基于激光半主动的弹丸滚转角测量系统

摘要

激光半主动末修弹具有打击精度高、结构简单、抗干扰能力强等优点，成为近年来的研究热点。弹丸滚转角的精确测量方法是激光半主动末修弹的一项关键技术，考虑到现代智能弹药对低成本、抗高过载以及全天候适应性的需求，现有滚转角测量方法中仍存在部分问题需要进一步解决。因此，本文开展了基于位置敏感检测器(PSD)的激光半主动末修弹的滚转角测量方法的相关研究。主要内容如下: 建立了基于PSD的弹丸滚转角测量系统构架;详尽分析了基于PSD捷联导引系统的特性，设计了基于FPGA+DSP的滚转角测量系统，该系统可实现对“窄脉宽，低重频”回波信号的快速提取，具有动态范围大、精度高的特点;在激光半主动探测模型的基础上，建立了基于PSD的滚转角解算模型和误差模型，为精确提取弹丸滚转角奠定了技术基础。 “窄脉宽，低重频”微弱回波信号提取电路设计;为了及时捕获目标，微弱回波信号的提取尤其重要，基于此，分析了影响系统信噪比的主要因素，确定了系统信噪比与滚转角解算误差之间的关系，建立了PSD传感器、传感器信号提取电路、自动增益控制(AGC)电路在内的系统噪声模型，实现了系统整体的噪声优化设计。根据PSD滚转角解算的原理，提出了双比较器的超前于峰值点检测方法，该方法在准确获取窄脉宽回波信号峰值点的同时可精确获取峰值点时刻，为获取弹丸转速及弹丸位置奠定了基础;另外，为了适应回波能量大范围内的变化，设计了三级AGC电路及其控制策略。 FPGA+DSP的数字信号处理系统设计;在FPGA和DSP最小系统设计的基础上，采用FPGA状态机和DSP软件实现了模数转换器(ADC)采集、串口数据通讯及flash存储等功能;设计并实现了PSD位置坐标的提取算法、弹体滚转速度提取算法、弹体滚转角提取算法。除此之外，完成了数据显示上位机设计。 基于PSD滚转角测量系统实验研究;基于二维PSD非线性校正系统，采用牛顿插值算法对本文所提出滚转角测量系统进行非线性校正;并利用该系统进行了传感器的定位误差试验，得到传感器定位误差为0.068 mm。搭建激光半主动末修弹地面半实物仿真平台，分别从光斑定位精度和滚转角解算误差两个角度对系统进行评估。实验结果显示，光斑定位误差为0.059mm;滚转角解算误差范围为±3.5°，满足制导过程中滚转角解算误差的要求。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2相关技术发展现状

1．2．1激光半主动末制导的弹丸滚转角解算方法研究现状

1．2．2位置敏感检测器工作原理

1．3论文主要内容和结构安排

2基于PSD的弹丸滚转角解算系统构架

2．1激光信号的发射与接收

2．1．1激光发射器的分类和选择

2．1．2激光能量计算及回波特性

2．2滚转角解算系统方案设计

2．2．1总体方案设计

2．2．2 FPGA+DSP的控制方案特点

2．3基于位置敏感检测器的滚转角解算原理与误差建模

2．3．1基于光电位置传感器的激光半主动探测模型

2．3．2滚转角解算方法与误差建模

2．3．3影响滚转角的主要因素

2．4本章小结

3滚转角测量系统硬件设计

3．1传感器信号提取电路设计

3．1．1信噪比对测量误差的影响

3．1．2噪声对光斑点定位误差的影响

3．1．3检测电路的带宽对光斑点定位误差的影响

3．1．4光电流和反馈电阻对光斑点定位误差的影响

3．1．5传感器信号提取电路设计

3．2峰值保持电路设计

3．2．1峰值保持电路的实现方式

3．2．2峰值检测电路的原理

3．2．3基于信号延迟和比较器的峰值检测电路

3．2．4基于微分电路和过零电压比较器的峰值检测电路

3．2．5基于固定值比较和延时判断的峰值检测电路

3．2．6超前于峰值点检测方案设计

3．2．7超前于峰值点检测补偿因子

3．2．8超前于峰值点检测试验

3．3自动增益电路设计

3．3．1程控增益放大器基本原理

3．3．2 AGC软件控制策略

3．4信号采集模块及数据处理存储电路设计

3．4．1 ADc电路设计

3．4．2 FPGA电路设计

3．4．3数据处理及存储电路设计

3．5供电模块设计

3．6本章小结

4滚转角测量系统的FPGA+DSP程序设计

4．1基于FPGA的光斑点位置提取的逻辑实现

4．1．1 ADC电路的采样控制

4．1．2 FPGA和DSP的通信接口

4．2基于DSP的数据存储及处理的软件实现

4．2．1滚转角解算算法

4．2．2浮点数转换为字节数

4．2．3数据的存储

4．3数据显示上位机程序设计

4．4本章小结

5滚转角测量系统测试与分析

5．1位置敏感检测器的非线性误差分析

5．2滚转角测量系统定位误差试验

5．2．1传感器位置误差试验

5．2．2滚转角测量系统定位误差实验

5．3滚转角解算精度试验

5．4滚转角测量误差分析

5．5本章小结

6总结与展望

6．1论文工作总结

6．2研究工作展望

致谢

参考文献

附录