隨動式車載光電搜跟系統(tǒng)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(jī)電一體化; 孫健，男，碩士生，工程師，研究方向：仿真轉(zhuǎn)臺控制器研究。

摘要：為滿足武器系統(tǒng)外場試驗(yàn)對目標(biāo)、背景及干擾的數(shù)據(jù)采集及其它制導(dǎo)系統(tǒng)的性能驗(yàn)證，本文設(shè)計了一種隨動式車載光電搜跟系統(tǒng)。利用光學(xué)跟蹤平臺實(shí)現(xiàn)對動態(tài)目標(biāo)的搜索和跟蹤，同時控制車載轉(zhuǎn)臺隨動，車載轉(zhuǎn)臺可搭載導(dǎo)引頭等其它光學(xué)探測設(shè)備，提高了系統(tǒng)的負(fù)載能力。針對系統(tǒng)延時帶來的跟蹤誤差，采用卡爾曼濾波算法對目標(biāo)位置進(jìn)行預(yù)測。試驗(yàn)結(jié)果表明，加入預(yù)測算法后，跟蹤平臺運(yùn)動更加平穩(wěn)，跟蹤精度得到提高。針對設(shè)備間由于坐標(biāo)不一致及安裝精度和零位偏差帶來隨動誤差，通過位置補(bǔ)償對隨動控制指令進(jìn)行修正，改善了隨動觀測精度。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可靠性高，可用于武器系統(tǒng)的外場試驗(yàn)。

引言

　　光電搜跟系統(tǒng)作為一種現(xiàn)代化探測和偵查手段，廣泛應(yīng)用于無人機(jī)、偵察車、船舶等軍事和民用領(lǐng)域^[1-3]。利用紅外、微光、可見光、激光等光學(xué)探測設(shè)備，光電跟蹤系統(tǒng)可對空中及地面目標(biāo)進(jìn)行搜索和捕獲，同時通過計算脫靶量控制伺服系統(tǒng)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的實(shí)時跟蹤。為了方便攜帶、增加搭載設(shè)備的有效載荷及隱蔽偵查等方面的需要，光電搜跟系統(tǒng)逐步向著小型化和輕量化方向發(fā)展^[4-5]。為了提高搜跟精度和機(jī)動性能，光電搜跟系統(tǒng)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(shè)備。

　　武器系統(tǒng)外場試驗(yàn)時，導(dǎo)引頭等精密制導(dǎo)設(shè)備由于視場較小而難于發(fā)現(xiàn)動態(tài)目標(biāo)，其它探測設(shè)備，如紅外熱像儀、紫外成像儀等由于設(shè)備較重，通常需要放置在云臺上由人工手動推動實(shí)現(xiàn)動態(tài)目標(biāo)觀測，因而對于機(jī)動性較大的目標(biāo)觀測極為不便。本文提出一種隨動式車載光電搜跟系統(tǒng)，滿足對目標(biāo)搜索和跟蹤的同時，提高了系統(tǒng)的負(fù)載能力。系統(tǒng)跟蹤精度高，性能穩(wěn)定。此外，系統(tǒng)集成在測試車上，可方便外場試驗(yàn)對目標(biāo)、背景及干擾彈的各波段輻射能量進(jìn)行采集，并完成相應(yīng)的試驗(yàn)任務(wù)。

1 系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)由光電跟蹤平臺、車載轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)和控制采集系統(tǒng)三大部分組成。光電跟蹤平臺包含紅外探測器、激光測距機(jī)和伺服運(yùn)動機(jī)構(gòu)。工作時，平臺升出車廂頂部，實(shí)現(xiàn)360°對空搜索?？纱钶d導(dǎo)引頭及其它光學(xué)探測設(shè)備(長波紅外熱像儀、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(yùn)動，實(shí)現(xiàn)搭載設(shè)備對動態(tài)目標(biāo)的觀測，車載轉(zhuǎn)臺負(fù)載能力大于50kg。

　　控制采集系統(tǒng)由存儲顯示計算機(jī)和控制采集計算機(jī)組成。存儲顯示計算機(jī)用于進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)回放分析;控制采集計算機(jī)用于采集試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，如導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)、光學(xué)設(shè)備探測數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)臺運(yùn)動數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)和GPS等數(shù)據(jù)，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲顯示計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和存儲。系統(tǒng)工作原理如圖1所示，系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

　　為實(shí)現(xiàn)動態(tài)目標(biāo)的高精度搜索和跟蹤，減少數(shù)據(jù)傳輸和信號處理帶來的系統(tǒng)延時，對系統(tǒng)性能和實(shí)時性提出了較高的要求。

　　系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，各分系統(tǒng)采用上下位機(jī)模式，實(shí)現(xiàn)控制與讀顯操作分離。上位機(jī)主要用于人機(jī)交互，硬件平臺基于工業(yè)控制計算機(jī)架構(gòu)，軟件平臺基于windows平臺，程序采用模塊化設(shè)計，具備用戶管理、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)監(jiān)控、錯誤處理等功能。下位機(jī)主要用于各分系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸、圖像處理、目標(biāo)解算、伺服控制等，要求實(shí)時性高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，本系統(tǒng)中各分系統(tǒng)控制周期統(tǒng)一為1ms，各下位機(jī)之間采用千兆以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。光電搜跟平臺下位機(jī)采用DSP設(shè)計，芯片選用TMS320F28335，主要用于光電搜跟平臺伺服控制、跟蹤預(yù)測及位置信息發(fā)送;采集控制系統(tǒng)下位機(jī)采用PXI架構(gòu)，軟件編寫基于LabVIEW RT實(shí)時操作系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)光電跟蹤平臺位置信號采集、目標(biāo)位置預(yù)測和補(bǔ)償、車載轉(zhuǎn)臺控制指令解算和發(fā)送、其它分系統(tǒng)信號和系統(tǒng)狀態(tài)采集等;車載轉(zhuǎn)臺下位機(jī)采用PCI架構(gòu)，軟件編寫基于Vxworks實(shí)時操作系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)車載轉(zhuǎn)臺閉環(huán)控制，控制指令接收及實(shí)時運(yùn)動狀態(tài)反饋。

　　光電搜跟平臺技術(shù)指標(biāo)：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，軸線誤差不大于0.2°，標(biāo)準(zhǔn)能見度下，紅外熱像儀探測距離大于15km，激光測距大于10km。

3 系統(tǒng)精度分析

3.1 跟蹤預(yù)測

　　為保證隨動系統(tǒng)的跟蹤精度，要求光電跟蹤平臺伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動平穩(wěn)且對大機(jī)動目標(biāo)能夠快速響應(yīng)、精確跟蹤。然而由于測量噪聲及系統(tǒng)滯后等因素的影響，系統(tǒng)跟蹤能力受到了一定的制約。本系統(tǒng)中紅外圖像跟蹤器主頻是25Hz，從而由圖像處理帶來40ms的系統(tǒng)延時，當(dāng)目標(biāo)機(jī)動性較大時，該延時足以使目標(biāo)脫離視場范圍，造成目標(biāo)丟失。試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，平臺跟蹤過程中激光中靶率不足80%，目標(biāo)機(jī)動性大時跟蹤能力不足，伺服平臺運(yùn)動曲線不夠平滑，目標(biāo)丟失現(xiàn)象時有發(fā)生。

　　為消除系統(tǒng)滯后，提高跟蹤精度，需要對目標(biāo)的運(yùn)動特性進(jìn)行預(yù)測。常用的預(yù)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(tǒng)采用卡爾曼濾波算法對目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測。

3.1.1 卡爾曼濾波[9]

　　離散系統(tǒng)動態(tài)方程由運(yùn)動方程(1)和觀測方程(2)構(gòu)成，具體表述如下：

　　根據(jù)系統(tǒng)方程，可由卡爾曼濾波器對脫靶量即目標(biāo)位置信息進(jìn)行預(yù)測

3.1.2 試驗(yàn)分析

　　對某民航飛機(jī)進(jìn)行觀測，光電跟蹤平臺跟蹤過程中實(shí)時圖像如圖3所示，目標(biāo)飛機(jī)位于跟蹤框內(nèi)，圖像上方顯示目標(biāo)的距離、高度，以及伺服機(jī)構(gòu)的位置信息。