微型導彈捷聯光學制導信息提取方法研究

訚勝利

(上海機電工程研究所，上海 201109)

·技術前沿·

微型導彈捷聯光學制導信息提取方法研究

訚勝利

(上海機電工程研究所，上海 201109)

微型導彈體積小、成本低、精度高，可用于近距離攻擊低小慢目標和地面人員車輛，采用捷聯可見光導引頭制導是比較合理的方案，因此高精度捷聯制導信息的提取成為關鍵。為獲取更高精度的制導信息，需要改進提取方法。匹配濾波理論是在考慮傳感器不同的動力學特性情況下的一種信息融合方法，依據傳感器動態特性進行信息匹配的方法提高制導信息提取精度。首先建立捷聯光學成像導引頭及其在制導控制系統中的簡化模型，依據導引頭上各種傳感器主要指標，及匹配濾波的原則，推導出相位匹配器。最后，對匹配后的系統提取制導信息，并參與制導系統半實物測試，對比傳統慣性濾波器與相位匹配濾波器的效果。結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慣性濾波提取方法提高了1倍。

光學成像導引頭；捷聯；制導信息；相位匹配

0 引言

對于近距微小型威脅目標，大型的防空導彈效費比不高，因此低成本、輕便攜的微型導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，還可以在反恐戰場上攻擊敵方人員和車輛。紅外成像制導以其精度高、抗干擾能力強的特點在現代精確打擊武器中廣泛應用，但普通的紅外成像制導系統需要復雜的制冷系統，導致導引頭的體積大、笨重、可靠性差，而且價格昂貴。光學成像系統成本低、體積小、可靠性高，因此越來越受到青睞。美海軍研發的微小型“長釘”導彈，就采用可見光成像制導方式。

國外的成像制導武器系統，最初有采用追蹤法導引，而現在絕大部分都采用比例導引，有些先進的導彈還采用改進比例導引，充分利用了制導信息。早期紅外成像導引頭一般采用陀螺穩定系統，導引頭與彈體的關系相對獨立，單純在總體指標下完成穩定跟蹤測量的功能。而導彈要微小型化，探測系統捷聯化是必然要求，這樣導引頭需要將彈體信息合成后才能用于制導；但導引頭捷聯化后，提取視線角速率的精度直接決定著制導精度，也決定著武器系統的作戰范圍，目前防空作戰視線角速率變化較大且對精度要求較高。在陀螺穩定平臺式紅外成像導引頭制導信息的提取方面，導彈總體要求提供慣性空間的視線角速率以進行比例導引，并且視線角速率精度越高越好。傳統導引頭分系統一般是送出陀螺信息、位置傳感器信息或圖像跟蹤誤差，經過坐標變換后作為視線角速率送出。本文提出了一種微型導彈捷聯光學制導信息提取方法，即結合導引頭圖像偏差信息及其慣性傳感器誤差，在聯系彈體穩定控制的情況下，采用相位匹配的方法合成提取制導信息。在理論分析的基礎上，通過數字仿真驗證了該方法能夠有效提高制導信息的精度。

1 捷聯光學成像導引頭及其制導信息提取問題

1.1 捷聯可見光成像導引系統及其制導控制模型

典型捷聯可見光制導導彈如圖1所示。捷聯光學成像導引頭主要由頭罩、可見光鏡頭、成像探測器、圖像跟蹤器組成。光學系統及探測器固定在彈體上，與彈體捷聯的三軸陀螺將彈體運動信息結合圖像跟蹤器偏差角進行數字解算，將解算得到的制導信息送到彈體進行制導控制。捷聯光學成像導引頭傳遞函數如圖2所示。

分析導引頭對整個彈體的影響需要將導引頭各個環節進行簡化分析，最終簡化結果如圖3所示。

1.2 捷聯成像制導信息的提取問題

攻擊地面車輛或空中直升機目標時，導彈成像導引頭一般采用比例導引，這樣能夠使過載合理分配并實現高精度打擊。而比例導引所需的視線角速率的物理意義是彈目連線在慣性坐標系中的轉動速度。彈目運動關系如圖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)

比例導引的制導信息就是彈目視線角速度，捷聯式導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來說，像元分辨率0.0138°，采用25Hz幀頻時，最小速度誤差達到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。根據上述數據分析，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到更高的視線角速率精度。

2 捷聯方式制導信息誤差分析

2.1 制導信息誤差源的確定

將全捷聯圖像傳感器與陀螺固連，目標運動q0是幅值A0、頻率ω0的正弦運動，施加彈體擾動?后，經過光學及圖像處理系統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)

獲取的角速度經過解算后得到角位置：

(4)

而根據式(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 捷聯視線角速率提取仿真分析

在全捷聯成像系統上提取視線角速率，采用擾動測試的方法來進行相位匹配原理數字仿真驗證。光學成像探測系統與三軸微機械陀螺固聯，成像探測系統探測到目標后產生的圖像信號傳輸到處理機，陀螺信號經過動力學延遲產生角速率信號。最后經過相位匹配算法，加入延遲同步將2路傳感器的信號進行相位匹配，運行上述推導的算法，經過空間轉換后再進行微分濾波獲取視線角速率信號。

主要仿真參數設置：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，采樣率1kHz，帶寬200Hz；人在回路捕獲目標，采用相關自動跟蹤算法，算法跟蹤時間20ms以內，輸出脫靶量間隔40ms。設置目標以1°、2Hz的正弦運動。根據2.2節中的分析，由式(7)最終求出相位匹配器，姿態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準差為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果可以看出，采用相位匹配算法對提高捷聯視線角速率有明顯的效果，因此在針對全捷聯方案中，提取視線角速率時必須重點考慮各傳感器的動力學以改善系統提取的效果。

4 結束語

提高視線角速率精度對全捷聯導引頭具有重要意義。本文采用連續信號的傅里葉變換方法，把時域中難以分析的問題轉化到頻域，從而明顯地分析信號響應的相位差異，對于相位超前的傳感器，人為添加一個滯后環節，使2個傳感器的響應速度一致，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精度。從本文推導的相位匹配環節的仿真實驗結果可以看出，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、低速運動目標的視線角速率提取，還可以進一步仿真彈體在俯仰偏航2個方向、不同頻點運動，并且目標機動的情況下提取視線角速率，這樣最接近捷聯導引頭彈目相對運動的真實條件。■

[1] 張學明，張振婭，戴明，等.機載設備IRIG-B(AC)碼的濾波及其數字相位補償[J]．光學精密工程，2009，26(1)：75-77．

[2] 陶聲祥，王書宇，沈歡.基于虛擬場景的捷聯圖像制導半實物仿真關鍵技術[J]．彈箭與制導學報，2011，31(3):22-24.

[3] 丁丕滿.捷聯制導系統傳感器排布[J]．科學技術與工程，2011，5(7)：49-52.

[4] 張聘義，祁載康，崔瑩瑩，等．一種匹配濾波方法在導引頭捷聯穩定平臺中的應用研究[J]．紅外技術，2005，20(1)：1744-1748.

[5] 訚勝利，賈宏光，高慧斌．光學成像導引頭半捷聯穩定[J]．紅外與激光工程，2011，(1)：25-27.

[6] 于曉濤.捷聯穩定吊艙控制系統設計[D]．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

[7] 張躍，劉波，訚勝利．捷聯式光學導引頭的穩定、跟蹤原理與系統仿真[J]．光學精密工程，2008，7(1)：89-92.

[8] 孟秀云.導彈制導與控制系統原理[M]．北京：北京理工大學出版社，2003.

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