；第二，经过衰减片；第三，经过分光棱镜。最终汇聚到PSD和光敏二极管上，通过采集光斑位置来准确判断白光瞄准轴和激光发射轴的平行性关系[1]。

2 车载控制系统设计方法

2.1 PSD传感器和采集模块的设计方案

在车载控制系统设计工作中，应正确选用PSD对测距短脉冲激光的光斑位置完成采集作业。和传统模式下的CCD采集方法相比，PSD传感器的响应时间更短，计算方法也更加简便。然而，在具体工作中，PSD传感器在针对纳秒级的短脉冲测距激光时，响应时间还是较长，这样就会导致PSD难以响应完全等现象。根据被测系统为20ns脉宽的测距激光，需要采用MATLAB来仿真PSD瞬时单侧引脚的输出公式，信号仿真如图1所示。

图1 PSD短脉冲激光照射下信号仿真结构图

由图一所知，在脉冲非常短的情况下，PSD传感器的响应信号也非常短暂，其响应峰值能达到95%的时间范围是10ns级，这就对采集模块设计工作提出了更高的要求。结合PSD传感器的单侧引脚输出公式可以得出，当被测系统的脉宽测距激光为20ns，响应度在97%的时间范围表现为8.436ns≤t≤23.512ns，其被允许采样时间的最小宽度是Tm= 23.512ns-8.436ns=15.076ns。在香农采样定理中，最小的采样频率必须满足乃奎斯特采样率，其公式如下：

目前，设计方案主要是运用200MHz的采集卡完成PSD信号采集工作。

对于模拟回波延时模块，首先要着重优化演示方法。在设计模拟回波延时方案时，必须以做好车载观瞄系统测距的精度为目标。常用的设计方法是直接运用PSD传感器输出来触发延时电路，然而，如果测距激光为纳米级，用PSD传感器输出就会和持续照射产生较大的差别。如果测距激光比较短，就会导致PSD传感器的单引脚输出尚未完全响应就出现了下降问题，这样必然无法确保输出的稳定性。其次，当照射位置持续靠近另一侧，就会逐渐导致输出值接近于0，无法充当延时电路的触发信号。对此问题，理应优先使用响应速度更快，而且照射位置不会对其产生负面影响的光敏二极管完成测距激光的采集工作。在采集工作中，激光测距系统会精确测量激光的往返时间t，经过计算来得出目标距离S，其计算公式如下：

公式中的S用于表示目标距离，t指激光的往返时间，c是指光速。

检测系统会精确模拟时间，准确计算延时时间，其公式如下：

公式中的td是指延时时间，sn是指平行光管里面的光程，一般情况下，如果延时模拟距离比较长，就可以忽略不计平行光管里面的光程。公式中的tn是指器件的固有延时。在设计过程中，需要实现延时的触发部分、控制部分和模拟回波的触发部分的有机组合。对于车载观瞄系统中的测距系统。

可以看出延时触发部分组合包括光敏二极管和信号采集电路；延时控制部分组合包括晶振和计数卡；模拟回波触发部分组合包括触发电路和激光器。将测距激光发射给被测系统之后，光敏二极管会对测距激光信号做出迅速响应，经过采集并放大后的信号会对计数卡实施计数触发，在此阶段，持续晶振电路会提高计数卡的计数脉冲信号。等到计数卡的计数上升到设定值N后，就会停止计数，经过触发电路实现激光器的触发，以此产生延时后的模拟回波。

可以看出，如果延时时间比较短，同时，对精度的要求比较高，最终，器件的固有延时必然会对延时结果产生较大影响，不可忽略不计。其次，在器件完成固有延时后，计数卡的开门信号会和持续晶振脉冲产生相应的耦合误差。在计算过程中，设晶振脉冲频率用f来表示，应耦合造成的时间误差通常被设为Δt ，其计算公式如下：

在计算最大模拟距离误差时，通常用sm来表示半个晶振脉冲时间的光程，其计算公式如下：

在检测工作中，如果要准确监测被测系统测距的精度，就应注意确保最大模拟距离误差sm不得大于被测系统允许的测距误差[2]。

2.2 量化光轴平行性检测软件工作流程

车载观瞄系统构成复杂，融合了光技术、电技术、机技术和计算技术，在开展光轴平行性和延时精度的检测工作之前，理应依次排除其他故障因素，做好相关分析工作。确定激光发射没有故障后，需要瞄准被测系统的分划板中心，标定其位置，然后再对测距激光进行触发。同时，应正确使用软件所采集的 PSD 信号开展相关计算与分析工作，准确判断白光瞄准轴和激光发射轴的平行性关系是否符合标准要求。光轴平行性检测软件工作流程如下：①安装检测系统。②对车载测距激光进行触发。③确定PSD传感器在判断范围是否采集到信号，如果没有采集到信号，就说明测距系统的激光发射出现了故障；如果采集到了信号，主要将瞄准的位置调整为标定位置，并对测距激光进行触发[3-4]。

3 结束语

总而言之，在车载控制系统设计工作中，应正确选用 PSD 对测距短脉冲激光的光斑位置完成采集作业，着重优化采集模块，对于模拟回波延时模块，首先要着重优化演示方法。在设计模拟回波延时方案时，必须以做好车载观瞄系统测距的精度为目标。常用的设计方法是直接运用PSD传感器输出来触发延时电路，然而，如果测距激光为纳米级，用PSD传感器输出就会和持续照射产生较大的差别，对此，需要用光敏二极管予以克服。与此同时，要重视量化光轴平行性检测软件工作流程，通过实验分析被测系统误差。