微型導(dǎo)彈捷聯(lián)光學(xué)制導(dǎo)信息提取方法研究

訚勝利

(上海機(jī)電工程研究所，上海 201109)

·技術(shù)前沿·

微型導(dǎo)彈捷聯(lián)光學(xué)制導(dǎo)信息提取方法研究

訚勝利

(上海機(jī)電工程研究所，上海 201109)

微型導(dǎo)彈體積小、成本低、精度高，可用于近距離攻擊低小慢目標(biāo)和地面人員車輛，采用捷聯(lián)可見光導(dǎo)引頭制導(dǎo)是比較合理的方案，因此高精度捷聯(lián)制導(dǎo)信息的提取成為關(guān)鍵。為獲取更高精度的制導(dǎo)信息，需要改進(jìn)提取方法。匹配濾波理論是在考慮傳感器不同的動力學(xué)特性情況下的一種信息融合方法，依據(jù)傳感器動態(tài)特性進(jìn)行信息匹配的方法提高制導(dǎo)信息提取精度。首先建立捷聯(lián)光學(xué)成像導(dǎo)引頭及其在制導(dǎo)控制系統(tǒng)中的簡化模型，依據(jù)導(dǎo)引頭上各種傳感器主要指標(biāo)，及匹配濾波的原則，推導(dǎo)出相位匹配器。最后，對匹配后的系統(tǒng)提取制導(dǎo)信息，并參與制導(dǎo)系統(tǒng)半實物測試，對比傳統(tǒng)慣性濾波器與相位匹配濾波器的效果。結(jié)果說明在相位匹配濾波的提取方法獲得的視線角速率精度比傳統(tǒng)慣性濾波提取方法提高了1倍。

光學(xué)成像導(dǎo)引頭；捷聯(lián)；制導(dǎo)信息；相位匹配

0 引言

對于近距微小型威脅目標(biāo)，大型的防空導(dǎo)彈效費(fèi)比不高，因此低成本、輕便攜的微型導(dǎo)彈已成為各國近程武器的熱點，可以作為低空近距離安防，打擊低小慢目標(biāo)，還可以在反恐戰(zhàn)場上攻擊敵方人員和車輛。紅外成像制導(dǎo)以其精度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點在現(xiàn)代精確打擊武器中廣泛應(yīng)用，但普通的紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)需要復(fù)雜的制冷系統(tǒng)，導(dǎo)致導(dǎo)引頭的體積大、笨重、可靠性差，而且價格昂貴。光學(xué)成像系統(tǒng)成本低、體積小、可靠性高，因此越來越受到青睞。美海軍研發(fā)的微小型“長釘”導(dǎo)彈，就采用可見光成像制導(dǎo)方式。

國外的成像制導(dǎo)武器系統(tǒng)，最初有采用追蹤法導(dǎo)引，而現(xiàn)在絕大部分都采用比例導(dǎo)引，有些先進(jìn)的導(dǎo)彈還采用改進(jìn)比例導(dǎo)引，充分利用了制導(dǎo)信息。早期紅外成像導(dǎo)引頭一般采用陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)，導(dǎo)引頭與彈體的關(guān)系相對獨(dú)立，單純在總體指標(biāo)下完成穩(wěn)定跟蹤測量的功能。而導(dǎo)彈要微小型化，探測系統(tǒng)捷聯(lián)化是必然要求，這樣導(dǎo)引頭需要將彈體信息合成后才能用于制導(dǎo)；但導(dǎo)引頭捷聯(lián)化后，提取視線角速率的精度直接決定著制導(dǎo)精度，也決定著武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)范圍，目前防空作戰(zhàn)視線角速率變化較大且對精度要求較高。在陀螺穩(wěn)定平臺式紅外成像導(dǎo)引頭制導(dǎo)信息的提取方面，導(dǎo)彈總體要求提供慣性空間的視線角速率以進(jìn)行比例導(dǎo)引，并且視線角速率精度越高越好。傳統(tǒng)導(dǎo)引頭分系統(tǒng)一般是送出陀螺信息、位置傳感器信息或圖像跟蹤誤差，經(jīng)過坐標(biāo)變換后作為視線角速率送出。本文提出了一種微型導(dǎo)彈捷聯(lián)光學(xué)制導(dǎo)信息提取方法，即結(jié)合導(dǎo)引頭圖像偏差信息及其慣性傳感器誤差，在聯(lián)系彈體穩(wěn)定控制的情況下，采用相位匹配的方法合成提取制導(dǎo)信息。在理論分析的基礎(chǔ)上，通過數(shù)字仿真驗證了該方法能夠有效提高制導(dǎo)信息的精度。

1 捷聯(lián)光學(xué)成像導(dǎo)引頭及其制導(dǎo)信息提取問題

1.1 捷聯(lián)可見光成像導(dǎo)引系統(tǒng)及其制導(dǎo)控制模型

典型捷聯(lián)可見光制導(dǎo)導(dǎo)彈如圖1所示。捷聯(lián)光學(xué)成像導(dǎo)引頭主要由頭罩、可見光鏡頭、成像探測器、圖像跟蹤器組成。光學(xué)系統(tǒng)及探測器固定在彈體上，與彈體捷聯(lián)的三軸陀螺將彈體運(yùn)動信息結(jié)合圖像跟蹤器偏差角進(jìn)行數(shù)字解算，將解算得到的制導(dǎo)信息送到彈體進(jìn)行制導(dǎo)控制。捷聯(lián)光學(xué)成像導(dǎo)引頭傳遞函數(shù)如圖2所示。

分析導(dǎo)引頭對整個彈體的影響需要將導(dǎo)引頭各個環(huán)節(jié)進(jìn)行簡化分析，最終簡化結(jié)果如圖3所示。

1.2 捷聯(lián)成像制導(dǎo)信息的提取問題

攻擊地面車輛或空中直升機(jī)目標(biāo)時，導(dǎo)彈成像導(dǎo)引頭一般采用比例導(dǎo)引，這樣能夠使過載合理分配并實現(xiàn)高精度打擊。而比例導(dǎo)引所需的視線角速率的物理意義是彈目連線在慣性坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)動速度。彈目運(yùn)動關(guān)系如圖4所示。

圖4中ε是圖像跟蹤偏差量，通過圖像跟蹤器直接送出，?是彈體運(yùn)動角度，可以通過彈體陀螺直接測量，q是彈目視線角：

q=ε+?

(1)

比例導(dǎo)引的制導(dǎo)信息就是彈目視線角速度，捷聯(lián)式導(dǎo)引頭不能直接獲得光軸角速率，但是可以直接獲得ε及?，可以通過微分的方法獲得視線角速率。

但是考慮實際的圖像跟蹤器、陀螺的硬件水平，且是在彈體擾動下的跟蹤，可以對各個傳感器的誤差及微分情況作估算分析：對于720像素10°視場的非制冷紅外系統(tǒng)來說，像元分辨率0.0138°，采用25Hz幀頻時，最小速度誤差達(dá)到0.312°/s；而陀螺的零偏及比例因子非線性會引約起0.1°/s的測速誤差。根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，若直接微分獲取，必然會造成很大的視線角速率誤差，因此必須采用更加合理的提取方法，將信號合理配置才能夠達(dá)到更高的視線角速率精度。

2 捷聯(lián)方式制導(dǎo)信息誤差分析

2.1 制導(dǎo)信息誤差源的確定

將全捷聯(lián)圖像傳感器與陀螺固連，目標(biāo)運(yùn)動q0是幅值A(chǔ)0、頻率ω0的正弦運(yùn)動，施加彈體擾動?后，經(jīng)過光學(xué)及圖像處理系統(tǒng)獲得偏離中心位置的角度：

ε=?e-τs/(τS+1)+q0e-τs/(τS+1)

(2)

而陀螺直接感受出偏角速度：

(3)

獲取的角速度經(jīng)過解算后得到角位置：

(4)

而根據(jù)式(1) 可得：

?e-τs/(τS+1)-q0e-τs/(τS+1)=

q0e-τs/(τS+1)

(5)

(τS+1)-q0ω0e-τs/(τS+1)

(6)

2.2 相位匹配法的原理

D(s)e-τs/(τS+1))?=0

(7)

3 捷聯(lián)視線角速率提取仿真分析

在全捷聯(lián)成像系統(tǒng)上提取視線角速率，采用擾動測試的方法來進(jìn)行相位匹配原理數(shù)字仿真驗證。光學(xué)成像探測系統(tǒng)與三軸微機(jī)械陀螺固聯(lián)，成像探測系統(tǒng)探測到目標(biāo)后產(chǎn)生的圖像信號傳輸?shù)教幚頇C(jī)，陀螺信號經(jīng)過動力學(xué)延遲產(chǎn)生角速率信號。最后經(jīng)過相位匹配算法，加入延遲同步將2路傳感器的信號進(jìn)行相位匹配，運(yùn)行上述推導(dǎo)的算法，經(jīng)過空間轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行微分濾波獲取視線角速率信號。

主要仿真參數(shù)設(shè)置：可見光面陣成像探測器，分辨率720×576，幀頻25Hz，像元尺寸6.8μm，采用50mm焦距；三軸MEMS陀螺，綜合漂移10°/h以內(nèi)，采樣率1kHz，帶寬200Hz；人在回路捕獲目標(biāo)，采用相關(guān)自動跟蹤算法，算法跟蹤時間20ms以內(nèi)，輸出脫靶量間隔40ms。設(shè)置目標(biāo)以1°、2Hz的正弦運(yùn)動。根據(jù)2.2節(jié)中的分析，由式(7)最終求出相位匹配器，姿態(tài)角與圖像跟蹤偏差量合成(連線)以及其微分(點線)的曲線：對跟蹤偏差加10.05s+1的濾波器，微分完后與陀螺速度合成加入10.3s+1的濾波器。如圖6所示。

未采用相位匹配時合成視線角速率的標(biāo)準(zhǔn)差為0.365°/s，采用相位匹配后合成視線角速率均方值為0.201°/s。由上述實驗得到的結(jié)果可以看出，采用相位匹配算法對提高捷聯(lián)視線角速率有明顯的效果，因此在針對全捷聯(lián)方案中，提取視線角速率時必須重點考慮各傳感器的動力學(xué)以改善系統(tǒng)提取的效果。

4 結(jié)束語

提高視線角速率精度對全捷聯(lián)導(dǎo)引頭具有重要意義。本文采用連續(xù)信號的傅里葉變換方法，把時域中難以分析的問題轉(zhuǎn)化到頻域，從而明顯地分析信號響應(yīng)的相位差異，對于相位超前的傳感器，人為添加一個滯后環(huán)節(jié)，使2個傳感器的響應(yīng)速度一致，從而使2個傳感器的信號反映的是同一時刻的輸入信號，以得到最接近真實的視線角速率信息，最大限度地提高制導(dǎo)精度。從本文推導(dǎo)的相位匹配環(huán)節(jié)的仿真實驗結(jié)果可以看出，該方法能夠明顯改善合成精度。本文實驗為了簡化問題，做的是單軸、單頻率點、低速運(yùn)動目標(biāo)的視線角速率提取，還可以進(jìn)一步仿真彈體在俯仰偏航2個方向、不同頻點運(yùn)動，并且目標(biāo)機(jī)動的情況下提取視線角速率，這樣最接近捷聯(lián)導(dǎo)引頭彈目相對運(yùn)動的真實條件?！?/p>

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Guidanceinformationextractivemethodofmini-missileopticalimagingstrapdownseeker

Yin Shengli

(Shanghai Institute of Mechanics and Electricity Engineering, Shanghai 201109,China)

For its small bulk,low price and high degree of accuracy, the mini-missile can be used to attack person and vehicle,and the strapdown seeker is a good choice for guidance.The key point is to refine the seeker guidance information. The way of getting guidarne message should be improved. Phase matching filter is a way of intelligence fusion considering the dynamics of different sensor.It increases the accuracy by matching the dynamic of sensor.The guidance and control model of optical imaging strapdown seeker is built firstly,and then the phase matching filter is derived.The giudance information of matched system is extracted at last,and the guidance system using the Hardware-in-loop system is tested.Comparing the matched filtor improved system and the traditional lag compensation sysytem,the line-of-sight rate dloubles.

optical imaging seeker;strapdown;guidance information;phase matching

2017-06-29；2017-09-07修回。

訚勝利(1981-)，男，高工，博士，主要研究方向為光電成像探測。

TJ765.3;TN97

A