激光紅外多功能復(fù)合模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

(1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044； 2.火箭軍 駐燕山電子設(shè)備廠軍代室，北京 100076; 3.中國北方工業(yè)有限公司,北京 100053)

0 引言

目前，各個(gè)國家都在大力研究精確制導(dǎo)技術(shù)。目前制導(dǎo)主要有雷達(dá)制導(dǎo)、激光制導(dǎo)、紅外制導(dǎo)、慣性制導(dǎo)等制導(dǎo)模式。其中應(yīng)用最為廣泛的是紅外制導(dǎo)和激光制導(dǎo)。紅外制導(dǎo)具有被動(dòng)性制動(dòng)隱蔽性能良好等優(yōu)點(diǎn)，但是極易受到激光等光學(xué)手段的干擾和欺騙。激光制導(dǎo)能夠攜帶距離等信息，但是體積較大，因此必須發(fā)展復(fù)合制導(dǎo)武器來提升制導(dǎo)性能[1-3]。因此，建立一個(gè)多功能模擬系統(tǒng)對(duì)真實(shí)環(huán)境下的多種制導(dǎo)模式及干擾模式進(jìn)行仿真模擬尤為重要。半實(shí)物仿真具有成本較低，方便快捷的特點(diǎn)，半實(shí)物仿真系統(tǒng)大大提升了制導(dǎo)武器的發(fā)展[4]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

在實(shí)際制導(dǎo)環(huán)節(jié)中主要涉及敵方目標(biāo)、制導(dǎo)系統(tǒng)、制導(dǎo)方式三大環(huán)節(jié)[5]。其中制導(dǎo)系統(tǒng)一般位于導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭中，模擬系統(tǒng)模擬其制導(dǎo)環(huán)節(jié)主要如圖1所示。信息處理機(jī)主要進(jìn)行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理。采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集導(dǎo)引頭相關(guān)制導(dǎo)信息，采集后上傳信息處理機(jī)，信息處理機(jī)處理相關(guān)信息后對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)控制指令。

多功能模擬系統(tǒng)整體需實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過程中點(diǎn)目標(biāo)模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)、黑體溫度、數(shù)據(jù)采集等進(jìn)行控制并實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)、試驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)，完成對(duì)試驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)特征的統(tǒng)計(jì)。

本模擬系統(tǒng)導(dǎo)引頭采用模擬系統(tǒng)以降低成本縮短開發(fā)周期，導(dǎo)引頭主要實(shí)現(xiàn)二維運(yùn)動(dòng)和圖像采集兩大功能，可采用二維轉(zhuǎn)臺(tái)搭載紅外相機(jī)實(shí)現(xiàn)[6]。控制系統(tǒng)由溫度控制、運(yùn)動(dòng)控制、串口控制、紅外相機(jī)控制等組成。其中、溫度控制主要為黑體溫度控制，采用不同溫度黑體模擬不同敵方紅外目標(biāo)[7]。運(yùn)動(dòng)控制主要控制導(dǎo)引頭二維運(yùn)動(dòng)和紅外目標(biāo)一維運(yùn)動(dòng)。串口控制主要實(shí)現(xiàn)激光控制、快門控制等?？刂撇糠只ハ鄥f(xié)同工作完成對(duì)系統(tǒng)的整體控制。

其中一次完整模擬涉及紅外導(dǎo)引頭，紅外目標(biāo)，采集系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)，上位機(jī)通過控制軟件統(tǒng)一進(jìn)行指令發(fā)送以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)作。以激光干擾紅外制導(dǎo)為例，軟件首先控制導(dǎo)引頭進(jìn)行目標(biāo)搜尋，搜尋完畢在進(jìn)行激光干擾，與此同時(shí)軟件控制采集系統(tǒng)對(duì)復(fù)合圖像進(jìn)行采集處理，各系統(tǒng)間協(xié)調(diào)運(yùn)行完成整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)。

2 控制系統(tǒng)搭建

2.1 運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制主要模擬導(dǎo)引頭二維運(yùn)動(dòng)和紅外熱源一維運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)板卡、外接拓展卡、驅(qū)動(dòng)卡、電機(jī)構(gòu)成[8]。控制系統(tǒng)圖如下圖2所示。工控機(jī)內(nèi)嵌運(yùn)動(dòng)控制板卡，運(yùn)動(dòng)板卡外接拓展卡連接驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。工控機(jī)采用研華IPC-610L型高性能大內(nèi)存工控機(jī)，為快速大量處理數(shù)據(jù)提供硬件基礎(chǔ)。運(yùn)動(dòng)控制卡采用DMC1380高性能運(yùn)動(dòng)控制卡，提供多種運(yùn)動(dòng)模式，便于二次開發(fā)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用雷塞驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。一維轉(zhuǎn)臺(tái)采用MRS103型精密電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)，配合點(diǎn)目標(biāo)模擬系統(tǒng)，完成點(diǎn)目標(biāo)模擬系統(tǒng)的水平±10°掃描。一維傾斜臺(tái)選用上述一維傾斜臺(tái)。一維轉(zhuǎn)臺(tái)采用MGC102C型精密電控傾斜臺(tái)。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)圖

為方便模擬多種運(yùn)動(dòng)模式，控制系統(tǒng)研制了多種運(yùn)動(dòng)方式，包括回零運(yùn)動(dòng)、快捷運(yùn)動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)、自定義運(yùn)動(dòng)。其中，回零運(yùn)動(dòng)根據(jù)限位開關(guān)提供的電平信號(hào)變化進(jìn)行限位控制?？旖葸\(yùn)動(dòng)提供了兩種快速和慢速的快捷直線運(yùn)動(dòng)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)主要為圍繞一點(diǎn)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。自定義運(yùn)動(dòng)可根據(jù)軟件彈出框設(shè)置運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行自定義運(yùn)動(dòng)。

2.2 溫度控制設(shè)計(jì)

溫度控制主要對(duì)黑體進(jìn)行控制溫度控制以實(shí)現(xiàn)模擬不同溫度的黑體目標(biāo)。

黑體具有溫度變化較快，廉價(jià)，控制方便等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)中黑體選取加熱板為XH-RJ505020型號(hào)，50*50 mm長寬比，2 mm厚度的高溫陶瓷晶體。該陶瓷晶片阻值為：12 Ω。最大輻射溫度可達(dá)300 ℃，均勻性優(yōu)于90%。電壓最高值為36 V，系統(tǒng)可達(dá)到的最高溫度為280 ℃，本系統(tǒng)黑體溫度上限值：100 ℃。

黑體控制采用閉環(huán)控制系統(tǒng)[9]。系統(tǒng)控制圖如下圖3所示。上位機(jī)接受溫度變送器回采的溫度數(shù)據(jù)，軟件中根據(jù)當(dāng)前溫度值和目標(biāo)溫度值根據(jù)PID算法不斷調(diào)節(jié)輸出電壓值進(jìn)而改變黑體溫度值。

圖3 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制主要采用PID算法控制，電壓值和溫度值采用分段擬合技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制。由于黑體溫度控制系統(tǒng)沒有精確的傳遞函數(shù)因此很難建立精確地溫度控制模型求解PID控制方法中的Kp,Ki,Kd三個(gè)參數(shù)，因此溫度控制系統(tǒng)中參數(shù)整定采用經(jīng)驗(yàn)整定法實(shí)現(xiàn)，通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取Kp,Ki,Kd三個(gè)參數(shù)，最終系統(tǒng)3個(gè)參數(shù)大小為Kp=1.5，Ki=0.28，,Kd=0，調(diào)節(jié)時(shí)間1 000 ms。

為提高溫度控制精度，系統(tǒng)通過采集大量溫度控制數(shù)據(jù)對(duì)電壓值Ubase和溫度值進(jìn)行了線性擬合，擬合關(guān)系如下所示。

(1)

在此基礎(chǔ)上引入pid進(jìn)行調(diào)節(jié)。一次完整調(diào)節(jié)過程如下所示：上位機(jī)獲取調(diào)節(jié)溫度目標(biāo)值，與當(dāng)前溫度做差，得到一個(gè)差值，將差值傳入pid算法中，pid算法通過目標(biāo)溫度大小選取輸出電壓基值(Ubase)并結(jié)合pid算法得到一個(gè)輸出電壓值，當(dāng)電壓值超過20 V,使用20 V調(diào)節(jié)，當(dāng)電壓值為0 V時(shí)，使用0 V調(diào)節(jié)，并驅(qū)動(dòng)程控電源調(diào)節(jié)電壓大小，該調(diào)節(jié)過程在開辟的線程中不斷循環(huán)，直到溫度到達(dá)誤差范圍允許的精度，一次調(diào)節(jié)完成。另外，為保證溫度調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，在達(dá)到精度后，調(diào)節(jié)并不退出線程，在線程內(nèi)一直維持調(diào)節(jié)以保證溫度的穩(wěn)定性。

一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1所示，該實(shí)驗(yàn)完成了從室溫到75 ℃再從75 ℃調(diào)節(jié)到室溫的完整過程。從下表中可以看出溫度控制最大誤差為0.33 ℃，滿足滿量程的2%的精度要求。

表1 一次升溫降溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

2.3 串口控制

模擬系統(tǒng)中對(duì)激光、快門、程控電源、熱像儀相機(jī)的控制都通過串口實(shí)現(xiàn)，通過串口按照協(xié)議發(fā)送串口數(shù)據(jù)對(duì)相應(yīng)硬件設(shè)備進(jìn)行控制。

激光控制主要實(shí)現(xiàn)電流、溫度控制、查詢等功能，便于模擬系統(tǒng)中不同強(qiáng)度的激光。

快門控制主要用于控制激光的通斷。

熱像儀相機(jī)主要用于控制相機(jī)、調(diào)節(jié)相機(jī)性能。

2.4 圖像采集處理系統(tǒng)

圖像采集處理是系統(tǒng)核心關(guān)鍵。圖像采集主要由工控機(jī)、圖像采集板卡、紅外相機(jī)構(gòu)成采集處理系統(tǒng)如下圖4所示。上位機(jī)發(fā)送采集指令采集板卡控制相機(jī)進(jìn)行圖像采集。

圖4 圖像采集系統(tǒng)

受限于紅外相機(jī)與板卡之間的相互配合約束，圖像采集大小為1×81 920，由于系統(tǒng)需要對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行顯示，因此需要對(duì)圖像像素進(jìn)行轉(zhuǎn)化，采用Opencv庫函數(shù)對(duì)原來像素點(diǎn)進(jìn)行遍歷訪問并重新定義為大小為253×318=80 454的圖像[10]。一次轉(zhuǎn)化效果如圖5所示。圖像的動(dòng)態(tài)顯示采用opencv的CvvImage類進(jìn)行顯示，在MFC中picture control中動(dòng)態(tài)的刷新圖片，達(dá)到圖片的動(dòng)態(tài)顯示已實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)跟蹤。

圖5 圖像像素轉(zhuǎn)化結(jié)果對(duì)比圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件模塊

配合硬件系統(tǒng)，需要有軟件系統(tǒng)配合工作，軟件主要負(fù)責(zé)對(duì)硬件的模塊控制和數(shù)據(jù)處理。軟件主要分為初始化、6個(gè)功能模塊、自動(dòng)動(dòng)作模塊等三大部分。軟件功能模塊如圖6所示。軟件啟動(dòng)時(shí)完成磁盤管理等相關(guān)初始化，進(jìn)入軟件點(diǎn)擊初始化主要完成對(duì)板卡的初始化和變量的初始化。

圖6 測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)組成

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同模塊之間耦合性保證最小。軟件主要分為三層，分別為界面、驅(qū)動(dòng)層、控制層。其中，界面主要以模塊分塊設(shè)計(jì)、自動(dòng)測(cè)試、軟件初始化退出三部分，模塊分塊設(shè)計(jì)主要針對(duì)不同硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，自動(dòng)測(cè)試部分在軟件界面進(jìn)行文本選擇并啟動(dòng)測(cè)試，軟件初始化退出功能主要設(shè)計(jì)部分硬件初始化、變量初始化、磁盤檢測(cè)、軟件退出等。驅(qū)動(dòng)層主要負(fù)責(zé)界面與底層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以提高軟件執(zhí)行效率，降低數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，界面卡死等情況。控制層也是最底層，負(fù)責(zé)對(duì)各硬件的控制，控制層主要通過二次開發(fā)使得原有硬件功能更加豐富、友好性更高，接口更為簡單。控制層主要實(shí)現(xiàn)溫度控制、激光控制、紅外控制、快門控制、運(yùn)動(dòng)控制、紅外相機(jī)控制、電源控制、圖像算法處理模塊。

運(yùn)動(dòng)控制主要對(duì)既有API函數(shù)進(jìn)行二次封裝，運(yùn)動(dòng)控制模塊以一個(gè)類單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，類中對(duì)不同運(yùn)動(dòng)方式、開始、停止、采集運(yùn)動(dòng)位置等功能進(jìn)行了不同函數(shù)的改寫。

溫度控制采用串口控制顯示，軟件在完成初始化后自動(dòng)開辟線程，在線程中軟件不斷獲取黑體溫度數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)溫度函數(shù)設(shè)置兩個(gè)接口，軟件通過現(xiàn)有溫度和當(dāng)前溫度在線程中通過調(diào)節(jié)溫度函數(shù)不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，直到溫度與目標(biāo)溫度差值小于誤差范圍內(nèi)。

激光、快門、紅外熱像儀、電源均通過串口控制實(shí)現(xiàn)，軟件對(duì)應(yīng)不同功能編寫不同功能函數(shù)，基本流程為根據(jù)相應(yīng)功能組幀、發(fā)送、解幀、執(zhí)行等步驟。

初始化完成后軟件動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前黑體溫度，用戶可通過點(diǎn)擊各個(gè)模塊功能按鈕實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。軟件采用C++(MFC)編程，圖像處理采用Opencv庫函數(shù)進(jìn)行研究處理。軟件如圖7所示。

圖7 軟件界面

其中，轉(zhuǎn)臺(tái)模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制，主要實(shí)現(xiàn)了直線運(yùn)動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)、回零運(yùn)動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)模式。熱像儀模塊完成圖像實(shí)時(shí)顯示和實(shí)時(shí)處理以及對(duì)熱像儀紅外相機(jī)的控制。其它模塊主要負(fù)責(zé)激光和黑體溫度控制等。另外，軟件還設(shè)計(jì)了按照文本運(yùn)動(dòng)功能，該功能可以實(shí)現(xiàn)按照用戶寫入指令系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的功能，用戶按照指令標(biāo)識(shí)字段在txt文件中按照順序?qū)懭胫噶睿浖凑罩噶铐樞驅(qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制。

4 激光干擾紅外制導(dǎo)模擬仿真研究

紅外圖像制導(dǎo)具有被動(dòng)制導(dǎo)隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn)但是極易受到激光干擾[11-12]。本次實(shí)驗(yàn)采用該系統(tǒng)對(duì)紅外制導(dǎo)激光干擾進(jìn)行仿真模擬。

仿真主要分為系統(tǒng)啟動(dòng)、搜尋、采集、處理、分析等環(huán)節(jié)，具體仿真步驟如下所示。

1)系統(tǒng)啟動(dòng)，配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境。系統(tǒng)啟動(dòng)后，啟動(dòng)軟件，通過軟件將紅外熱源溫度設(shè)置為35，打開紅外轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)開關(guān)，檢查系統(tǒng)磁盤避免大量圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)導(dǎo)致磁盤溢出損失圖像數(shù)據(jù)。

2)兩軸導(dǎo)引頭聯(lián)動(dòng)搜尋紅外目標(biāo)。待紅外熱源溫度穩(wěn)定到35，使用系統(tǒng)軟件控制導(dǎo)引頭在兩個(gè)方向下進(jìn)行低速緩慢搜尋，直到紅外目標(biāo)出現(xiàn)在視場(chǎng)中，此時(shí)立即停止搜尋，使用系統(tǒng)回零功能將紅外熱源置于視場(chǎng)中央。

3)采集紅外圖像。回零后打開紅外熱源一維運(yùn)動(dòng)臺(tái)，使得紅外目標(biāo)在1°范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，采集圖像采集系統(tǒng)對(duì)紅外圖像進(jìn)行連續(xù)采集并保存。

4)紅外圖像分析。搜尋目標(biāo)如圖8所示，從圖中可知，在紅外源溫度較低時(shí)，紅外目標(biāo)在視場(chǎng)成像較弱，此時(shí)若有其它強(qiáng)光進(jìn)行干擾，由于軟硬件的識(shí)別能力將會(huì)出現(xiàn)對(duì)敵方目標(biāo)識(shí)別偏差的情況。

圖8 紅外目標(biāo)捕獲圖像

采用MATLAB對(duì)紅外目標(biāo)圖像亮度分布進(jìn)行分析。分別對(duì)其圖像亮度三維圖和峰值坐標(biāo)圖進(jìn)行了分析計(jì)算顯示[13-14]，顯示結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖像可知，紅外成像后在局部光強(qiáng)將變得很大，該區(qū)域進(jìn)過處理識(shí)別質(zhì)心后即可作為精確打擊目標(biāo)。

圖9 光強(qiáng)三維圖

圖10 光強(qiáng)坐標(biāo)顯示圖

5)激光進(jìn)行干擾。一段時(shí)間后，打開激光并調(diào)節(jié)相應(yīng)亮度，最后打開快門，此時(shí)在強(qiáng)烈的激光照射下，模擬導(dǎo)引頭視場(chǎng)將出現(xiàn)兩個(gè)光斑，系統(tǒng)依舊對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集保存。

6)干擾圖像分析:干擾后圖像有明顯的兩個(gè)光斑，在激光干擾下，制導(dǎo)算法精度將急劇下降，其中一副干擾圖像如圖11所示。

圖11 干擾圖像捕獲圖像

對(duì)該圖像亮度進(jìn)行分析計(jì)算獲得其光強(qiáng)度三維分布圖和坐標(biāo)如圖12和圖13所示?？梢钥闯龃藭r(shí)光強(qiáng)分布不集中，軟件算法將會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致導(dǎo)引頭制導(dǎo)準(zhǔn)確率大大下降。

圖12 光強(qiáng)三維圖

圖13 光強(qiáng)坐標(biāo)顯示圖

該仿真實(shí)驗(yàn)表明強(qiáng)烈激光照射到紅外相機(jī)后，由于激光大量占據(jù)相機(jī)飽和元，使得算法無法準(zhǔn)確定位激光光斑和紅外光斑進(jìn)而導(dǎo)致紅外制導(dǎo)效率急劇下降。

5 結(jié)束語

本文研究設(shè)計(jì)了可用于研究激光和紅外干擾技術(shù)及復(fù)合制導(dǎo)等多項(xiàng)制導(dǎo)技術(shù)的仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)組成包含導(dǎo)引頭模擬系統(tǒng)、紅外點(diǎn)源模擬系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信息處理機(jī)。幾大模塊互相配合工作，完成模擬實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)大大降低了現(xiàn)場(chǎng)做試驗(yàn)的成本，可以多次模擬多種類型制導(dǎo)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。