WORD格式整理版./WORD格式整理版光電搜索跟蹤系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與研究摘要論文針對(duì)xx防空光電搜索跟蹤系統(tǒng)研制要求展開方案研究、設(shè)計(jì)。系統(tǒng)用于空中機(jī)動(dòng)目標(biāo)的搜索、威脅判定、跟蹤,或接受上級(jí)空情信息指示跟蹤地面或空中目標(biāo),引導(dǎo)導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊；同時(shí)具備地面車輛目標(biāo)或敵方武裝人員的手動(dòng)搜索、跟蹤、威脅判定功能,引導(dǎo)機(jī)槍對(duì)地面車輛或敵方武裝人員進(jìn)行瞄準(zhǔn)打擊。系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)在軍事上具備廣闊的應(yīng)用前景。論文介紹了光電成像搜索跟蹤系統(tǒng)的廣泛軍用前景、光電系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)、國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域部分研究成果；針對(duì)xx防空光電搜索跟蹤系統(tǒng)研制要求,分析了光電搜索跟蹤系統(tǒng)的總體方案及軟硬件架構(gòu)；分析了影響光電成像搜索跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一些關(guān)鍵技術(shù)：光電傳感器攝取的圖像信號(hào)的傳輸機(jī)制分析、光電慣性姿態(tài)穩(wěn)定分析、光電系統(tǒng)框架絕對(duì)位置獲取方法分析及設(shè)計(jì)、電機(jī)選型分析；探討了光電搜索跟蹤系統(tǒng)的一些工程問題解決方法,針對(duì)光電成像搜索跟蹤系統(tǒng)紅外熱成像儀用于空情搜索面臨的問題進(jìn)行了一些分析,對(duì)光電成像搜索跟蹤系統(tǒng)面臨的軍事應(yīng)用問題及改進(jìn)方向進(jìn)行了展望。論文的研究為光電搜索跟蹤系統(tǒng)的工程建設(shè)奠定了重要的技術(shù)分析基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：光電成像搜索跟蹤系統(tǒng),CCD攝像儀,編碼器,DSP,EnDat,FPGAWORD格式整理版.ABSTRACTProjectresearchanddesignaccordingtodemandofxxphotoelectricityinairdefense.researchedsystemwasappliedtosearch,threatendeterminantandtrackingofflexibletargetinair,oraccepttowarningmessageofsuperiortodirectandtracktargetinairorgroundandguidemissiletoattacktotarget;simultaneitypossessfunctionofmanualoperationsearch,trackingandthreatendeterminanttogroundvehicletargetorenemymelitiamember,andguidescatterguntotakeaimandattackgroundvehicletargetorenemymelitiamember.researchanddesignofsystempossessrangymilitaryappliacationforeground.Paperintroducedrangymilitaryapplicationforeground,excellenceanddefect,partialoutcomeinoverseascorrelativefieldaboutphotoelectricitysearchingandtrackingsystem.accordingtodevelopmentdemandofxxphotoelectricitysearchingandtrackingsysteminairdefense,analysedgeneralschemeandsoftware,hardwareframeworkofphotoelectricitysearchingandtrackingsystem,analysedsomekeytechnologyaboutrealizationofphotoelectricitysearchingandtrackingsystem:analysisoftransmissionmechanismaboutimagesigalofphotoelectricitysensor,analysisofinertiaattitudestabilizationinphotoelctricitystabilizationplatform,methodanlysisanddesignofobtainedabsolutepositionofphotoelectricitysystem,analysisofmotortypeselection;discussedsomemethodofresolveprobleminengineeringaboutphotoelectricitysystem,analysedsomequestionsinwarningmessagesearchingofsystem,putforwardprospectofmilitaryapplicationandimproveddirectionaboutphotoelectricitysearchingandtrackingsystem.Researchofpaperprovidesanimportanttechnicalanalysisbasisfortheengineeringconstructionofphotoelectricitysearchingandtarckingsystem.Keywords：photoelectricityimagingsearchingandtrackingsystem,CCDcamera,encoder,DSP,EnDat,FPGA.目錄摘要IABSTRACTII1緒論11.1引言11.2論文背景11.3光電相關(guān)技術(shù)發(fā)展概況及應(yīng)用要求21.4國(guó)外部分研究成果51.5作者所做的主要工作與論文內(nèi)容安排51.5.1研究的主要內(nèi)容51.5.2作者所做的主要工作51.5.3論文內(nèi)容安排62光電搜索跟蹤系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)72.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能要求72.2光電搜索跟蹤系統(tǒng)架構(gòu)72.2.1光電搜索跟蹤系統(tǒng)的組成72.2.2光電搜索跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)82.2.3cPCI信號(hào)處理機(jī)102.2.4系統(tǒng)伺服控制112.3光電搜索跟蹤系統(tǒng)軟件方案122.3.1系統(tǒng)工作流程122.3.2伺服控制軟件及控制模式方案122.3.3目標(biāo)信號(hào)處理系統(tǒng)軟件及目標(biāo)處理方案152.4本章小結(jié)173光電搜索跟蹤系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究193.1數(shù)字圖像光纖傳輸分析193.1.1數(shù)字圖像光纖傳輸?shù)谋匾?93.1.2傳統(tǒng)圖像傳輸與數(shù)字圖像光纖傳輸比較203.1.3數(shù)字圖像光纖傳輸任務(wù)分析及實(shí)現(xiàn)223.1.4數(shù)字圖像光纖傳輸注意事項(xiàng)243.1.5光纖傳輸試驗(yàn)結(jié)果253.2光電穩(wěn)定系統(tǒng)分析253.2.1系統(tǒng)穩(wěn)定功能任務(wù)253.2.2車載光電陀螺姿態(tài)控制問題263.2.3車載光電空間角位置關(guān)系及隔離度影響分析263.2.4系統(tǒng)陀螺應(yīng)用分析273.2.5影響陀螺應(yīng)用的要點(diǎn)293.2.6光電穩(wěn)定陀螺信號(hào)電氣傳輸設(shè)計(jì)303.2.7陀螺應(yīng)用探討事項(xiàng)313.3光電伺服框架絕對(duì)位置獲取設(shè)計(jì)分析313.3.1EnDat2.2接口時(shí)序特性33接口電路設(shè)計(jì)及編碼器解碼總構(gòu)343.3.3試驗(yàn)結(jié)果分析363.3.4旋轉(zhuǎn)變壓器解算簡(jiǎn)圖363.4電機(jī)選擇分析373.4.1電機(jī)選型方法373.4.2方位電機(jī)選型373.5本章小結(jié)384工程問題分析研究414.1紅外搜索幀間圖像特性研究414.1.1空域360°全景拼圖幀數(shù)N的數(shù)學(xué)關(guān)系414.1.2幀間相互重疊的角度與像素的關(guān)系414.2紅外搜索成像系統(tǒng)探測(cè)范圍研究434.2.1系統(tǒng)實(shí)際掃描威力圖434.2.2大型戰(zhàn)斗機(jī)紅外探測(cè)范圍分析444.2.3某戰(zhàn)斗機(jī)紅外探測(cè)范圍分析444.2.4目標(biāo)Ⅰ型靶機(jī)紅外探測(cè)范圍分析454.2.5目標(biāo)Ⅱ型靶機(jī)紅外探測(cè)范圍分析464.3電源饋電時(shí)序分析464.4陀螺補(bǔ)償工程考慮474.5系統(tǒng)布線工程考慮484.6本章小結(jié)485總結(jié)與展望515.1總結(jié)515.2展望52致謝53參考文獻(xiàn)54攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文情況58攻讀碩士學(xué)位期間參加的科學(xué)研究情況59WORD格式整理版.1緒論1.1引言現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭(zhēng)模式下,利用雷達(dá)、紅外、可見光等傳感設(shè)備及時(shí)、準(zhǔn)確、隱蔽地獲取敵方信息在偵察防御系統(tǒng)、精確制導(dǎo)武器打擊系統(tǒng)中均發(fā)揮著舉足輕重的作用。未來高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)要求武器系統(tǒng)能夠在各種復(fù)雜的電子戰(zhàn)和光電對(duì)抗的作戰(zhàn)環(huán)境中能夠自適應(yīng)的探測(cè)和截獲目標(biāo),自動(dòng)識(shí)別跟蹤和精確打擊目標(biāo)。相對(duì)于其它探測(cè)技術(shù),紅外、CCD成像探測(cè)隱蔽性好、抗電子干擾能力強(qiáng)、目標(biāo)定位精度高,越來越受到各國(guó)軍方的重視[1]。光電搜索跟蹤系統(tǒng)將紅外及CCD成像、激光測(cè)距、高速圖像信息處理及精密伺服控制等技術(shù)相結(jié)合匯集于系統(tǒng)中,能夠顯著增強(qiáng)在晝夜、惡劣氣候和不良的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別、跟蹤以及對(duì)抗能力。系統(tǒng)主要用于完成復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)敵方地面或空中目標(biāo)的搜索、檢測(cè)、跟蹤、定位、識(shí)別和指示等功能。光電搜索跟蹤系統(tǒng)屬綜合被動(dòng)及半主動(dòng)偵察、監(jiān)視與引導(dǎo)防御系統(tǒng),基于大多數(shù)被攻擊目標(biāo)未裝備激光告警設(shè)備的緣故,系統(tǒng)具有高靈敏度、高空間分辨率、大動(dòng)態(tài)范圍、準(zhǔn)全天候、隱蔽性好、較強(qiáng)的抗干擾和適應(yīng)復(fù)雜背景的能力以及多目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別、跟蹤能力等諸多優(yōu)點(diǎn),能夠在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下彌補(bǔ)雷達(dá)低空探測(cè)能力的不足,尤其是對(duì)于掠海導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、武裝直升機(jī)等低空飛行弱小目標(biāo)的探測(cè)更具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),成為戰(zhàn)場(chǎng)探測(cè)與精確制導(dǎo)技術(shù)研究發(fā)展的重要方向,在重要戰(zhàn)略防空系統(tǒng)、各種陸基、艦載及空載戰(zhàn)場(chǎng)探測(cè)防御打擊系統(tǒng)中有著廣泛的軍事應(yīng)用前景。1.2論文背景針對(duì)航天科工集團(tuán)立項(xiàng)的xx防空與地面突擊武器系統(tǒng)車載光電搜索跟蹤系統(tǒng)研制要求展開研究、設(shè)計(jì)。系統(tǒng)要求光電搜索跟蹤系統(tǒng)能接受上級(jí)空情信息,對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤；搜索空域信息,分析、選擇可疑目標(biāo)[2]。針對(duì)這兩種情況引導(dǎo)隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng),將目標(biāo)導(dǎo)入導(dǎo)彈〔導(dǎo)引頭視場(chǎng)發(fā)射導(dǎo)彈進(jìn)行打擊。利用CCD寬視場(chǎng)特性,人工搜索地面目標(biāo),分析選擇地面目標(biāo),發(fā)射機(jī)槍或榴彈對(duì)地面攻擊目標(biāo)實(shí)施打擊。作者作為光電搜索跟蹤系統(tǒng)的研制負(fù)責(zé)人,負(fù)責(zé)分析系統(tǒng)各關(guān)鍵點(diǎn)的可行性及方案分析、系統(tǒng)整體方案分析,主持設(shè)計(jì)、調(diào)試系統(tǒng)。1.3光電相關(guān)技術(shù)發(fā)展概況及應(yīng)用要求<1>光電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)光電頻譜位于電磁頻譜的高端,是微波〔無線電頻譜的自然擴(kuò)展與延伸,與無線電科學(xué)與技術(shù)具備優(yōu)良的兼容性。所有基于波動(dòng)特性的無線電技術(shù)及相關(guān)信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù),均可直接移植與帶動(dòng)光電科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展[3~9]。光電系統(tǒng)的成像能力,將在戰(zhàn)場(chǎng)上透明顯示、目標(biāo)識(shí)別、低信雜比目標(biāo)檢測(cè)、反隱身探測(cè)、夜間偵察與作戰(zhàn)、防區(qū)外打擊、打擊效果評(píng)估等方面,為武器系統(tǒng)的應(yīng)用帶來飛躍變化,諸如改概率轟炸為定點(diǎn)轟炸,變霰彈式攻擊為精確打擊等,將會(huì)在不增大戰(zhàn)斗部署的前提下,產(chǎn)生顯著的武器威力倍增效應(yīng)。外科手術(shù)式攻擊、防區(qū)外打擊、超視距攻擊、全球作戰(zhàn)等全新的軍事對(duì)抗模式,促使現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)由熱兵器時(shí)代進(jìn)入信息戰(zhàn)背景下的遠(yuǎn)程精確時(shí)代。光電平臺(tái)為遠(yuǎn)程成像偵察與打擊效果評(píng)估、低可探測(cè)目標(biāo)識(shí)別與瞄準(zhǔn)、基于圖像的精密末制導(dǎo)、激光目標(biāo)指示等提供了堅(jiān)實(shí)可靠的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ),而激光武器作為即將登場(chǎng)的新概念武器,其激光器及能源、光束對(duì)準(zhǔn)及遠(yuǎn)程聚焦等均需光電平臺(tái)的完善配合。以光電對(duì)抗為焦點(diǎn)的軍事對(duì)抗新模式的形成,光電平臺(tái)將功不可沒。光電平臺(tái)工作波段包括可見光、近紅外、中波紅外、長(zhǎng)波紅外；傳感器有標(biāo)準(zhǔn)制式和高清晰度電視攝像機(jī),微光電視攝像機(jī),近紅外、中紅外、長(zhǎng)波紅外成像儀,激光測(cè)距機(jī),激光目標(biāo)指示器,激光照射器,彈著點(diǎn)顯示器；光學(xué)鏡頭有定焦、分檔變焦、連續(xù)變焦,還有電子焦距變倍器；承載轉(zhuǎn)臺(tái)有陀螺穩(wěn)定的兩軸、三軸、四軸、五軸轉(zhuǎn)臺(tái),還有被動(dòng)與主動(dòng)式振動(dòng)與沖擊隔離裝置。所有上述部件的有機(jī)集成與融合,都是為了在晝夜、全天候環(huán)境下,快速獲取景物與目標(biāo)的高清晰實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像,以增強(qiáng)光電平臺(tái)信息獲取能力。相對(duì)于微波而言,以光頻工作的光電系統(tǒng),具有本質(zhì)性的高幾何分辨力、高時(shí)間分辨力、高波譜分辨力的優(yōu)點(diǎn)[3~9]。<2>光電技術(shù)的瓶頸與基于微波工作的雷達(dá)相比,光電平臺(tái)還很不成熟,尚存在一系列技術(shù)難點(diǎn)與發(fā)展瓶頸。與無線電電子和微電子技術(shù)比較,光電子技術(shù)尚處于發(fā)展階段,無論是在基礎(chǔ)材料、元器件、制造工藝,還是在工作體制、接收與發(fā)射、探測(cè)器、傳輸與編解碼、防護(hù)與突防等系統(tǒng)級(jí)別上,均存在較大差距。光信號(hào)的感知與變換,至今仍長(zhǎng)期在低靈敏度、高信雜比、小動(dòng)態(tài)范圍、窄頻帶等水平上徘徊。理論與技術(shù)基礎(chǔ)的嚴(yán)重不足,長(zhǎng)期以來制約著光電子技術(shù)的發(fā)展。光頻段具有的本質(zhì)性優(yōu)勢(shì),如大信息容量、高空間/時(shí)間分辨力、寬頻帶寬度等,由于支撐技術(shù)儲(chǔ)備饋乏,尚無從發(fā)揮作用,致使光電系統(tǒng)仍然處于發(fā)展的初級(jí)階段。光信號(hào)至今仍習(xí)慣于作用距離極近的直接探測(cè),光外差接收方案長(zhǎng)期走不出實(shí)驗(yàn)室的象牙塔。光電平臺(tái)在自然非相干光照明下的被動(dòng)探測(cè),雖說是其工作隱蔽性優(yōu)點(diǎn)的體現(xiàn),但卻強(qiáng)烈依賴于天氣和太陽高角,無法適應(yīng)低照度環(huán)境,遇到零照度探測(cè),更感到十分困難。激光主動(dòng)照明下的零照度成像,還未走出驗(yàn)證試用階段,遠(yuǎn)未達(dá)到大批列裝的技術(shù)水平。<3>光電系統(tǒng)在防空領(lǐng)域的應(yīng)用情況長(zhǎng)波紅外光電傳感器宜于探測(cè)飛機(jī)迎頭,中波紅外光電傳感器宜于追尾,中波紅外較長(zhǎng)波紅外具更強(qiáng)的濕熱氣候穿透能力；雙色紅外傳感器或多色紅外傳感器可以兼顧不同目標(biāo)的紅外特征可能是一種上佳的選擇。紫外探測(cè)虛警率低,且體積小巧、便宜,對(duì)地面熱目標(biāo)引起的虛警率不敏感,然而紫外輻射易被大氣中臭氧層<距地面20～25km>吸收,因而降低了對(duì)導(dǎo)彈〔飛機(jī)逼近的探測(cè)能力；光電紅外探測(cè)存在虛警率問題,也許隨著紅外技術(shù)的發(fā)展,工作于中波和長(zhǎng)波的雙色紅外傳感器及多色傳感器比紫外傳感器將更為有效?；贑CD的光電傳感器的譜帶是膠片的2倍,因此能夠穿透多霧和多塵的典型的沿海環(huán)境,紅外與CCD的二光復(fù)合也許可以兼顧不同的氣候環(huán)境,近岸及艦船防御可能紅外與CCD組合是較佳的方案。具備激光探測(cè)或激光測(cè)距的系統(tǒng)是主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng),與紅外的復(fù)合構(gòu)成的系統(tǒng)稱為半主動(dòng)系統(tǒng),與火控系統(tǒng)的交聯(lián)通常需要距離信息,但如作為純粹的情報(bào)系統(tǒng),激光也許不是必需,利用激光束高空間分辨力成像的特征,對(duì)低觀測(cè)性目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別。主動(dòng)激光探測(cè)與距離選通技術(shù),可用于昏暗區(qū)域的成像。在中等云層、塵土飛揚(yáng)和煙霧環(huán)境下,通過使用精確的短脈沖激光,捕獲反射回來的光子實(shí)現(xiàn)成像,還可實(shí)現(xiàn)夜間低能見度的高分辨力成像,使圖像更加清晰,作用距離更遠(yuǎn),達(dá)到遠(yuǎn)距離字符識(shí)別能力在低光照,低可視條件下識(shí)別敵方坦克、車輛、艦艇、飛機(jī)型號(hào),在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的敵我識(shí)別方面,發(fā)揮重要作用。紅外搜跟光電平臺(tái)的應(yīng)用,也許可以為激光探測(cè)提供一個(gè)較好的平臺(tái)。激光、紅外、CCD構(gòu)成的三光系統(tǒng)也許是一個(gè)比較合適的選擇,系統(tǒng)集成將激光與紅外、CCD共用光學(xué)口徑是一個(gè)比較優(yōu)的方案,但對(duì)系統(tǒng)集成是不可實(shí)現(xiàn)的,非共軸結(jié)構(gòu)是一個(gè)比較合適的選擇,但要確保三光的組合在一個(gè)合適的指標(biāo)范圍內(nèi)。紅外系統(tǒng)光學(xué)口徑與視場(chǎng)角及探測(cè)距離是矛盾的指標(biāo),追求大的視場(chǎng)角,必將降低目標(biāo)的探測(cè)距離,追求遠(yuǎn)的探測(cè)距離,勢(shì)必降低視場(chǎng)角。雙熱像儀架構(gòu),擴(kuò)大了視場(chǎng),增加了低空探測(cè)的威力范圍,降低了對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的俯仰系統(tǒng)的要求,但對(duì)結(jié)構(gòu)安裝及后端處理提高了難度,搜索系統(tǒng)的探測(cè)能力一直沒有得到合理的驗(yàn)證,也許目標(biāo)信息處理板與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分離對(duì)目標(biāo)探測(cè)的研究是一種好的方法,系統(tǒng)目標(biāo)探測(cè)指標(biāo)如得到合理的驗(yàn)證,也許這是一個(gè)比較好的抉擇,因?yàn)楦┭鲚S系的不運(yùn)動(dòng),的確可以降低系統(tǒng)對(duì)較大范圍空情的反應(yīng)時(shí)間。受限于攻擊武器的作戰(zhàn)半徑,對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)是一個(gè)永恒的要求。這些系統(tǒng)指標(biāo)有些可能要作出一些犧牲,以兼顧重要指標(biāo)。手動(dòng)搜索也許適應(yīng)于對(duì)目標(biāo)的埋伏及揀漏,通過場(chǎng)景觀察,人眼判斷可疑目標(biāo)進(jìn)而進(jìn)行鎖定跟蹤目標(biāo)。單一的全自動(dòng)紅外搜索、跟蹤系統(tǒng)在搜索到可疑目標(biāo)后,切換到跟蹤狀態(tài),切換時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo),切換時(shí)間隨溫度的不確定性及切換時(shí)間過長(zhǎng)也許導(dǎo)致目標(biāo)的丟失,可疑目標(biāo)跟蹤后,經(jīng)輻射強(qiáng)度、威脅程度分析,可能被剔除為非可疑目標(biāo),系統(tǒng)處于停止搜索,來犯的目標(biāo)從其它角度可能已經(jīng)進(jìn)入,以致需要重新觀察空情,這在系統(tǒng)作戰(zhàn)中是很難想象的,也許搜索系統(tǒng)與跟蹤系統(tǒng)分離是一個(gè)好的選擇。提高搜索系統(tǒng)的視場(chǎng)角,降低跟蹤系統(tǒng)的視場(chǎng)角是一個(gè)比較合理的選擇。提高搜索系統(tǒng)的視場(chǎng)角,則要提高空間分辨力,像素的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)要提高,降低跟蹤系統(tǒng)的視場(chǎng)角,同樣像素的點(diǎn)陣則有助于提升精跟蹤的精度。陸軍部隊(duì)特別是裝甲部隊(duì)是空襲的主要目標(biāo),現(xiàn)代防空必須應(yīng)對(duì)飛機(jī)、隱身飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈、地地彈道導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈等的威脅以及嚴(yán)峻的電磁環(huán)境和靈活多變的進(jìn)攻戰(zhàn)術(shù)等[8]。防空作戰(zhàn)日益顯示參戰(zhàn)力量的聯(lián)合性、作戰(zhàn)空間的廣闊性、反應(yīng)時(shí)間的短暫性、情況變化的突然性等諸多特點(diǎn)。野戰(zhàn)防空戰(zhàn)區(qū)很大,常部署多部預(yù)警雷達(dá)、大量的炮瞄雷達(dá)〔炮瞄光電及制導(dǎo)雷達(dá)〔制導(dǎo)光電等[8]。大量信息在短時(shí)間涌向指揮中心,這給防空指揮帶來極大困難,任何單一系統(tǒng)都難以應(yīng)付未來的空中威脅環(huán)境,必須建立多光電組網(wǎng)的野戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng),由多種光電覆蓋同一區(qū)域,進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合處理,以得到全面的、精確的態(tài)勢(shì)報(bào)告。陸軍防空網(wǎng)信息與指揮控制系統(tǒng)集成,解決陸軍指揮/防空信息共享,使之適應(yīng)陸軍戰(zhàn)術(shù)的需要,同時(shí)將光電情報(bào)信息,發(fā)送到陸軍作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)并在指定的席位顯示,為指揮員提供情報(bào)信息；指揮員根據(jù)光電的綜合態(tài)勢(shì)信息,輔助部隊(duì)部署、制定作戰(zhàn)方案等。另外,還可以根據(jù)陸軍防空關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)目標(biāo),將相關(guān)的空情信息及其他情報(bào)信息傳送給指揮系統(tǒng),保證在正確的地點(diǎn)、正確的時(shí)間獲取正確的光電情報(bào)信息,并指揮和調(diào)動(dòng)防空導(dǎo)彈和高炮部隊(duì)攔截和打擊空襲目標(biāo),遂行各種防空作戰(zhàn)任務(wù),達(dá)到一體化防空作戰(zhàn)的目的。<4>其它應(yīng)用1導(dǎo)彈發(fā)射探測(cè)與預(yù)警?星載導(dǎo)彈告警?空軍飛機(jī)導(dǎo)彈逼近告警2海軍艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)3夜視?熱武器瞄準(zhǔn)器?車輛駕駛員視覺增強(qiáng)紅外觀察儀4限制大規(guī)模毀滅性武器擴(kuò)散監(jiān)控1.4國(guó)外部分研究成果<1>美國(guó)陸軍的遠(yuǎn)程高級(jí)監(jiān)視偵察系統(tǒng)〔LRAS3,主要是為重裝部隊(duì)、輕型騎兵中隊(duì)和偵察分隊(duì)提供在安全范圍內(nèi)進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)的偵察監(jiān)視能力。通過先進(jìn)的第二代前視紅外技術(shù)、全球定位干涉儀、激光測(cè)距儀以及晝間用攝影機(jī),LRAS3能進(jìn)行遠(yuǎn)距離目標(biāo)定位。采用這些光電探測(cè)設(shè)備,LRAS3能讓偵察人員在直接火力打擊范圍以外探測(cè)到敵方目標(biāo)。<2>瑞典的"鷹"系列裝甲偵察車上的光電偵察系統(tǒng)安裝在一個(gè)可收縮的車頂安裝桅桿上。它包括一個(gè)作用距離達(dá)7公里的熱像儀、一個(gè)晝間使用攝像機(jī)和一個(gè)人眼安全激光測(cè)距儀,兩者作用距離都能達(dá)到101.5作者所做的主要工作與論文內(nèi)容安排研究的主要內(nèi)容本選題研究在吸納、借鑒國(guó)際國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合自主創(chuàng)新,研究并設(shè)計(jì)現(xiàn)代防御光電搜索跟蹤系統(tǒng)。其主要研究?jī)?nèi)容如下：<1>分析研究光電搜索跟蹤系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)；<2>基于光電搜索跟蹤系統(tǒng)作用距離的提高以及實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理機(jī)構(gòu)與光電轉(zhuǎn)臺(tái)分離分析研究數(shù)字圖像光纖傳輸；<3>研究光電搜索跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定性分析；<4>分析研究執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇；<5>分析研究光電搜索跟蹤系統(tǒng)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)；<6>分析研究光電搜索跟蹤系統(tǒng)伺服位置的解碼比較及VHDL設(shè)計(jì)；<7>分析研究光電搜索跟蹤系統(tǒng)紅外探測(cè)作用距離、威力范圍。作者所做的主要工作<1>項(xiàng)目可行性論證及資料查詢,提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想；<2>分析制定總體技術(shù)方案；<3>光電搜索跟蹤系統(tǒng)DSP伺服系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)；<4>光纖傳輸分析、論證、設(shè)計(jì)；<5>電路系統(tǒng)分析；<6>電機(jī)選擇及分析；<7>EnDat協(xié)議解碼總構(gòu)〔旋轉(zhuǎn)變壓器位置解算及VHDL設(shè)計(jì)；<8>工程問題討論與研究；<9>系統(tǒng)可靠性分析、設(shè)計(jì)、改進(jìn)；<10>不同光電成像傳感器圖像切換分析論文內(nèi)容安排論文分為五個(gè)章節(jié)進(jìn)行論述：<1>緒論；<2>光電搜索跟蹤系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)；?系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能?光電搜索跟蹤系統(tǒng)方案?光電搜索跟蹤系統(tǒng)軟件方案<3>光電搜索跟蹤系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究；?數(shù)字圖像光纖傳輸分析?光電穩(wěn)定系統(tǒng)分析?光電伺服框架絕對(duì)位置獲取設(shè)計(jì)分析?電機(jī)選擇分析<4>工程問題分析、研究?紅外搜索幀間圖像特性分析?紅外搜索成像系統(tǒng)探測(cè)范圍研究?電源管理時(shí)序研究?陀螺補(bǔ)償工程考慮?系統(tǒng)布線工程考慮<5>總結(jié)展望WORD格式整理版.2光電搜索跟蹤系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能要求根據(jù)現(xiàn)代防御的要求,系統(tǒng)需要具有大范圍的搜索能力,定點(diǎn)搜索、區(qū)域搜索、360°全空域搜索,穩(wěn)健探測(cè)弱小目標(biāo)、探測(cè)距離遠(yuǎn)及多目標(biāo)探測(cè)能力?，F(xiàn)代光電跟蹤系統(tǒng)要求跟蹤視場(chǎng)小,分辨率高,以進(jìn)行精確跟蹤,且具備目標(biāo)威脅程度、目標(biāo)分類及剔除假目標(biāo)能力。目前的光電系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)致幾乎不可能在一套系統(tǒng)中兼顧不同的系統(tǒng)需求?；谙到y(tǒng)不同的需求需作出不同的抉擇。不同的系統(tǒng)架構(gòu)追求的是在某一方面指標(biāo)達(dá)到最優(yōu),而不是全面的指標(biāo)最優(yōu)。光電搜索跟蹤系統(tǒng)主要安裝于戰(zhàn)斗車,用于對(duì)敵方來襲的飛機(jī)<固定翼飛機(jī)、直升機(jī)>和精確制導(dǎo)武器等空中作戰(zhàn)平臺(tái)實(shí)施遠(yuǎn)距離、大范圍、多批次的實(shí)時(shí)偵察告警,并實(shí)時(shí)提供目標(biāo)方位/俯仰角、目標(biāo)類型、目標(biāo)威脅等級(jí)、目標(biāo)輻射強(qiáng)度等引導(dǎo)信息。進(jìn)一步選擇目標(biāo)進(jìn)行精確跟蹤引導(dǎo)武器實(shí)施打擊[10~14]。2.2光電搜索跟蹤系統(tǒng)架構(gòu)光電搜索跟蹤系統(tǒng)的組成光電搜索跟蹤系統(tǒng)由伺服控制分系統(tǒng)與光電搜索跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)、信號(hào)處理機(jī)分系統(tǒng)組成。伺服控制分系統(tǒng)〔含伺服控制系統(tǒng)所需電源、紅外搜索轉(zhuǎn)臺(tái)所需電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、伺服控制板與光電搜索跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)〔含紅外〔多傳感器融合時(shí)可考慮CCD、激光、旋轉(zhuǎn)變壓器〔或編碼器、電機(jī)、光纖滑環(huán)、圖像光纖傳輸發(fā)送板等、信號(hào)處理機(jī)分系統(tǒng)<含6U計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖像光纖接收還原板、圖像信號(hào)處理板及各I/O等>各自獨(dú)成一體；三個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成光電搜索跟蹤系統(tǒng)總體。通過安裝于cPCI信號(hào)處理機(jī)的AC/DC輸出電源供給伺服控制箱,由伺服控制箱轉(zhuǎn)換、分配電源給紅外搜跟轉(zhuǎn)臺(tái)的激光測(cè)距機(jī)、紅外熱像儀、光纖發(fā)送部分。通過伺服控制箱向紅外搜跟轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)送電機(jī)控制信息,向旋轉(zhuǎn)變壓器饋送激勵(lì)電源,并通過旋轉(zhuǎn)變壓器〔系統(tǒng)中也可采用EnDat編碼器獲取轉(zhuǎn)臺(tái)位置信息。通過光纖傳遞紅外熱像儀數(shù)字視頻信息,操控信息,激光測(cè)距機(jī)控制信息,激光測(cè)距機(jī)距離信息。通過手柄操控進(jìn)行目標(biāo)選擇跟蹤,在信號(hào)處理機(jī)與伺服控制箱間進(jìn)行同步及通信獲取目標(biāo)圖像及位置信息。向指揮控制系統(tǒng)匯報(bào)當(dāng)前信息并接受指揮控制系統(tǒng)控制,接受全系統(tǒng)同步信息。圖2-1所示為紅外搜跟系統(tǒng)的組成。圖2-1光電搜索跟蹤系統(tǒng)組成示意圖光電搜索跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)光電搜索跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。其中X1為激光測(cè)距機(jī)的電源接口,X2為RS422接口插座,包括接收來自外部TTL信號(hào)；X3為紅外熱像儀電源插座,X4為包含RS422對(duì)熱像儀進(jìn)行操控的信號(hào)插座,X5為包含數(shù)字視頻圖像的插座。采用圖2-2電氣分配方式,J1電源占用5線,J1地線占用5線；J2電源占用1線,J2地線占用1線；J3、J4、J7共占用10線,J8電機(jī)PWM功率驅(qū)動(dòng)占用10線。電滑環(huán)需要32線進(jìn)行傳輸。將J5、J6信號(hào)經(jīng)過光纖傳輸。J5中RS422信號(hào)為往外發(fā)送的激光測(cè)距信息,且存在系統(tǒng)往激光測(cè)距機(jī)發(fā)送的TTL控制信號(hào),以控制激光測(cè)距機(jī)的發(fā)射頻率；J6中RS422信號(hào)為系統(tǒng)往紅外熱像儀發(fā)送的操控信號(hào),以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外熱像儀焦距、視場(chǎng)、增益、極性等的調(diào)節(jié)?？梢?系統(tǒng)往激光測(cè)距機(jī)發(fā)送的TTL信號(hào)及往紅外熱像儀發(fā)送的RS422操控信號(hào)流向是一致的；而激光測(cè)距機(jī)往外發(fā)送的距離信息及紅外熱像儀往外發(fā)送的數(shù)字圖像信息流向是一致的。兩者流向相反,在光纖通信中需采用波分復(fù)用來實(shí)現(xiàn)。圖2-2光電搜索跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)電氣分配關(guān)于光纖通信波特率不同問題,采用自適應(yīng)通信波特率實(shí)現(xiàn)。整體示意如圖2-3所示。圖2-3光纖傳輸信號(hào)示意圖其中熱像儀操控19200bps,當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)有數(shù)據(jù),否則無數(shù)據(jù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出激光測(cè)距機(jī)頻率控制時(shí),電端機(jī)解析為TTL控制命令,否則無解析,有解析時(shí),屬同步觸發(fā)激光測(cè)距機(jī),TTL信號(hào)上升沿觸發(fā),激光測(cè)距機(jī)在上升沿190mS±5mS時(shí)刻發(fā)射激光,隨后發(fā)出距離數(shù)據(jù)。激光測(cè)距機(jī)回傳測(cè)距信息通過RS422傳送,波特率9600bps。cPCI信號(hào)處理機(jī)信號(hào)處理機(jī)分系統(tǒng)電氣分配如圖2-4所示。系統(tǒng)通過市電或電池給系統(tǒng)供電信號(hào)處理機(jī)供電。紅外搜索轉(zhuǎn)臺(tái)下行的數(shù)字圖像光纖信號(hào)在信號(hào)處理機(jī)端由光纖解調(diào)板進(jìn)行還原,還原后的差分?jǐn)?shù)字圖像信號(hào)直接向目標(biāo)信息處理板饋送視頻信號(hào),經(jīng)目標(biāo)信息處理板處理后的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤信息通過cPCI總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交互。圖2-4信號(hào)處理機(jī)分系統(tǒng)電氣分配計(jì)算機(jī)獲取的目標(biāo)信息〔如座標(biāo)信息等直接報(bào)告給指揮系統(tǒng)或接受指揮系統(tǒng)發(fā)來的空情信息進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。同時(shí)接受轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)來的慣性空間姿態(tài)信息,以便在計(jì)算機(jī)端對(duì)慣性空間姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償。紅外熱像儀視頻、光纖傳輸、圖像信號(hào)處理板、cPCI計(jì)算機(jī)傳遞流程如圖2-5所示。熱像儀攝取的外部場(chǎng)景通過256級(jí)灰度的數(shù)字視頻輸出,數(shù)字視頻通過光纖傳輸,系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)360度后,計(jì)算機(jī)終端拼出360度的攝取的空域合成條帶圖。在熱像儀場(chǎng)同步信號(hào)的作用下,伺服系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前伺服系統(tǒng)的位置信號(hào)給cPCI計(jì)算機(jī),A進(jìn)程搶占cPCI總線,計(jì)算機(jī)及圖像信號(hào)處理板獲得位置信息；B進(jìn)程對(duì)達(dá)到檢測(cè)域值紅外目標(biāo)疊加波門；最后由計(jì)算機(jī)內(nèi)存讀取以上相關(guān)信息,進(jìn)行位置、目標(biāo)波門疊加顯示。圖2-5紅外熱像儀視頻檢測(cè)信號(hào)關(guān)系示意圖系統(tǒng)伺服控制圖2-6系統(tǒng)伺服控制部分示意圖如圖2-6所示,伺服控制分系統(tǒng)提取來自cPCI計(jì)算機(jī)的直流24V電源,涵蓋伺服控制、電源、伺服驅(qū)動(dòng)整體供電。伺服控制箱電源電路向光電搜索跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的激光、紅外熱像儀、光纖傳輸發(fā)送板提供電源,向光電搜索跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的方位、俯仰電機(jī)饋送高壓PWM信號(hào),并提供紅外搜跟轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)電源。伺服控制電路讀取紅外搜跟轉(zhuǎn)臺(tái)反饋的電機(jī)絕對(duì)位置信號(hào)。通過伺服控制箱的伺服控制電路提供手柄電源,讀取手柄方位、俯仰模擬電壓及開關(guān)信號(hào)。根據(jù)信號(hào)處理板接收到的來自熱像儀的圖像幀的起始信號(hào)向伺服發(fā)起同步,伺服接收到來自信號(hào)處理板發(fā)起的同步信號(hào)響應(yīng)中斷,即時(shí)向cPCI計(jì)算機(jī)系統(tǒng)回饋位置信息,以便在計(jì)算機(jī)顯控終端顯示當(dāng)前幀圖像信息及當(dāng)前幀位置信息。2.3光電搜索跟蹤系統(tǒng)軟件方案2.3.1系統(tǒng)工作流程圖2-7光電搜索跟蹤系統(tǒng)工作流程系統(tǒng)上電后工作流程見圖2-7。其中除自動(dòng)跟蹤外均來自于操控命令。2.3.2伺服控制軟件及控制模式方案圖2-8伺服控制軟件模塊組成關(guān)系圖根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案要求,伺服控制板完成對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的伺服控制和任務(wù)管理兩項(xiàng)主要功能,其中伺服控制功能需要完成速度閉環(huán)和位置閉環(huán)兩種控制模式,任務(wù)管理功能需要根據(jù)目標(biāo)信息處理板的指令進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)的工作模式切換、自檢和狀態(tài)監(jiān)控等一系列功能。同時(shí),由于該控制與任務(wù)管理板采用雙DSP結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),還應(yīng)包括兩塊DSP之間的數(shù)據(jù)交換功能[15~16]。伺服控制軟件組成模塊如2-8?？刂迫蝿?wù)工作狀態(tài)由目標(biāo)信息處理板控制,伺服及任務(wù)管理根據(jù)目標(biāo)信息處理板發(fā)送的命令,產(chǎn)生不同的狀態(tài)字,同時(shí)控制搜索跟蹤兩框架平臺(tái)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。任務(wù)工作狀態(tài)見圖2-9所示〔以下相關(guān)控制框圖未考慮穩(wěn)定系統(tǒng)。圖2-9控制系統(tǒng)任務(wù)狀態(tài)圖〔1360度周掃模式系統(tǒng)通過不停的快速周掃,及時(shí)了解戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),對(duì)區(qū)域內(nèi)的所有目標(biāo)進(jìn)行全方位搜索,目標(biāo)信息處理板將搜索到的所有可疑目標(biāo)在顯示屏上進(jìn)行顯示,同時(shí)顯示這些目標(biāo)當(dāng)前的坐標(biāo)信息和航跡預(yù)測(cè)信息,從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)搜索、探測(cè)功能。周掃模式控制框圖如圖2-10所示。圖2-10周掃模式控制框圖<2>預(yù)置自動(dòng)搜索模式在上級(jí)空情信息導(dǎo)引條件下,系統(tǒng)預(yù)置一定搜索范圍,實(shí)現(xiàn)對(duì)指定空域進(jìn)行快速自動(dòng)搜索目標(biāo),將搜索到的所有可疑目標(biāo)在顯示屏上進(jìn)行顯示,同時(shí)顯示這些目標(biāo)當(dāng)前的坐標(biāo)信息和航跡預(yù)測(cè)信息,從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)搜索、探測(cè)功能。預(yù)置自動(dòng)搜索模式控制框圖如圖2-11所示。圖2-11預(yù)置自動(dòng)搜索模式控制結(jié)構(gòu)圖<3>手動(dòng)搜索模式上、下、左、右搖動(dòng)手柄,手柄輸出轉(zhuǎn)臺(tái)期望到達(dá)的速度與旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)得的電機(jī)速度構(gòu)成偏差進(jìn)行相應(yīng)的搜索控制。對(duì)應(yīng)的控制框圖見圖2-12。圖2-12手動(dòng)搜索模式控制結(jié)構(gòu)圖<4>自動(dòng)跟蹤模式圖像跟蹤器給出框架光軸指向?qū)δ繕?biāo)的偏差作為控制命令的輸入。對(duì)應(yīng)的控制框圖見圖2-13。圖2-13自動(dòng)跟蹤模式控制結(jié)構(gòu)圖<5>手動(dòng)干預(yù)跟蹤模式當(dāng)按下手柄按鍵時(shí),進(jìn)入手動(dòng)干預(yù)模式,手動(dòng)干預(yù)模式在四種工作模式中優(yōu)先級(jí)最高。此時(shí)系統(tǒng)隨動(dòng)于操控手柄,松開手柄按鍵系統(tǒng)返回自動(dòng)搜索模式或手動(dòng)搜索模式〔返回模式由上位機(jī)確定,跟蹤模式直接由上位機(jī)發(fā)送帶命令字的偏差,無需返回,如果返回自動(dòng)搜索模式則帶參數(shù)返回,即修改自動(dòng)搜索模式掃描扇區(qū)中心線到當(dāng)前位置,手動(dòng)干預(yù)模式用于彌補(bǔ)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別方式的不足。<6>軟件總體設(shè)計(jì)伺服控制及任務(wù)管理軟件采用C語言進(jìn)行設(shè)計(jì),分別在兩片DSP上運(yùn)行不同的程序。軟件設(shè)計(jì)按照模塊化設(shè)計(jì)要求,充分考慮了可維護(hù)性、可繼承性和可擴(kuò)展性。伺服系統(tǒng)主要軟件模塊如圖2-14所示。圖2-14伺服系統(tǒng)軟件模塊組成圖2.3.3目標(biāo)信號(hào)處理系統(tǒng)軟件及目標(biāo)處理方案圖2-15雙DSP并行軟件流程圖目標(biāo)信息處理板內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)采用目標(biāo)檢測(cè)算法,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè),算法實(shí)現(xiàn)于處理板的DSP中。由于采用雙片DSP并行結(jié)構(gòu),為最大程度的發(fā)揮各DSP陣元的處理能力,需要結(jié)合處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和算法的結(jié)構(gòu),采用合理的任務(wù)劃分和調(diào)度策略[17~22]。圖2-15顯示了雙DSP并行的主體程序流程圖。DSP1,DSP2經(jīng)初始化后,加載預(yù)置參數(shù)。DSP1,DSP2分別進(jìn)行面目標(biāo)和點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè),DSP2將這兩個(gè)結(jié)果進(jìn)行融合,并接收計(jì)算機(jī)終端的命令,設(shè)置DSP1,DSP2的工作狀態(tài),進(jìn)行相應(yīng)的目標(biāo)檢測(cè)跟蹤處理,最后將最終處理結(jié)果實(shí)時(shí)傳遞給伺服控制和cPCI計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。圖2-16DSP1面目標(biāo)算流程圖2-17DSP2點(diǎn)目標(biāo)算法流程紅外目標(biāo)檢測(cè)跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)是DSP程序的主要部分。在算法中,將紅外目標(biāo)分為面目標(biāo)和點(diǎn)目標(biāo),DSP1完成面目標(biāo)算法,DSP2實(shí)現(xiàn)點(diǎn)目標(biāo)算法。面目標(biāo)算法如圖2-16所示,點(diǎn)目標(biāo)算法如圖2-17所示。算法的工程化實(shí)現(xiàn)需要對(duì)DSP程序進(jìn)行高度優(yōu)化。結(jié)合DSP獨(dú)特的結(jié)構(gòu)對(duì)程序優(yōu)化,需要熟悉各種優(yōu)化手段甚至采用匯編優(yōu)化。只有經(jīng)過良好優(yōu)化的DSP代碼才能有效利用DSP具有的各種資源,充分發(fā)揮DSP特有的優(yōu)勢(shì),最大限度的滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。2.4本章小結(jié)本章提出了光電搜索跟蹤系統(tǒng)的功能及技術(shù)指標(biāo),分析了系統(tǒng)整體組成架構(gòu),光電搜索跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)、信號(hào)處理機(jī)、伺服控制分系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)分配,提出了光纖通信解決系統(tǒng)雙向通信及對(duì)命令解析的方法。給出了伺服系統(tǒng)軟件流程及各模塊功能及目標(biāo)信號(hào)處理面目標(biāo)、點(diǎn)目標(biāo)處理流程。WORD格式整理版.3光電搜索跟蹤系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究光電搜索跟蹤系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)涉及以下主要內(nèi)容：<1>紅外或CCD圖像信號(hào)的數(shù)字圖像光纖傳輸。數(shù)字圖像光纖傳輸技術(shù)的引入能解決光電搜索跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)與目標(biāo)信號(hào)處理板分離,并且目標(biāo)信息處理板獲得的光電圖像信號(hào)質(zhì)量不受損失,有利于轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)搜索時(shí)目標(biāo)信號(hào)處理的仿真,有助于機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)工程算法的提升,是增強(qiáng)目標(biāo)穩(wěn)健檢測(cè)的有效手段。同時(shí)采用光纖傳輸有利于系統(tǒng)抗干擾能力的提升,傳統(tǒng)的導(dǎo)電滑環(huán)的響應(yīng)頻率比較低,系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)信號(hào)容易出現(xiàn)失真、誤碼率增加的情況。<2>慣性空間穩(wěn)定。慣性空間穩(wěn)定技術(shù)決定了穩(wěn)定搜索跟蹤平臺(tái)的穩(wěn)定能力,慣性空間姿態(tài)傳感器的選擇及信號(hào)的處理和電源的隔離有助于陀螺采集信號(hào)噪聲的降低,極限情況是在伺服端對(duì)慣性空間姿態(tài)的信號(hào)采集逼近慣性空間姿態(tài)信號(hào)的本身情況。慣性空間姿態(tài)傳感器的帶寬及控制環(huán)路的設(shè)計(jì)對(duì)光電穩(wěn)定系統(tǒng)的隔離有較大的影響。<3>光電搜索跟蹤系統(tǒng)框架伺服位置信號(hào)的獲取。位置信號(hào)的獲取決定了光電搜索跟蹤系統(tǒng)框架位置的采樣精度,從位置采集傳感器本身來看,采樣精度對(duì)系統(tǒng)的跟蹤定位性能有較大的影響,獲取采樣值的穩(wěn)健性在某種程度上決定系統(tǒng)位置閉環(huán)的穩(wěn)健。<4>執(zhí)行機(jī)構(gòu)直流力矩電機(jī)的選擇。電機(jī)的選擇指標(biāo)涉及峰值堵轉(zhuǎn)電壓,連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓,峰值堵轉(zhuǎn)電流,連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流,峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,最大空載轉(zhuǎn)速。選擇時(shí)要考慮負(fù)載總力矩、最大調(diào)轉(zhuǎn)速度等因素。3.1數(shù)字圖像光纖傳輸分析數(shù)字圖像光纖傳輸?shù)谋匾约t外搜索系統(tǒng)通常采用線列探測(cè)器旋轉(zhuǎn)掃描的成像方式。這種掃描方式下,連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的成像探測(cè)部分與信號(hào)處理機(jī)之間必需經(jīng)過滑環(huán)進(jìn)行連接[27]?，F(xiàn)代紅外防御系統(tǒng)中,紅外搜索系統(tǒng)中紅外光電熱成像儀攝取的前方目標(biāo)場(chǎng)景經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)傳遞,送入紅外光電熱成像系統(tǒng)內(nèi)部電子系統(tǒng)處理產(chǎn)生模擬視頻及差分?jǐn)?shù)字視頻輸出,差分?jǐn)?shù)字視頻信號(hào)直接送入目標(biāo)信息處理板進(jìn)行處理。通常情況下,光電熱成像儀與激光、CCD構(gòu)成三光系統(tǒng)或光電熱成像儀與激光構(gòu)成的二光系統(tǒng)置于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)。如目標(biāo)信息處理板置于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi),紅外光電熱像儀圖像信號(hào)與目標(biāo)信息處理板連接有兩種方式：一種方法是紅外熱像儀數(shù)字視頻信號(hào)與目標(biāo)信息處理板連接,目標(biāo)信息處理板FPGA對(duì)圖像數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；另一種方法是紅外熱像儀模擬視頻信號(hào)與目標(biāo)信息處理板連接,目標(biāo)信息處理板對(duì)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,然后再進(jìn)行相應(yīng)的視頻預(yù)處理。前一種方式模擬視頻通過電滑環(huán)下行接入主控計(jì)算機(jī)中,由圖像采集卡采集并處理進(jìn)行顯示,但目標(biāo)信息處理板處理的數(shù)字視頻幀信息與終端顯示的模擬視頻信息需要幀同步信號(hào)進(jìn)行同步,以保證當(dāng)前顯示幀為當(dāng)前處理幀；后一種方式雖不存在同步問題,但存在紅外模擬圖像到數(shù)字圖像再到模擬圖像再到數(shù)字圖像的圖像傳輸質(zhì)量損失。這兩種傳輸方式如圖3-1所示。兩種方式下,由于目標(biāo)信息處理板置于轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)內(nèi),旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)時(shí)檢測(cè)紅外目標(biāo)時(shí)無法進(jìn)行仿真,這為動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)算法的工程完整實(shí)現(xiàn)帶來了極大的不便。為此,需尋求一種新的傳輸圖像方式：光纖滑環(huán)傳遞數(shù)字圖像。采用光纖滑環(huán)結(jié)構(gòu)一方面解決了多位視頻信號(hào)通過光纖大容量的通信問題,另一方面解決了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與非旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的連接方式。兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的部分實(shí)現(xiàn)光纖光路的動(dòng)態(tài)連接,普通的固定連接器無法完成動(dòng)態(tài)連接,而光纖旋轉(zhuǎn)連接器正是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)連接不可或缺的器件[33]；圖3-1紅外熱像儀視頻數(shù)據(jù)傳輸及通信示意圖光纖傳輸可以在潮濕、多塵、凹凸不平、高壓等惡劣環(huán)境下運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)時(shí)可以連續(xù)輸出信號(hào)。特別適合應(yīng)用在需要無限制的,連續(xù)或斷續(xù)旋轉(zhuǎn),同時(shí)又需要從固定位置到旋轉(zhuǎn)位置傳送大容量數(shù)據(jù)、視頻信號(hào)的場(chǎng)所[24~32]。用光纖傳遞信號(hào),無泄密,無電磁干擾,可以遠(yuǎn)距離傳輸,產(chǎn)生的灰塵少,壽命長(zhǎng),可達(dá)1億轉(zhuǎn)以上[24~32]。傳統(tǒng)圖像傳輸與數(shù)字圖像光纖傳輸比較<1>傳統(tǒng)圖像傳輸紅外光電熱像儀安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi),目標(biāo)信息處理板安裝于光電平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi),目標(biāo)信息處理板以50幀/秒發(fā)出同步觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)伺服控制給出當(dāng)前位置信息,當(dāng)前的位置信息由目標(biāo)信息處理板轉(zhuǎn)發(fā)主控計(jì)算機(jī),同時(shí)目標(biāo)信息處理板以50幀/秒發(fā)出當(dāng)前目標(biāo)相對(duì)光軸的脫靶量給伺服,伺服根據(jù)發(fā)來的脫靶量進(jìn)行對(duì)應(yīng)的控制調(diào)整。光電成像器發(fā)出的差分視頻數(shù)字信號(hào)或模擬圖像送往目標(biāo)信號(hào)處理板。目標(biāo)信號(hào)處理板通過RS422總線操控?zé)嵯駜x,對(duì)熱像儀進(jìn)行非均勻性、極性等等調(diào)整。光電熱像器模擬視頻信號(hào)送往主控計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)終端顯示成像器攝取的前方景象并合成來自目標(biāo)信息處理板發(fā)來的波門信息。此種傳輸方式存在以下缺點(diǎn)：1>通信鏈條過多。計(jì)算機(jī)與伺服信息的交互需通過目標(biāo)信息處理板這一中間環(huán)節(jié),計(jì)算機(jī)終端對(duì)熱像儀的調(diào)整也經(jīng)過了目標(biāo)信息處理板這一中間環(huán)節(jié)。結(jié)果是一方面重復(fù)編程嚴(yán)重,另一方面增加了系統(tǒng)通信的不可靠性因素。2>目標(biāo)信息處理板置于轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件中,系統(tǒng)無論是外場(chǎng)還是實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)調(diào)試,均無法在線仿真深入cpu內(nèi)部監(jiān)控內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)運(yùn)行情況。3>由于熱像儀傳輸?shù)哪M圖像送往計(jì)算機(jī)顯示,而來自目標(biāo)信息處理板處理后的目標(biāo)信息要在模擬圖像的場(chǎng)景中合成,在系統(tǒng)搜索的每幀動(dòng)態(tài)圖像刷新過程中,波門與動(dòng)態(tài)目標(biāo),二者并不同步。4>長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作圖像噪聲嚴(yán)重。<2>數(shù)字圖像傳輸紅外熱像儀安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi),目標(biāo)信息處理板置于cPCI計(jì)算機(jī)內(nèi),熱像儀給出的差分?jǐn)?shù)字視頻信號(hào)通過光纖傳輸鏈路傳遞,經(jīng)過視頻傳輸完成信道編碼,并串轉(zhuǎn)換,電光轉(zhuǎn)換,通過電光轉(zhuǎn)換的PECL端傳送入光纖,在視頻還原端完成光電轉(zhuǎn)換,串并轉(zhuǎn)換,信道解碼,完整復(fù)現(xiàn)差分視頻信號(hào)。數(shù)字圖像光纖傳輸線路如圖3-2所示。cPCI計(jì)算機(jī)獲取的50幀/秒顯示圖像信息與目標(biāo)信息處理板處理后的目標(biāo)信息任何時(shí)刻都是同步的。目標(biāo)信息處理板以50幀/秒發(fā)出當(dāng)前目標(biāo)相對(duì)光軸的脫靶量〔先經(jīng)cPCI總線給伺服,伺服根據(jù)發(fā)來的脫靶量進(jìn)行相應(yīng)的控制調(diào)整。cPCI計(jì)算機(jī)直接通過RS422總線操控?zé)嵯駜x,對(duì)熱像儀進(jìn)行非均勻性、極性等進(jìn)行調(diào)整。此種傳輸方式存在以下優(yōu)點(diǎn)：1通信鏈條少,基于cPCI總線的穩(wěn)健性,系統(tǒng)通信是穩(wěn)健的。2目標(biāo)信息處理板置于cPCI計(jì)算機(jī)內(nèi),易于外場(chǎng)及室內(nèi)動(dòng)態(tài)仿真測(cè)試。3計(jì)算機(jī)顯示的場(chǎng)景圖像與目標(biāo)信息處理板處理的目標(biāo)信息是同步的,便于顯示圖像的合成。4所有的頂層管理及數(shù)據(jù)交互均通過中央計(jì)算機(jī)cPCI總線完成,系統(tǒng)軟件管理簡(jiǎn)潔。5長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作試驗(yàn)后采集得到的圖像細(xì)膩清晰、噪聲小。圖3-2數(shù)字圖像光纖傳輸示意圖3.1.3數(shù)字圖像光纖傳輸任務(wù)分析及實(shí)現(xiàn)〔1任務(wù)分析在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)利用光纖傳輸兩路紅外熱像數(shù)字視頻數(shù)據(jù),在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)外接收還原紅外熱像數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。首先,處于最上層的多路復(fù)用模塊完成兩個(gè)探測(cè)器數(shù)據(jù)的合并操作,然后,并串轉(zhuǎn)換和編碼模塊把合并后的圖像數(shù)據(jù)通過直流均衡編碼,轉(zhuǎn)換成串行信號(hào),并在其中加入時(shí)鐘和字節(jié)對(duì)齊等信息,最底層的電光轉(zhuǎn)換模塊把串行電信號(hào)最終變成光信號(hào)發(fā)送出去。通過光纖旋轉(zhuǎn)連接器到達(dá)接收端,由光信號(hào)接收模塊放大并恢復(fù)成串行數(shù)字信號(hào),時(shí)鐘恢復(fù)和串并轉(zhuǎn)換模塊從串行信號(hào)中恢復(fù)時(shí)鐘,進(jìn)行字節(jié)對(duì)準(zhǔn),并恢復(fù)出并行數(shù)據(jù),最后由解復(fù)用模塊分解和還原兩個(gè)紅外探測(cè)器的數(shù)據(jù)。雙路紅外視頻光纖傳輸如圖3-3所示。由于采用的紅外熱成像儀積分時(shí)間接近20us,實(shí)際的線列紅外探測(cè)器的數(shù)據(jù)是按列讀出的,且每?jī)闪袛?shù)據(jù)之間有大概20us的間隔。因此,可直接把多路探測(cè)器數(shù)據(jù)合并到一起,并添加幀同步信號(hào)形成一個(gè)數(shù)據(jù)幀。接收端相應(yīng)的解碼模塊根據(jù)幀同步信號(hào)解開數(shù)據(jù)幀,還原各路圖像數(shù)據(jù)[23]。圖3-3光纖傳輸圖像總圖由于選擇第二代線陣掃描紅外熱成像儀,視頻數(shù)據(jù)50幀/秒,熱像儀每幀輸出像素?cái)?shù)據(jù)為768×288,含14.5MHz的數(shù)據(jù)時(shí)鐘。1秒鐘內(nèi)8位視頻數(shù)據(jù)傳送量為：768×288×8×50=88.47Mbps。包含時(shí)鐘信號(hào)、行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)傳遞則存在11位數(shù)據(jù)的傳送量,則總的數(shù)據(jù)傳送量為768×288×11×50=121.65Mbps。如再傳送兩路奇偶視場(chǎng)信號(hào)、視頻復(fù)合同步信號(hào)則為14位,總的數(shù)據(jù)傳送量為768×288×14×50=154.83Mbps。熱像儀輸出數(shù)據(jù)按列輸出,每次一個(gè)像素,實(shí)際上是在14.5MHz的時(shí)鐘控制下輸出,每列熱成像積分時(shí)間接近20us。〔2傳輸實(shí)現(xiàn)1電端機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖圖3-4數(shù)字圖像發(fā)送電端機(jī)組成圖圖3-5光端機(jī)接收數(shù)字圖像示意圖電端機(jī)主要由多路復(fù)用器、并串轉(zhuǎn)換、電光轉(zhuǎn)換等組成[23~32]。電端機(jī)發(fā)送數(shù)字圖像傳輸框圖如圖3-4所示,熱像儀差分視頻信號(hào)經(jīng)過差分到單端的轉(zhuǎn)換,通過FPGA將不同頻率的數(shù)據(jù)分頻調(diào)節(jié)到統(tǒng)一的頻率,再經(jīng)并串轉(zhuǎn)換,以20×29=580Mb/s的通信速率從并串轉(zhuǎn)換端以PECL信號(hào)形式輸出高速碼流。由于選用的光纖旋轉(zhuǎn)連接器通信容量達(dá)到10Gb/s,且電光轉(zhuǎn)換PECL信號(hào)達(dá)到580Mb/s,傳輸視頻信號(hào)通信容量遠(yuǎn)小于此,故可采用非壓縮視頻傳輸方式進(jìn)行傳輸。2光端機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖光端機(jī)主要由多路解復(fù)用器、串并轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換等組成。光端機(jī)接收數(shù)字視頻信號(hào)傳輸如圖3-5所示。多路復(fù)用器在接收端,解復(fù)用的目的是為了將高速的串行數(shù)字信號(hào),變換得到多路14.5MHz的多路數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。高速的串行碼流碼數(shù)據(jù)經(jīng)過經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及串并轉(zhuǎn)換由FPGA解調(diào)為低速的差分?jǐn)?shù)字視頻信號(hào)[23~32]。3.1.4數(shù)字圖像光纖傳輸注意事項(xiàng)<1>選擇光纖指標(biāo)注意事項(xiàng)對(duì)于不同的應(yīng)用環(huán)境,需采用不同規(guī)格的光纖旋轉(zhuǎn)接頭。它們?cè)跈C(jī)械結(jié)構(gòu)、光學(xué)設(shè)計(jì)及性能指標(biāo)方面的差異是很大的。以下是選擇光纖旋轉(zhuǎn)接頭的幾個(gè)重要指標(biāo)[33]。1插入損耗：3-dB插入損耗相當(dāng)于50%的傳輸功率損失,在此之下難以滿足系統(tǒng)要求。因此,插入損耗應(yīng)低于2-3dB。2插損變化量：插損隨著耦合條件的不同會(huì)有一些變化,然而變化量達(dá)到一定程度,信噪比會(huì)下降。0.5dB是最大容許值。3回?fù)p：所有的激光光源尤其是DFB激光器對(duì)反射光十分敏感,可引起光譜波動(dòng)和功率下降。光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)志反射程度的指標(biāo)。在單模光纖系統(tǒng)中,無源器件保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)45-50dB。4光學(xué)帶寬：和其它無源器件一樣,光纖旋轉(zhuǎn)頭也有譜寬,在1310nm和1550nm的譜寬是200nm,5封裝型式：一般包含SC、FC、尾纖、ST接口。尾纖封裝的光纖旋轉(zhuǎn)接頭能夠保證它的光學(xué)特性和壽命。插口型的光纖旋轉(zhuǎn)接頭的光學(xué)特性和連接器的關(guān)系很大,灰塵和潮濕是光學(xué)特性劣化的主要原因?！?光電、電光轉(zhuǎn)換器的選擇光電轉(zhuǎn)換：由光電探測(cè)器、放大電路、量化器組成。光電探測(cè)器在需要波長(zhǎng)對(duì)光波有響應(yīng),輸出電流與輸入光功率呈線性關(guān)系、頻帶寬、噪聲低、可靠性高、體積小。PIN光電探測(cè)器具寬頻帶和低噪聲優(yōu)點(diǎn),而且放大能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍大。APD雪崩二極管檢測(cè)靈敏度高,但引入了較大隨機(jī)噪聲。光電轉(zhuǎn)換器輸出PECL電信號(hào)與后面的數(shù)字信號(hào)兼容。電光轉(zhuǎn)換：由驅(qū)動(dòng)電路、光源組成。驅(qū)動(dòng)電路一是接收高速串行的電信號(hào)〔PECL,并把該電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流驅(qū)動(dòng)光源發(fā)光；二是提供必需的驅(qū)動(dòng)電流。光源一般選LD半導(dǎo)體激光器或LED發(fā)光二極管。激光器一般選DFB激光器或FP<法布里-珀羅>激光器,DFB激光器的工作波長(zhǎng)內(nèi)光纖衰減最小〔0.2到0.25db/km,適合長(zhǎng)距離大容量傳輸,但成本偏高。采用FP激光器作光源,其輻射波長(zhǎng)為1310nm,位于光纖的第二個(gè)低損耗窗口,光纖衰減為0.3到0.35db/km[23~32]?！?PECL信號(hào)布線注意事項(xiàng)布線時(shí)PECL接口要注意嚴(yán)格的按照PECL結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳輸線阻抗匹配。光纖傳輸試驗(yàn)結(jié)果實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試數(shù)字圖像通過光纖傳輸通信誤碼率達(dá)到10-12,傳輸延時(shí)為240ns。完全滿足光電搜索跟蹤系統(tǒng)的系統(tǒng)應(yīng)用要求。3.2光電穩(wěn)定系統(tǒng)分析針對(duì)車載應(yīng)用光電穩(wěn)定系統(tǒng)的要求進(jìn)行分析,從慣性空間姿態(tài)控制問題入手,分析影響隔離度的要素,分析地球自轉(zhuǎn)的對(duì)慣性空間的影響,分析光電穩(wěn)定控制系統(tǒng)環(huán)路,給出陀螺的選型方法及采集信號(hào)電路設(shè)計(jì)思路。系統(tǒng)穩(wěn)定功能任務(wù)〔1穩(wěn)定跟蹤：基本功能是隔離載體運(yùn)動(dòng)及外部擾動(dòng)對(duì)目標(biāo)視線在慣性空間指向的影響,同時(shí),平臺(tái)框架伺服系統(tǒng)能快速平穩(wěn)地跟蹤輸入指令,并能與輸入指令構(gòu)成跟蹤閉環(huán)而輸出所需要的目標(biāo)信息。兩軸陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)一般有陀螺穩(wěn)定和前饋穩(wěn)定兩種方法。陀螺穩(wěn)定的原理是在光電系統(tǒng)俯仰軸上安裝兩個(gè)敏感軸相互垂直的陀螺,分別敏感光電系統(tǒng)在方位和俯仰方向上相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng),并將此信號(hào)作為速度反饋,以此實(shí)現(xiàn)回路穩(wěn)定。而前饋穩(wěn)定則是利用車載導(dǎo)航系統(tǒng)〔慣導(dǎo)模塊提供的車體姿態(tài)變化信息,進(jìn)行實(shí)時(shí)變換求出補(bǔ)償信號(hào),以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)的開環(huán)補(bǔ)償控制,從而達(dá)到隔離車體姿態(tài)變化擾動(dòng)的目的。當(dāng)車體運(yùn)動(dòng)以及存在外部擾動(dòng)的情況下,當(dāng)目標(biāo)跟蹤角誤差信號(hào)為0時(shí),目標(biāo)視線在慣性空間的角速度為0或使目標(biāo)視線的電軸指向在慣性空間里保持不變；而當(dāng)目標(biāo)跟蹤角誤差信號(hào)不為0時(shí),平臺(tái)能快速跟隨,使目標(biāo)視線在慣性空間的角速度與視線角速度保持一致或使目標(biāo)視線光軸無擾動(dòng)地跟蹤目標(biāo)視線。〔2穩(wěn)定搜索：基本功能是在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),在航向搜索時(shí)保持航向搜索速度的均勻性及航向姿態(tài)在慣性空間的穩(wěn)定。穩(wěn)定俯仰軸系在慣性空間的指向,保證在某一段時(shí)間內(nèi)探測(cè)空域的固定性。車載光電陀螺姿態(tài)控制問題從控制的角度來說,控制主要分為穩(wěn)速控制、零角度穩(wěn)定控制和非零角度〔預(yù)定指向穩(wěn)定控制。零角度穩(wěn)定控制不需要額外的控制命令,利用伺服系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定原理就可以實(shí)現(xiàn)零角度穩(wěn)定。非零角度穩(wěn)定控制可以看成是在絕對(duì)偏差的基礎(chǔ)上的穩(wěn)定控制。但是,需要注意一點(diǎn)的是方位和俯仰陀螺都是裝在俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)空間里的,那么俯仰軸的運(yùn)動(dòng)必然會(huì)耦合到方位陀螺的敏感姿態(tài)上的,所以在對(duì)方位軸進(jìn)行非零角度的穩(wěn)定控制時(shí),必須解耦俯仰軸的運(yùn)動(dòng)。其解耦關(guān)系為：<3.1>其中分別為方位陀螺和俯仰陀螺敏感的光電系統(tǒng)的姿態(tài)〔通過對(duì)陀螺速度信號(hào)輸出進(jìn)行積分得到；通過上式算得的即為光電系統(tǒng)的絕對(duì)方位位置。車載光電空間角位置關(guān)系及隔離度影響分析〔1空間角位置關(guān)系車載系統(tǒng)中各種空間角位置關(guān)系如圖3-6所示[41]。其中Φ為平臺(tái)相對(duì)慣性空間的夾角；Φb為車體〔即基座相對(duì)慣性空間的轉(zhuǎn)角；Φr為平臺(tái)相對(duì)基座的轉(zhuǎn)角；ε為目標(biāo)偏離光軸的誤差角；q為目標(biāo)視線角?？梢?光軸在慣性空間的運(yùn)動(dòng)主要由兩部分組成：一是基座自身的運(yùn)動(dòng),一是光軸相對(duì)基座的運(yùn)動(dòng),光電搜跟系統(tǒng)的光軸在慣性空間的實(shí)際轉(zhuǎn)角Φ=Φr+Φb。角速度方面分析與空間角分析相同。假定車體相對(duì)慣性基準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)角速度為w,光軸相對(duì)慣性基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)速度為w2,光軸相對(duì)車體運(yùn)動(dòng)速度為w1,則光軸相對(duì)慣性空間的運(yùn)動(dòng)速度w2=w+w1。圖3-6空間角位置關(guān)系〔2隔離度影響分析衡量穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)車體擾動(dòng)的去耦能力通常采用擾動(dòng)隔離度的概念,其定義為車體姿態(tài)角變化量與其所引起的光軸空間指向角變化量之比r=Φb/Φ<目標(biāo)視線固定時(shí)>。隔離度數(shù)值越小,表明穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)車體擾動(dòng)能力越強(qiáng)。穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)不同頻率車體擾動(dòng)的隔離能力是不同的,隔離度最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率稱為轉(zhuǎn)折頻率,一般為10～20Hz。影響隔離度的主要因素[38]：1擾動(dòng)頻率。穩(wěn)定系統(tǒng)的隔離度與車體擾動(dòng)頻率直接相關(guān),一般對(duì)穩(wěn)定系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求都是指某一頻率下的擾動(dòng)隔離度〔例如：2.5Hz時(shí)的隔離度為5%。2擾動(dòng)幅值。同一頻率不同幅度的車體擾動(dòng),系統(tǒng)的隔離度并不同,幅度越大,隔離度越差。穩(wěn)定系統(tǒng)一般是Ⅰ型系統(tǒng),對(duì)于速度信號(hào)和加速度信號(hào)的跟蹤誤差隨輸入量增加而變大,所以擾動(dòng)隔離度變差。3摩擦。車體擾動(dòng)是通過摩擦力矩作用于穩(wěn)定平臺(tái)的。摩擦力越大,車體擾動(dòng)對(duì)平臺(tái)的影響越明顯,同一頻率下的擾動(dòng)隔離度越差,同時(shí)擾動(dòng)隔離度曲線的轉(zhuǎn)折頻率越高。4探測(cè)器信號(hào)處理延遲。探測(cè)器的延遲約為20ms。純延遲環(huán)節(jié)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和帶寬,引起超調(diào)和振蕩,還會(huì)降低其擾動(dòng)隔離能力。5穩(wěn)定系統(tǒng)帶寬。穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)車體擾動(dòng)的隔離能力是通過電機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)作相反方向的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的?？焖俚能圀w擾動(dòng)同樣要求快速的響應(yīng)來予以補(bǔ)償,而穩(wěn)定系統(tǒng)位置回路的帶寬一般很低〔約2～3Hz,對(duì)于高頻擾動(dòng)無法響應(yīng)。要提高擾動(dòng)隔離度,必需提高穩(wěn)定系統(tǒng)的帶寬,而帶寬則取決于電機(jī)、負(fù)載特性、控制校正算法、采樣頻率、開環(huán)增益等因素。6穩(wěn)定系統(tǒng)最大加速度。提高增益可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,從而改善系統(tǒng)的帶寬和擾動(dòng)隔離能力。但快速性具有一定的上限值,這個(gè)上限值由系統(tǒng)的最大加速度決定,本質(zhì)上是由電機(jī)的功率和負(fù)載特性決定的。當(dāng)擾動(dòng)的加速度超過這個(gè)極限時(shí),無論如何控制也無法消除這種車體擾動(dòng)。在選擇電機(jī)時(shí),需要全面考慮跟蹤加速度的要求并留有足夠的力矩和功率裕量,以確保系統(tǒng)的加速能力。系統(tǒng)陀螺應(yīng)用分析〔1光電穩(wěn)定平臺(tái)基本實(shí)現(xiàn)方式光電系統(tǒng)工作模式主要分為半自動(dòng)搜索、自動(dòng)搜索、手動(dòng)搜索；半自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)跟蹤、手動(dòng)跟蹤。光電系統(tǒng)穩(wěn)定平臺(tái)要求能抑制外部擾動(dòng)的影響,具備對(duì)各種環(huán)境條件和試驗(yàn)條件的魯棒性、適應(yīng)性。本系統(tǒng)是一個(gè)兩軸速率陀螺穩(wěn)定平臺(tái),即角速度穩(wěn)定系統(tǒng),或者說是一個(gè)力矩平衡系統(tǒng)。當(dāng)存在外界干擾時(shí),穩(wěn)定平臺(tái)可以為平臺(tái)臺(tái)體提供一個(gè)與干擾相隔離的工作環(huán)境；同時(shí),它又是一個(gè)角度跟蹤系統(tǒng),當(dāng)信號(hào)產(chǎn)生器通過控制電路向力矩電機(jī)輸出一個(gè)有規(guī)律的控制信號(hào)時(shí),平臺(tái)將會(huì)按預(yù)先設(shè)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。一般采用兩種穩(wěn)定方式進(jìn)行穩(wěn)定,一是速率陀螺反饋,利用陀螺輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)反饋閉環(huán)控制來抑制姿態(tài)擾動(dòng)；二是角位置穩(wěn)定,即自跟蹤環(huán)[43]?！?車載光電穩(wěn)定控制分析研究的系統(tǒng)采用目前比較普遍的結(jié)構(gòu)形式兩框架穩(wěn)定結(jié)構(gòu),將光電傳感器置于由方位和俯仰框架組成的兩框架平臺(tái)上,利用速率陀螺的性能測(cè)量視線軸在方位和俯仰方向上的慣性角速度輸出,并直接反饋到力矩器控制視線反向偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)視線穩(wěn)定,即經(jīng)控制回路驅(qū)動(dòng)框架力矩電機(jī)以克服外界干擾。按工作狀態(tài)來分,車載光電搜索跟蹤系統(tǒng)控制回路如圖3-7,包括以下幾個(gè)工作回路。圖3-7車載光電穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)圖1K3〔S3閉合時(shí),系統(tǒng)輸入鎖定信號(hào),此時(shí)不需保證光軸在慣性空間的穩(wěn)定,故只需閉合K3〔S3、K9<S9>閉合位置環(huán)即可滿足要求。2K2〔S2閉合時(shí),系統(tǒng)輸入搜索信號(hào),光電搜索跟蹤系統(tǒng)要按輸入的搜索速度、搜索范圍進(jìn)行航向勻速搜索,同時(shí)還需保持光軸指向不受外界干擾力矩的影響,故應(yīng)閉合K8〔S8,通過角速度陀螺閉合速度環(huán),以滿足光軸不受外界干擾力矩影響的要求。對(duì)方位方向而言,還應(yīng)閉合K9,以滿足搜索范圍的要求。3K1<S1>閉合時(shí),系統(tǒng)輸入跟蹤信號(hào),光電搜索跟蹤系統(tǒng)保證光軸始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo),并保證視場(chǎng)的穩(wěn)定。故應(yīng)閉合K8〔S8,通過角速度陀螺閉合速度環(huán),以滿足視場(chǎng)穩(wěn)定的要求。還應(yīng)閉合K4<S4>,引入對(duì)準(zhǔn)偏差信號(hào),以保證光軸始終高精度對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。若此時(shí)忽然丟失目標(biāo),跟蹤器輸出零偏差,位置環(huán)不再起控制作用,控制系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài),通過角速度陀螺閉環(huán)穩(wěn)定光軸指向。車載光電從模式上劃分可分為搜索模式〔自動(dòng)搜索、手動(dòng)搜索、跟蹤模式〔自動(dòng)跟蹤、手動(dòng)跟蹤。搜索模式的選擇通過車載計(jì)算機(jī)輸入的搜索速度或手動(dòng)搜索輸入的速度確定,如上圖中的開關(guān)K3、K4。跟蹤模式分為自動(dòng)跟蹤和手動(dòng)跟蹤,手動(dòng)跟蹤時(shí),人在回路選取目標(biāo),閉合K1,跟蹤器給出脫靶量偏差,閉合K2,進(jìn)行跟蹤全閉環(huán)控制。車載光電偵察系統(tǒng)搜索目標(biāo)時(shí),K2斷開,由陀螺測(cè)速機(jī)構(gòu)及絕對(duì)位置測(cè)速機(jī)構(gòu)構(gòu)成雙速度環(huán)進(jìn)行電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制,圖像信息處理板不斷檢測(cè)目標(biāo),每隔20ms向車載計(jì)算機(jī)報(bào)告目標(biāo)的位置。系統(tǒng)搜索時(shí),方位上含手動(dòng)搜索及由車載計(jì)算機(jī)輸入搜索速度進(jìn)行航向穩(wěn)定搜索,俯仰方向上穩(wěn)定某一指向,通過絕對(duì)位置開環(huán)判讀指向位置的偏移以進(jìn)行調(diào)整。跟蹤系統(tǒng)是在穩(wěn)定系統(tǒng)基礎(chǔ)上控制探測(cè)器視軸指向目標(biāo),因此穩(wěn)定系統(tǒng)的精度對(duì)跟蹤系統(tǒng)的精度有很大的影響。穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定依靠以速率陀螺作為速度反饋元件而形成的內(nèi)回路來實(shí)現(xiàn),該內(nèi)回路也稱為速率穩(wěn)定回路,跟蹤回路則通過運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)與跟蹤傳感器閉合而形成控制回路。為此,對(duì)陀螺的測(cè)量精度和帶寬要求均較高,這在工程實(shí)現(xiàn)中是比較困難的,因?yàn)槟壳拔覈?guó)的慣性器件的發(fā)展水平還比較低。在這種情況下,補(bǔ)償精度主要取決于匹配濾波器的設(shè)計(jì),這需要考慮陀螺的剛度系數(shù)與動(dòng)態(tài)響應(yīng),而且工程實(shí)現(xiàn)中必然引入方法誤差,特別是當(dāng)車體擾動(dòng)頻譜較寬時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的剩余,因此只能是在某一頻段實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償[43]。影響陀螺應(yīng)用的要點(diǎn)〔1地球自轉(zhuǎn)15°/h通常,靜基座上陀螺的測(cè)量軸位于水平面內(nèi),實(shí)際測(cè)量某一陀螺的信號(hào)輸出為：w<t>=wNCOSk+ε<t><3.2>其中w<t>為陀螺輸出的角速度信號(hào),wN=wεcosΦ為地球自轉(zhuǎn)角速度wε的北向分量,Ф為地理緯度,k為陀螺測(cè)量軸與地理北向之間的夾角,ε<t>為陀螺漂移。其中地球自轉(zhuǎn)角速度為15°/h[35~44]。在車載系統(tǒng)實(shí)際使用時(shí)應(yīng)充分考慮地球自轉(zhuǎn)的影響并消除之?！?系統(tǒng)噪聲系統(tǒng)噪聲的引入,將掩蓋陀螺本身的性能,進(jìn)一步的結(jié)果是影響陀螺的信號(hào)處理及陀螺速度環(huán)閉環(huán)的效果。充分考慮將陀螺的輸入電源與光電系統(tǒng)的電源隔離,陀螺的輸出采用差分模擬及脈沖隔離輸出形式,系統(tǒng)控制電路后端進(jìn)行差分接收,以使陀螺成為一個(gè)獨(dú)立的部件,減少噪聲的引入,以充分發(fā)揮陀螺本身的極限性能?！?陀螺零偏穩(wěn)定性〔隨機(jī)游走+零偏陀螺的零偏穩(wěn)定性由隨機(jī)游走和零偏構(gòu)成。零偏及零偏穩(wěn)定性均根據(jù)1σ標(biāo)準(zhǔn)方差來表示,是均值的體現(xiàn)。對(duì)光纖陀螺的采用應(yīng)充分考慮隨機(jī)游走對(duì)系統(tǒng)的影響[35~44]。陀螺的零偏從理論上講可以消除,但應(yīng)充分考慮溫度對(duì)陀螺零偏的影響。〔4穩(wěn)速及穩(wěn)定指向的要求根據(jù)圖像信息檢測(cè)對(duì)伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)速的要求,在360°/s每周的運(yùn)動(dòng)速度情況下,針對(duì)選定的768×288像素的紅外熱像儀,熱像儀每幀航向視場(chǎng)為9°,對(duì)于360°的空域而言,每周掃過的圖像為40幀。航向上每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的角度為=0.01172°,對(duì)每幀的圖像偏移以半個(gè)像素作為目標(biāo)穩(wěn)健檢測(cè)的前提,則為0.0058°。對(duì)伺服控制系統(tǒng)的要求穩(wěn)速精度為360°/s±2.088°/s〔1.96°/s。即每秒掃過的角度偏差為=0.0058°。在每個(gè)速度伺服周期內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)速補(bǔ)償,保證速度的平穩(wěn)性及均勻性。選擇的絕對(duì)位置位數(shù)為19位,對(duì)應(yīng)的角度精度為0.00069°。俯仰方向上對(duì)應(yīng)的空域角度為6.25°,每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的角度為=0.0217°。半個(gè)像素對(duì)應(yīng)的角度為=0.01085°。要保證俯仰上的穩(wěn)定指向,針對(duì)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)指標(biāo),對(duì)陀螺的零偏穩(wěn)定性及零偏重復(fù)性具有很高的要求。光電穩(wěn)定陀螺信號(hào)電氣傳輸設(shè)計(jì)圖3-8陀螺信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖3-8所示,總電源通過滑環(huán)傳輸后,經(jīng)過一級(jí)二級(jí)濾波及DC/DC變換后,在輸出級(jí)濾波饋送給光纖陀螺。陀螺輸出采用差分模擬輸出或隔離脈沖輸出,通過滑環(huán)輸出傳至伺服控制系統(tǒng)及車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。機(jī)械上通過安裝單只兩軸正交陀螺于俯仰軸系或安裝兩只陀螺正交于俯仰軸系。陀螺隔離電源的輸入及陀螺輸出信號(hào)的隔離避免了系統(tǒng)噪聲施加于陀螺本身,后端伺服系統(tǒng)對(duì)陀螺信號(hào)的采集的噪聲即是陀螺信號(hào)本身的噪聲。陀螺應(yīng)用探討事項(xiàng)〔1電源要求非常穩(wěn)定,使用獨(dú)立電源,一般采用差分模擬信號(hào)較好,采用RS422傳遞陀螺感應(yīng)的慣性空間信號(hào),信號(hào)傳輸帶寬一般比較窄。陀螺輸出信號(hào)傳輸波特率在1Mb/s以上較好。SPI傳輸可以達(dá)到好幾兆赫茲。應(yīng)用滿足應(yīng)達(dá)到1KHz的采樣率。高頻噪聲自動(dòng)濾掉,低頻噪聲掩蓋本身信號(hào),頻帶信號(hào)有重疊。峰值噪聲影響比較大?！?選擇不同的陀螺,帶寬一般能滿足要求,上電短期噪聲很嚴(yán)重,一般需要較長(zhǎng)的收斂時(shí)間,短期漂移影響很大,長(zhǎng)期漂移影響較小。光纖陀螺應(yīng)用外圍電路比較而言較簡(jiǎn)單,動(dòng)力調(diào)諧陀螺應(yīng)用外圍較復(fù)雜。不同的陀螺長(zhǎng)期漂移都很小。目前高精度光纖陀螺是一個(gè)比較好的選擇,微機(jī)電陀螺應(yīng)用稍差,動(dòng)力調(diào)諧陀螺精度不是一定比較高,用起來外圍電路較麻煩,漂移問題不用太擔(dān)心,如遇碰框會(huì)導(dǎo)致陀螺性能下降。微機(jī)電陀螺存在沖激,軍用上使用也沒太好辦法?！?光纖陀螺較微機(jī)電陀螺在零偏重復(fù)性、噪聲、零偏、零偏穩(wěn)定性、標(biāo)度因數(shù)方面一般高一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果是天線級(jí)穩(wěn)定可以用兩軸,車載應(yīng)用一般用三軸,用兩軸穩(wěn)定系統(tǒng)由于缺橫滾軸會(huì)造成圖像的旋轉(zhuǎn)。圖像消旋取決于目標(biāo)跟蹤算法或電子穩(wěn)像技術(shù),或取決于二者的結(jié)合[41~43]?！?穩(wěn)定、搜索一般采用雙速度環(huán),測(cè)速機(jī)或絕對(duì)位置位置微分的速度信號(hào)用作速度內(nèi)環(huán),陀螺輸出的速度信號(hào)用作速度外環(huán)。目標(biāo)跟蹤時(shí),目標(biāo)偏離光軸的偏差作為位置環(huán)的輸入,套在陀螺反饋的速度環(huán)的外環(huán)?！?機(jī)械系統(tǒng)在控制帶寬內(nèi)應(yīng)無諧振、無摩擦。機(jī)械特性基本決定伺服系統(tǒng)的最終控制性能?！?數(shù)字信號(hào)傳輸處理影響帶寬,但模擬信號(hào)需通過滑環(huán)傳遞。經(jīng)驗(yàn)證分析高頻噪聲無影響〔高頻噪聲積分信號(hào)較容易