隨動(dòng)式車(chē)載光電搜跟系統研究　

作者 李釗 孫健 上海航天控制技術(shù)研究所(上海 201109)

李釗(1986-)，男，博士生，工程師，研究方向：機電一體化; 孫健，男，碩士生，工程師，研究方向：仿真轉臺控制器研究。

摘要：為滿(mǎn)足武器系統外場(chǎng)試驗對目標、背景及干擾的數據采集及其它制導系統的性能驗證，本文設計了一種隨動(dòng)式車(chē)載光電搜跟系統。利用光學(xué)跟蹤平臺實(shí)現對動(dòng)態(tài)目標的搜索和跟蹤，同時(shí)控制車(chē)載轉臺隨動(dòng)，車(chē)載轉臺可搭載導引頭等其它光學(xué)探測設備，提高了系統的負載能力。針對系統延時(shí)帶來(lái)的跟蹤誤差，采用卡爾曼濾波算法對目標位置進(jìn)行預測。試驗結果表明，加入預測算法后，跟蹤平臺運動(dòng)更加平穩，跟蹤精度得到提高。針對設備間由于坐標不一致及安裝精度和零位偏差帶來(lái)隨動(dòng)誤差，通過(guò)位置補償對隨動(dòng)控制指令進(jìn)行修正，改善了隨動(dòng)觀(guān)測精度。系統采用模塊化設計，可靠性高，可用于武器系統的外場(chǎng)試驗。

引言

　　光電搜跟系統作為一種現代化探測和偵查手段，廣泛應用于無(wú)人機、偵察車(chē)、船舶等軍事和民用領(lǐng)域^[1-3]。利用紅外、微光、可見(jiàn)光、激光等光學(xué)探測設備，光電跟蹤系統可對空中及地面目標進(jìn)行搜索和捕獲，同時(shí)通過(guò)計算脫靶量控制伺服系統運動(dòng)，實(shí)現對目標的實(shí)時(shí)跟蹤。為了方便攜帶、增加搭載設備的有效載荷及隱蔽偵查等方面的需要，光電搜跟系統逐步向著(zhù)小型化和輕量化方向發(fā)展^[4-5]。為了提高搜跟精度和機動(dòng)性能，光電搜跟系統的搭載能力受到了一定的制約，通常僅能搭載有限的光學(xué)設備。

　　武器系統外場(chǎng)試驗時(shí)，導引頭等精密制導設備由于視場(chǎng)較小而難于發(fā)現動(dòng)態(tài)目標，其它探測設備，如紅外熱像儀、紫外成像儀等由于設備較重，通常需要放置在云臺上由人工手動(dòng)推動(dòng)實(shí)現動(dòng)態(tài)目標觀(guān)測，因而對于機動(dòng)性較大的目標觀(guān)測極為不便。本文提出一種隨動(dòng)式車(chē)載光電搜跟系統，滿(mǎn)足對目標搜索和跟蹤的同時(shí)，提高了系統的負載能力。系統跟蹤精度高，性能穩定。此外，系統集成在測試車(chē)上，可方便外場(chǎng)試驗對目標、背景及干擾彈的各波段輻射能量進(jìn)行采集，并完成相應的試驗任務(wù)。

1 系統組成

　　系統由光電跟蹤平臺、車(chē)載轉臺系統和控制采集系統三大部分組成。光電跟蹤平臺包含紅外探測器、激光測距機和伺服運動(dòng)機構。工作時(shí)，平臺升出車(chē)廂頂部，實(shí)現360°對空搜索?？纱钶d導引頭及其它光學(xué)探測設備(長(cháng)波紅外熱像儀、紅外成像光譜儀、光譜輻射計等)，并在跟蹤模式下隨光學(xué)跟蹤平臺運動(dòng)，實(shí)現搭載設備對動(dòng)態(tài)目標的觀(guān)測，車(chē)載轉臺負載能力大于50kg。

　　控制采集系統由存儲顯示計算機和控制采集計算機組成。存儲顯示計算機用于進(jìn)行試驗參數設置、試驗過(guò)程監控、數據存儲及數據回放分析;控制采集計算機用于采集試驗過(guò)程中產(chǎn)生的各種數據，如導引頭數據、光學(xué)設備探測數據、轉臺運動(dòng)數據、雷達數據和GPS等數據，并將試驗數據發(fā)送至存儲顯示計算機進(jìn)行監控和存儲。系統工作原理如圖1所示，系統實(shí)物如圖2所示。

2 系統軟硬件設計

　　為實(shí)現動(dòng)態(tài)目標的高精度搜索和跟蹤，減少數據傳輸和信號處理帶來(lái)的系統延時(shí)，對系統性能和實(shí)時(shí)性提出了較高的要求。

　　系統采用模塊化設計，各分系統采用上下位機模式，實(shí)現控制與讀顯操作分離。上位機主要用于人機交互，硬件平臺基于工業(yè)控制計算機架構，軟件平臺基于windows平臺，程序采用模塊化設計，具備用戶(hù)管理、參數設定、數據監控、錯誤處理等功能。下位機主要用于各分系統之間數據傳輸、圖像處理、目標解算、伺服控制等，要求實(shí)時(shí)性高、數據處理能力強，本系統中各分系統控制周期統一為1ms，各下位機之間采用千兆以太網(wǎng)進(jìn)行數據交互。光電搜跟平臺下位機采用DSP設計，芯片選用TMS320F28335，主要用于光電搜跟平臺伺服控制、跟蹤預測及位置信息發(fā)送;采集控制系統下位機采用PXI架構，軟件編寫(xiě)基于LabVIEW RT實(shí)時(shí)操作系統，用于實(shí)現光電跟蹤平臺位置信號采集、目標位置預測和補償、車(chē)載轉臺控制指令解算和發(fā)送、其它分系統信號和系統狀態(tài)采集等;車(chē)載轉臺下位機采用PCI架構，軟件編寫(xiě)基于Vxworks實(shí)時(shí)操作系統，用于實(shí)現車(chē)載轉臺閉環(huán)控制，控制指令接收及實(shí)時(shí)運動(dòng)狀態(tài)反饋。

　　光電搜跟平臺技術(shù)指標：俯仰跟蹤范圍為﹣15°~﹢75°，方位跟蹤范圍為﹣135°~﹢135°，最大跟蹤角速度不小于60°/s，軸線(xiàn)誤差不大于0.2°，標準能見(jiàn)度下，紅外熱像儀探測距離大于15km，激光測距大于10km。

3 系統精度分析

3.1 跟蹤預測

　　為保證隨動(dòng)系統的跟蹤精度，要求光電跟蹤平臺伺服機構運動(dòng)平穩且對大機動(dòng)目標能夠快速響應、精確跟蹤。然而由于測量噪聲及系統滯后等因素的影響，系統跟蹤能力受到了一定的制約。本系統中紅外圖像跟蹤器主頻是25Hz，從而由圖像處理帶來(lái)40ms的系統延時(shí)，當目標機動(dòng)性較大時(shí)，該延時(shí)足以使目標脫離視場(chǎng)范圍，造成目標丟失。試驗時(shí)發(fā)現，平臺跟蹤過(guò)程中激光中靶率不足80%，目標機動(dòng)性大時(shí)跟蹤能力不足，伺服平臺運動(dòng)曲線(xiàn)不夠平滑，目標丟失現象時(shí)有發(fā)生。

　　為消除系統滯后，提高跟蹤精度，需要對目標的運動(dòng)特性進(jìn)行預測。常用的預測算法包括最小二乘濾波[6]、維納濾波[7]、卡爾曼濾波[8]等，本系統采用卡爾曼濾波算法對目標進(jìn)行預測。

3.1.1 卡爾曼濾波[9]

　　離散系統動(dòng)態(tài)方程由運動(dòng)方程(1)和觀(guān)測方程(2)構成，具體表述如下：

　　根據系統方程，可由卡爾曼濾波器對脫靶量即目標位置信息進(jìn)行預測

3.1.2 試驗分析

　　對某民航飛機進(jìn)行觀(guān)測，光電跟蹤平臺跟蹤過(guò)程中實(shí)時(shí)圖像如圖3所示，目標飛機位于跟蹤框內，圖像上方顯示目標的距離、高度，以及伺服機構的位置信息。