半捷联式红外成像导引头稳定与跟踪技术研究

第27卷第2期2009年3月北京工商大学学报(自然科学版)Journal of Beijing Technology and Business University (Natural Science Edition )Vol 127No 12Mar.2009 文章编号:167121513(2009)022*******基于跟踪微分器的导引头半捷联稳定系统半实物仿真研究赵　刚,　郭　华,　杨树兴(北京理工大学宇航科学技术学院,北京100081)摘　要:为计算平台惯性角速度,将跟踪微分器应用到导引头半捷联稳定系统中.介绍了跟踪微分器原理,对基于跟踪微分器的导引头半捷联稳定系统进行了数字仿真和半实物仿真,仿真结果表明导引头半捷联稳定系统的稳定性能随弹体扰动频率升高而降低,典型弹体扰动下半捷联稳定系统的稳定性能满足指标要求.关键词:跟踪微分器;半捷联稳定;导引头;半实物仿真中图分类号:T J 76513 文献标识码:A收稿日期:2008-11-03作者简介:赵　刚(1967—),男,四川成都人,博士研究生,研究方向为飞行器设计;郭　华(1958—),男,吉林敦化人,高级工程师,博士研究生,研究方向为飞行器设计;杨树兴(1962—),男,河北唐山人,教授,博士生导师,主要从事飞行器方面的设计研究. 为了减小体积和降低成本,速率陀螺稳定导引头有向半捷联稳定导引头发展的趋势.与速率陀螺稳定导引头相比,半捷联稳定导引头的稳定平台上去掉了速率陀螺,因此失去了直接测量平台惯性角速度的能力[1].为实现平台稳定,可以采用角位置补偿和角速度补偿两种方法.其中,角速度补偿法是速率陀螺稳定平台的一种替代方法,即用弹体角速度与框架角速度测量的合成来替代原来由速率陀螺完成的测速功能,这种方案算法简单,而且可以直接提取视线角速度.但具体实现过程中,如何完成平台的方位和俯仰跟踪角速度反馈是个难题,一般可以通过测速机或数值微分来获得,但是在测量噪声较大的情况下,将给框架速度环引入微分噪声[1].跟踪微分器(tracking differentiator ,TD )是韩京清于1994年提出的[2],用于解决实际工程问题中由不连续或带随机噪声的量测信号合理提取连续信号及微分信号的问题[3].跟踪微分器利用了数值积分优于数值微分的事实,将给定信号的微分问题转化为对一组微分方程的积分问题,可以很好地实现对信号的跟踪和微分.跟踪微分器自诞生后已产生了多种改进形式,并获得了广泛应用[4].论文将跟踪微分器应用到导引头半捷联稳定系统中,用于由框架角位置信号提取框架角速度信号.搭建了半捷联导引头半实物仿真平台,通过半实物仿真研究不同频率弹体扰动下导引头半捷联稳定系统的隔离度,对半捷联导引头是否具备工程可行性给出了结论.1　跟踪微分器跟踪微分器的原理如图1,描述为:输入信号为v (t ),输出两个信号x 1(t )和x 2(t ).其中,x 1(t )能最快地跟踪输入信号v (t ),x 2(t )是x 1(t )的微分,可以作为输入信号v (t )的微分.实际中使用的是跟踪微分器的离散形式[5],其表达式为52图1　跟踪微分器原理示意x 1(k +1)=x 1(k )+h ・x 2(k )x 2(k +1)=x 2(k )+h ・f han (x 1(k )-v (k ) x 2(k ),r ,h 0)′,式中f han 为最速综合函数,调用方式为f han (u 1,u 2,u ,h 0),具体表达式为d =rh 2,a 0=h 0u 2,y =u 1+a 0a 1=d (d +8|y |)a 2=a 0+sign (y )(a 1-d )/2s y =(sign (y +d )-sign (y -d ))/2a =(a 0+y -a 2)s y +a 2s a =(sign (a +d )-sign (a -d ))/2fhan =-rad-sign (a )s a -r sign (a ).在跟踪微分器中,需要设计的参数有3个,积分步长h ,滤波因子h 0和快速因子r ,分别决定了微 分精度、滤波效果和跟踪速度.仿真中需要调试3个参数的值,使得微分效果最佳.2　导引头半捷联稳定系统数字仿真在进行半实物仿真试验验证前,首先要进行数字仿真,在数字仿真成功后才可以进行半实物仿真.数字仿真可以为半实物仿真提供参数初始设计值,提高半实物仿真效率.依照导引头半捷联稳定原理,考虑各种干扰力矩和测量噪声,建立半捷联稳定回路模型如图2.图中弹载陀螺为弹载角速率陀螺模型,TD 为跟踪微分器,角传感器为框架角位置传感器,噪声为传感器测量噪声,这里取为实际电位计的测量噪声±0105°,电机为力矩电机模型,01243为电机反电动势系数,0105为简化成继电环节的摩擦力矩系数,增益为功率放大器,控制器为PI 控制器.令跟踪指令为零,分别输入2°1Hz 、4°015Hz 和5°012Hz 的弹体扰动,观察平台惯性角度输出如图3～图5,计算不同频率弹体扰动下半捷联稳定系统的隔离度.图2　半捷联稳定回路模型 根据隔离度计算公式[6],隔离度=平台相对惯性空间转动的角度弹体相对惯性空间转动的角度×100%,计算得到3种不同频率弹体扰动下半捷联稳定系统的隔离度分别为5%、3%和2%.可以看出,半捷联稳定系统对弹体扰动的去耦能力是随弹体扰动频率的升高而降低的.以4°015Hz 为典型弹体扰动,5%为典型弹体扰动下稳定系统的隔离度指标,可以知道半捷联稳定系统的数字仿真结果是满足指标要求的.3　导引头半捷联稳定系统半实物仿真在数字仿真结果证明基于跟踪微分器的半捷联稳定系统满足隔离度指标要求后,还需要进行半实物仿真验证.半实物仿真是所有仿真中置信度最高的,其结果可以作为仿真的最终结论.在半实物仿真中,使用三轴运动转台模拟弹体运动,半捷联导引头由某型速率陀螺稳定平台式电视导引头改装得到,弹载计算机由单片机搭建,对各设备进行连接调试,组成半实物仿真系统.62北京工商大学学报(自然科学版) 2009年3月图3　2°1H z 弹体扰动下平台惯性角度数字仿真输出曲线图4　4°015Hz 弹体扰动下平台惯性角度数字仿真输出曲线图5　5°012Hz 弹体扰动下平台惯性角度数字仿真输出曲线令目标静止,转台模拟2°1Hz 、4°015Hz 和5°012Hz 的弹体扰动,使用角速率陀螺测量得到平台的惯性角度输出,分别如图6～图8.计算得到3种不同频率弹体扰动下半捷联稳定系统的隔离度分别为10%、415%和3%.同样,半捷联稳定系统的稳定性随弹体扰动频率升高而降低,典型弹体扰动下半实物仿真结果表明半捷联稳定系统隔离度同样满足指标要求.图6　2°1Hz 弹体扰动下平台惯性角度实物仿真输出曲线图7　4°015Hz 弹体扰动下平台惯性角度实物仿真输出曲线图8　5°012Hz 弹体扰动下平台惯性角度实物仿真输出曲线比较半实物仿真与数字仿真结果还可以看出,同样弹体扰动下半实物仿真输出较数字仿真输出大,其原因可能是数字仿真中对干扰力矩和测量噪72第27卷第2期 赵　刚等:基于跟踪微分器的导引头半捷联稳定系统半实物仿真研究声做了简化和忽略;半实物仿真中平台惯性角度输出信号较数字仿真平滑,原因可能是数字仿真中平台模型不准确,转动惯量较实际平台小造成的.4　结　论将跟踪微分器应用到导引头半捷联稳定系统中,对基于跟踪微分器的导引头半捷联稳定系统进行了数字仿真和半实物仿真.通过仿真与分析,得出以下结论:1)导引头半捷联稳定系统稳定性能与弹体扰动频率有关,扰动频率增大,隔离度增大,稳定性降低.2)典型弹体扰动下数字仿真和半实物仿真结果都表明基于跟踪微分器的导引头半捷联稳定系统的稳定性能满足指标要求,说明半捷联导引头具备工程可行性.3)由单片机搭建的弹载计算机计算能力不足成为跟踪微分器运算精度的瓶颈,以后的试验中可以使用更快速的计算机,稳定系统的稳定性能会有进一步提高.参考文献:[1]　周瑞青,吕善伟,刘新华.捷联式天线平台的角跟踪系统设计[J].系统工程与电子技术,2003,25(10): 1200-1202.[2]　韩京清,王伟.非线性跟踪-微分器[J].系统科学与数学,1994,14(2):177-183.[3]　武利强,林浩,韩京清.跟踪微分器滤波性能研究[J].系统仿真学报,2004,16(4):651-670.[4]　史永丽,侯朝桢.改进的非线性跟踪微分器设计[J].控制与决策,2008,23(6):647-650.[5]　韩京清.自抗扰控制技术[M].北京:国防工业出版社,2008.[6]　赵超.导引头稳定系统隔离度研究[J].电光与控制,2008,15(7):78-82.STU DY OF SEEKER SEMI2STRAPDOWN STAB LE SYSTEM HAR DWARE2IN2THE2LOOP SIMU LATION BASED ONTRACKING DIFFERENTIAT ORZHAO G ang,　GUO Hua,　YAN G Shu2xing(School of A erospace Science and Engi neeri ng,Beiji ng Instit ute of Technology,Beiji ng100081,Chi na)Abstract:Tracking differentiator is applied to seeker semi2strapdown stable system to calculate the platform inertial rate.Principle of TD is introduced,numerical simulation and hardware2in2the2loop simulation are carried out to seeker semi2strapdown stable system based on TD.The simulation results show that the stable performance of seeker semi2strapdown stable system rises with the reducing of missile disturbance frequency and the stable performance satisfies the requirement under classical mis2 sile disturbance.K ey w ords:tracking differentiator;semi2strapdown stabilization;seeker;hardware2in2the2loop simu2 lation(责任编辑:檀彩莲)82北京工商大学学报(自然科学版) 2009年3月。

新形势下红外成像导引头目标检测识别共性技术分析作者：李天来源：《科技与创新》2016年第19期摘要：红外成像制导的原理是利用目标探测器来探测目标的红外辐射，以此捕获目标红外图像。

简而言之，就是借助目标与背景之间的热辐射差，使图像实现自动导引的一种新型制导方法。

目前，这种方法已被普遍应用于多种战术系统中。

红外制导技术的核心是目标检测识别技术，而后者又是成像导引头中较为重要的技术。

在此，简要分析了红外成像引导头目标检测识别共性技术的相关内容，以期为日后的相关工作提供参考。

关键词：红外成像导引头；目标检测识别技术；新型制导方法；红外辐射中图分类号：TJ765.3+33 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2016.19.1381 红外弱小目标检测技术红外弱小目标检测对于红外系统成像来说起着决定性的作用，它直接决定着红外成像系统探测的灵敏度和发展的距离。

当目标距离比较远时，目标的成像面积小、边缘模糊、对比度低等，检测到的信号强度不强。

尤其是在受到地势的干扰下，高大植物、街道、海水等干扰因素会与目标重叠，使其没有办法从灰度、形状等因素中区分出目标，最后造成成像的信号低，为一些小目标的检测增加了难度。

所以，在复杂场景中，小目标的准确检测成为了红外成像系统中的重点。

当前，对于红外弱小目标的检测主要是以低信噪比、在复杂背景中如何提高检测算法的有效性和时效性为目标，致力于研究运算工作量小、性能优良、有利于硬件运行的检测算法。

对于小目标来说，一般采用的是空间时间滤波算法，而时间滤波器在空间滤波器后的算法被称为DBT，就是先检测，再跟踪。

这种算法先要对空间滤波进行预处理，目的是使单帧图像做到背景抑制和目标增强，增强信噪比，其次用自适应门限检测方法来处理目标，以时间序列来分析时间域滤波，以此找到目标。

而时间滤波器在空间滤波器前的算法被称为TBD，它并不需要公布检测结果，也不需要设置自适应检测门限，就是把每一帧信息进行数字化处理然后储存起来，在每一帧之间对假设的路径包含的点进行没有信息损失的处理。

全捷联激光半主动导引头线性视场研究导引头是现代导弹系统中的重要组成部分，能够进行目标跟踪和制导，是提高导弹命中精度的关键部件。

全捷联激光半主动导引头是一种基于激光技术的导引头，具有良好的稳定性和高精度。

在导引头中，线性视场是一个重要的性能指标。

线性视场是指导引头的视场范围内，光电探测器接受到的信号有效的角度范围。

线性视场越大，导引头对目标的跟踪和制导能力越强。

因此，如何提高全捷联激光半主动导引头的线性视场是一个值得研究的问题。

当前，全捷联激光半主动导引头的线性视场研究主要集中在以下几个方面。

首先，光电探测器的设计和优化。

光电探测器是影响线性视场的关键部件，其设计应考虑到导引头的工作环境和目标特性，以提高接收到的信号的线性度和灵敏度。

同时，通过优化光电探测器的结构和材料，可以减小光学畸变，提高光电探测器的线性视场。

其次，光学元件的设计和校准。

光学元件是导引头中光束的传输和聚焦的关键部件，其设计应满足导引头对目标的跟踪和制导的要求。

通过合理设计光学元件的曲率和焦距，可以提高导引头的线性视场。

此外，定期对光学元件进行校准，保证其焦距和角度的准确性，也可以提高导引头的线性视场。

第三，动态姿态控制算法的研究与优化。

全捷联激光半主动导引头在实际应用中，往往需要面对复杂的导弹动态环境。

在高速运动和高加速度的情况下，导引头的动态姿态变化会导致光束的偏移和视场的不稳定。

因此，研究和优化动态姿态控制算法，以减小姿态变化对导引头线性视场的影响，是提高导引头线性视场的重要手段。

综上所述，全捷联激光半主动导引头线性视场的研究是提高导弹系统命中精度的关键问题。

通过对光电探测器、光学元件和动态姿态控制算法的优化，可以提高导引头的线性视场。

随着技术的发展和研究的深入，相信全捷联激光半主动导引头的线性视场将得到进一步提高，为导弹系统的研制和应用提供更为可靠和精确的支持。