一种激光失调角的校正方法与流程

本发明涉及激光制导的测量方法领域，尤其涉及一种激光失调角的校正方法。

背景技术：

激光半主动导引头为激光制导武器上的重要组成部分，激光半主动导引头分为捷联式激光半主动导引头和框架式激光半主动导引头。其核心组件为激光四象限探测器及其后处理电路。激光漫反射信号被激光四象限探测器接收转化成电信号，经过后处理电路的整形、调理、模数转换、增益控制和测角补偿计算，得到激光失调角，形成导引头制导输出信号。其中四象限探测器激光失调角的计算是信号处理中的重要环节，失调角的计算精度直接影响制导精度，是激光制导武器命中目标的重要前提和保障。激光失调角的计算过程主要包括和差计算和实时校正两个环节。和差计算是将四象限探测器四个象限的激光脉冲信号的峰值按照和差公式进行计算，得到光斑重心在探测器光敏面的位置。和差计算完成后进入实时校正环节，实时校正对和差计算得到的结果进行判断，分类和校正，用以消除激光半主动导引头中的多项系统误差。经典的校正方法包括四象限探测器光敏面俯仰方向和偏航方向的轴上点校正，该方法的特点是当光斑重心位于四象限探测器光敏面俯仰方向或偏航方向的轴上时，校正结果比较准确，但是当光斑重心不在轴上时，校正结果误差较大。

技术实现要素：

本发明旨在解决现有技术中当光斑重心位于四象限探测器光敏面俯仰方向或偏航方向的轴上时校正结果误差较大的技术问题，提供一种激光失调角的校正方法。

本发明提供一种实施例的激光失调角的校正方法，所述校正方法包括以下步骤：

将导引头安装在二轴转台；

驱动二轴转台以使二轴转台在在导引头的整个视场中以第一预设角度步进转动，并记录二轴转台在每个俯仰偏航角度值，导引头测量得到的俯仰激光失调角和偏航激光失调角；

导引头测量得到的俯仰激光失调角和偏航激光失调角，得到第一二维矩阵和第二二维矩阵，其中第一二维矩阵为二轴转台转动的角度矩阵，第二二维矩阵为导引头测得的激光失调角矩阵；

根据第一二维矩阵和第二二维矩阵，得到俯仰角数组和偏航角数组，并将所述俯仰角数组和偏航角数组以作为校正数据进行保存；

导引头直接测量得到的角度值得到索引值，并根据所述索引值和校正数据得到校正后的激光失调角。

本发明的技术方案与现有技术相比，有益效果在于：通过驱动二轴转台以使二轴转台在在导引头的整个视场中以第一预设角度步进转动，并记录二轴转台在每个俯仰偏航角度值，导引头测量得到的俯仰激光失调角和偏航激光失调角；导引头测量得到的俯仰激光失调角和偏航激光失调角，得到第一二维矩阵和第二二维矩阵，其中第一二维矩阵为二轴转台转动的角度矩阵，第二二维矩阵为导引头测得的激光失调角矩阵；根据第一二维矩阵和第二二维矩阵，得到俯仰角数组和偏航角数组，并将所述俯仰角数组和偏航角数组以作为校正数据进行保存，并使用校正数据对导引头直接测量得到的角度值进行校正，因此可以有效地克服传统校正方法中当光斑重心不在四象限探测器光敏面俯仰方向或偏航方向的轴上时校正结果误差较大的问题，使导引头在整个视场范围内的测角精度都有所提高，进而提高制导精度。

附图说明

图1为本发明激光失调角的校正方法一种实施例的流程图。

图2为本发明导引头一种实施例的结构示意图。

图3为本发明导引头视场遍历方式一种实施例的点阵分布示意图。

图4为本发明导引头视场遍历方式一种实施例的遍历方向示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明提供一种实施例的激光失调角的校正方法，陀螺稳定平台包括方位轴、俯仰轴、第一电容传感器和第二电容传感器，如图1所示，所述校正方法包括以下步骤：

步骤S101，将导引头安装在二轴转台；

步骤S102，驱动二轴转台以使二轴转台在在导引头的整个视场中以第一预设角度步进转动，并记录二轴转台在每个俯仰偏航角度值，导引头测量得到的俯仰激光失调角和偏航激光失调角；

步骤S103，导引头测量得到的俯仰激光失调角和偏航激光失调角，得到第一二维矩阵和第二二维矩阵，其中第一二维矩阵为二轴转台转动的角度矩阵，第二二维矩阵为导引头测得的激光失调角矩阵；

步骤S104，根据第一二维矩阵和第二二维矩阵，得到俯仰角数组和偏航角数组，并将所述俯仰角数组和偏航角数组以作为校正数据进行保存；

步骤S105，导引头直接测量得到的角度值得到索引值，并根据所述索引值和校正数据得到校正后的激光失调角。

本发明的激光失调角的校正方法，通过驱动二轴转台以使二轴转台在在导引头的整个视场中以第一预设角度步进转动，并记录二轴转台在每个俯仰偏航角度值，导引头测量得到的俯仰激光失调角和偏航激光失调角；导引头测量得到的俯仰激光失调角和偏航激光失调角，得到第一二维矩阵和第二二维矩阵，其中第一二维矩阵为二轴转台转动的角度矩阵，第二二维矩阵为导引头测得的激光失调角矩阵；根据第一二维矩阵和第二二维矩阵，得到俯仰角数组和偏航角数组，并将所述俯仰角数组和偏航角数组以作为校正数据进行保存，并使用校正数据对导引头直接测量得到的角度值进行校正，因此可以有效地克服传统校正方法中当光斑重心不在四象限探测器光敏面俯仰方向或偏航方向的轴上时校正结果误差较大的问题，使导引头在整个视场范围内的测角精度都有所提高，进而提高制导精度。

在具体实施中，在步骤S101之后，还包括以下步骤：

调整激光发射方向和导引头的光轴方向之间的角度以到达第二预设角度；

发射激光并调整激光能量以使激光的能量到达预设能量值。

调节二轴转台的基座，使导引头的光轴指向漫反射板时二轴转台的俯仰角和偏航角均为到达第二预设的角度。

在具体实施中，如图2所示，首先将激光半主动导引头的光学系统和机械结构装配好，即使得激光半主动导引头的头罩、光学镜片和四象限探测器固定连接在激光半主动导引头的支撑结构上并不再发生相对移动。接着将导引头1安装在二轴转台2上，使导引头1的光轴可以在俯仰方向和偏航方向上连续移动。将激光发射装置4的激光发射方向对准漫反射板3中心位置，调整激光发射方向和导引头光轴方向以使光发射方向和导引头的光轴方向之间的角度到达第二预设角度，具体的，激光发射方向和导引头光轴方向夹角大约在45°左右。发射激光并调整激光能量以使激光的能量到达预设能量值，具体的，使导引头接收到的激光能量在在满量程的一半左右。调节二轴转台2的基座，使导引头1的光轴指向漫反射板3时二轴转台2的俯仰角和偏航角均为第二预设的角度，具体的，二轴转台2的俯仰角和偏航角均为0°。另外，转动过程中，二轴转台俯仰角和偏航角不是保持0°。标定过程大致原理为，认定二轴转台是精密转台，输出角度很精确。而且经过调零对准之后，当转台俯仰角为-10°，偏航角为-10度位置时，那么导引头测量的俯仰失调角理应也为-10°，偏航失调角理应也为-10°。但实际未标定时导引头测量得到角度不是(-10°，-10°)，但是这样通过标定之后就会得到角度从而输出的角度为(-10°，-10°)。调零对准的过程如下：调整二轴转台2的基座，使得导引头1的光轴指向漫反射板之后，并继续调整二轴转台2，直到导引头1输出的俯仰角和偏航角均为0°。

在具体实施中，在步骤S102，具体包括以下步骤：

二轴转台2的偏航角保持在初始偏航角度，二轴转台2的俯仰角从初始俯仰角度以第一预设角度步进变化到最终俯仰角度；

二轴转台2的偏航角以第一预设角度步进变化，二轴转台2的俯仰角再次从初始俯仰角度以第一预设角度步进变化到最终俯仰角度，直到二轴转台2的偏航角以第一预设角度步进变化到最终俯仰角度。

具体的，二轴转台的转动过程如下：二轴转台转动方向的偏航轴不动即二轴转台的偏航角在初始偏航角度，比如初始偏航角度为：-10°先绕俯仰轴转动从-10°转动到+10°，然后转台偏航轴步进1°到-9°，俯仰轴再从-10°转动到﹢10°，依次往复，直到偏航轴运动到最终俯仰角度为止，比如最终俯仰角度为+10°。

在具体实施中，记录二轴转台在每个俯仰偏航角度值，导引头测量得到的对应俯仰激光失调角和对应偏航激光失调角的步骤，具体包括：

根据导引头的频率，得到对应俯仰激光失调角和对应偏航激光失调角的个数；

根据所述个数，记录二轴转台在每个俯仰偏航角度值时，导引头测量得到的相应个数的对应俯仰激光失调角和相应个数的对应偏航激光失调角。

具体的，当二轴转台在每个俯仰偏航角度值的位置时，记录当前角度下导引头测量得到的激光失调角，而且每个位置时采样多个数值，比如在一个固定的角度位置采样100个数值，因为导引头输出有有一个固定的频率，比如20Hz，当二轴转台俯仰角为-10°，偏航角也为-10°时，记录导引头输出的100个数值的俯仰角，导引头输出的100个数值偏航角。也就是采集5秒钟时长。这样做目标便于取平均，从而减少单次测量存在随机误差的情况。

在具体实施中，步骤S103，具体为：对导引头测量得到的相应个数的对应俯仰激光失调角和相应个数的对应偏航激光失调角进行均值处理，得到第一二维矩阵和第二二维矩阵。

具体的，当二轴转台在每个俯仰偏航角度值的位置时，记录当前角度下导引头输出的100个数值的俯仰角，导引头输出的100个数值偏航角，对100个数值的俯仰角进行求和取平均值，同时对100个数值偏航角求和取平均值以得到两个相同规格的二维矩阵即第一二维矩阵和第二二维矩阵。其中第一二维矩阵为二轴转台转动的角度矩阵ARRAY_R，第二二维矩阵为导引头测得的激光失调角矩阵ARRAY_C，元素ARRAY_R(i，j)表示转台转过的俯仰角i和偏航角j，其对应的引头测得的俯仰角和偏航角为ARRAY_C(i，j)。

在具体实施中，步骤S104，具体包括：

以第一二维矩阵作为自变量，将第二二维矩阵的俯仰角作为因变量，并对第二二维矩阵的俯仰角进行曲面拟合，以及在整个视场范围内以预设的均匀化网格作为新的自变量得到俯仰角数组；

以第一二维矩阵作为自变量，将第二二维矩阵的偏航角作为因变量，并对第二二维矩阵的偏航角进行曲面拟合，以及在整个视场范围内以预设的均匀化网格作为新的自变量得到偏航角数组。

具体的，以第二二维矩阵ARRAY_C(i，j)作为自变量，将第一二维矩阵ARRAY_R中的俯仰角z作为因变量，对俯仰角z进行曲面拟合，在整个视场范围内以均匀化网格作为新的自变量可到俯仰角数组PITCH。以第一二维矩阵ARRAY_C(i，j)作为自变量，将ARRAY_R中的偏航角t作为因变量，对偏航角t进行曲面拟合，在整个视场范围内以均匀化网格作为新的自变量可到俯仰角数组YAW。

在具体实施中，所述将所述俯仰角数组和偏航角数组以作为校正数据进行保存的步骤，具体为：

一个存储单元中可以存储所述俯仰角数组和偏航角数组中的一个角度值。

具体的，设俯仰角数组PITCH的尺寸为m*m，俯仰角的视场为-A～+A，网格间距为n，则m＝2A/n+1，假设导弹制导控制所需的失调角分辨率为0.001°，则最大视场角对应的整数值为1000A，当A小于30°时，1000A小于30000，因此可以用16bit字长的存储单元存储一个角度值。

在具体实施中，步骤S105，具体包括：

根据所述导引头直接测量得到的俯仰角和偏航角、最终俯仰角度及预设的均匀化网格，得到俯仰角数组的行索引值和列索引值，并根据所述俯仰角数组的行索引值和列索引值，得到校正后的激光失调俯仰角；

根据所述导引头直接测量得到的俯仰角和偏航角、最终偏航角度及预设的均匀化网格，得到偏航角数组的行索引值和列索引值，并根据所述偏航角数组的行索引值和列索引值，得到校正后的激光失调偏航角。

具体的，根据所述导引头直接测量得到的俯仰角和偏航角、最终俯仰角度及预设的均匀化网格，得到俯仰角数组的行索引值和列索引值，具体包括：

俯仰角数组的行索引值为测量得到的俯仰角加上最终俯仰角度的和除于预设的均匀化网格之后舍入取整；

俯仰角数组的行索引值为测量得到的偏航角加上最终俯仰角度的和除于预设的均匀化网格之后舍入取整。

具体的，根据所述导引头直接测量得到的俯仰角和偏航角、最终偏航角度及预设的均匀化网格，得到偏航角数组的行索引值和列索引值，具体包括：

偏航角数组的行索引值为测量得到的俯仰角加上最终偏航角度的和除于预设的均匀化网格之后舍入取整；

偏航角数组的行索引值为测量得到的偏航角加上最终偏航角度的和除于预设的均匀化网格之后舍入取整。

具体的，校正方法的过程中索引方法如下，根据导引头直接测量得到的角度值计算索引值，设导引头直接测量得到的俯仰角为A_P，导引头直接测量得到的偏航角为A_Y，则俯仰角二维数组的行索引INDEX2_R为(A_P+A)/n的舍入取整，偏航角的二维数组的列索引INDEX2_C为(A_Y+A)/n的舍入取整，所以校正后的俯仰角A_P_T可以通过如下方法获取，即A_P_T＝PITCH[INDEX2_R][INDEX2_C]，校正后的偏航角获取方法与校正后的俯仰角获取方法相同。

另外，由于传统的标定方法只是采用俯仰方向和偏航方向的轴上点校正，比如俯仰轴(-10°，0)间隔1°，到(+10°，0)进行标定那么俯仰方向只采用了21个点形成的线性方程计算。如果目标处于非轴上时，由于实际大气环境下，在探测器靶面形成的目标光斑并非理想的圆，尽而此标定方法线性方程兼顾不到如此的非线性，从而测角精度低。存在而本专利采用整个面上标定，一共有21×21＝441个坐标点，面上点兼顾了实际大气环境下探测器靶面目标光斑非理想圆的情况。并且形成为(20/0.05+1)×(20/0.05+1)＝160801个坐标点的标准插值表。故分辨率变高为0.05度，从而提高制导精度。

在具体实施中，本发明还提供一种实施例的激光半主动导引头测角实时校正方法，主要分为三个主要步骤，分别是原始数据获取、分析计算和嵌入式实现。比如，所选导引头视场角范围为俯仰角-10°～+10°，偏航角-10°～+10°，转台俯仰角活动范围为-12°～+16°，偏航角活动范围为-30°～+30°。漫反射板反射系数为0.2。激光发射装置发射能量范围为4μJ～1mJ。

第一步骤，原始数据获取。首先将激光半主动导引头的光学系统和机械结构装配好，使头罩、光学镜片和四象限探测器固连在导引头支撑结构上并不再发生相对移动。通过转台夹具6将导引头1安装在二轴转台2上，使导引头1光轴可以在俯仰方向和偏航方向上连续移动。将激光发射装置4的激光发射方向对准漫反射板3中心位置，调整激光发射方向和导引头光轴方向，使两者夹角大约在45°左右，如图2所示。

调整激光发射装置的能量，使其输出能量大约在0.01mJ左右。调节二轴转台2的基座，使导引头1的光轴指向漫反射板3时二轴转台2的俯仰角和偏航角均为0°。编写转台控制程序，使导引头光轴指向遍历导引头整个视场，具体遍历方式如图3所示，图3为需要遍历的点阵，其中步进角度为1°，及每两个相邻的点的间隔为1°。图4为遍历的方向，首先从(-10°，-10°)为起点一直到(-10°，+10°)，然后从(-9°，-10°)为起点一直到(-9°，+10°)，按照此规律一直到终点(+10°，+10°)。转台每转到一个位置，记录当前位置时的转台实际反馈角度和当前角度下导引头测量得到的激光失调角，每个位置采样100个数值。

第二步骤，分析计算。对第一步骤中记录的各点原始数据进行均值处理，得到两个相同规格的二维矩阵，第一二维矩阵为二轴转台转动的角度矩阵ARRAY_R[21][21]，行索引1～21表示转台俯仰角从-10°转到+10°，步进为1°，列索引1～21表示转台偏航角从-10°转到+10°，步进为1°。第二二维矩阵为导引头测得的激光失调角矩阵，行索引1～21表示转台俯仰角从-10°转到+10°，步进为1°，列索引1～21表示转台偏航角从-10°转到+10°，步进为1°。以ARRAY_C[21][21]的俯仰角和偏航角作为自变量，ARRAY_R[21][21]的所有俯仰角作为因变量，设z＝f(x，y)，其中z为ARRAY_R[21][21]的俯仰角，x为ARRAY_C的俯仰角，y为ARRAY_C的偏航角，对z＝f(x，y)进行曲面拟合，然后对整个视场进行均匀网格化，网格间距为0.1°，以网格节点坐标(x0，y0)作为自变量，得到z0＝f(x0，y0)，z0即俯仰角数组。以ARRAY_C[21][21]的俯仰角和偏航角作为自变量，ARRAY_R[21][21]的所有偏航角作为因变量，设t＝f(x，y)，其中t为ARRAY_R[21][21]的偏航角，x为ARRAY_C的俯仰角，y为ARRAY_C的偏航角，对t＝f(x，y)进行曲面拟合，然后对整个视场进行均匀网格化，如图3所示，以网格节点坐标(x0，y0)作为自变量，得到t0＝f(x0，y0)，t0即偏航角数组。

第三步骤，嵌入式实现。将第二步骤中得到的俯仰角数组和偏航角数组进行嵌入式实例化。由于网格间距为0.05°，俯仰角范围为-10°～+10°，偏航角范围为-10°～+10°，则导引头俯仰方向网格点数为401点，偏航方向网格点数为401点，假设导弹制导控制所需的失调角分辨率为0.001°，则用一个16bit有符号数表示一个角度。

以C语言为例，构建数组short int z0[401][401]，其索引方法如下，根据导引头直接测量得到的角度值计算索引值，设实际测量得到的俯仰角为A_P，实际测量得到的偏航角为A_Y，则俯仰角二维数组的行索引INDEX2_R为A_P*20+200的舍入取整，偏航角的二维数组的列索引INDEX2_C为A_Y*20+200的舍入取整，所以校正后的俯仰角A_P_T可以通过如下方法获取，即A_P_T＝z0[INDEX2_R][INDEX2_C]。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。