基于多種目標運動模式的光電跟蹤性能測試系統(tǒng)研究

張春仙,萬 英,張 續(xù)

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著軍事技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代戰(zhàn)爭已由過去的近距離作戰(zhàn)模式發(fā)展為以遠距離精確打擊為主的戰(zhàn)爭模式。作為地對空、空對地、空對空等多個武器裝備體系中打擊機動目標必不可少的裝備,光電跟蹤系統(tǒng)在導彈制導、火炮瞄準、空間目標跟蹤、靶場測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。光電跟蹤系統(tǒng)的主要作用是獲取多波段圖像后進行目標檢測和定位,引導伺服機構(gòu)對目標進行穩(wěn)定跟蹤和瞄準,并將目標空間位置和運動軌跡發(fā)送給火控系統(tǒng)以便對目標實施打擊,其中對目標進行穩(wěn)定跟蹤是精準打擊機動目標的關(guān)鍵,因此在光電跟蹤系統(tǒng)的驗收和鑒定時必須考慮對光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤性能進行測試,由于采用真實目標進行實際外場測試需要大量的人力、物力和時間,且目標飛行條件不好控制,測試重復性較差,因此有必要在實驗室搭建光電跟蹤性能測試系統(tǒng)。

光電跟蹤性能測試系統(tǒng)主要分兩類,一類是等效正弦輸入法[4],該方法通過生成模擬正弦信號,激勵跟蹤伺服系統(tǒng)進行跟蹤,其理論依據(jù)是雖然目標的運動特性是具有多樣性的,但都可以近似轉(zhuǎn)換為不同幅度和頻率的正弦信號的累加,該方法通過計算機通信引導光電跟蹤伺服系統(tǒng)完成跟蹤,不經(jīng)過電視、紅外等跟蹤傳感器,因此不包括跟蹤傳感器的性能,不能全面反映光電跟蹤系統(tǒng)的性能；另一類是光電動態(tài)靶標檢測[5],光學系統(tǒng)采用平行光管產(chǎn)生運動光電目標,平行光管分為反射式和透射式系統(tǒng),根據(jù)跟蹤系統(tǒng)最大角速度和最大角加速度要求,設(shè)置光電目標運動參數(shù),啟動跟蹤系統(tǒng)對目標進行跟蹤,計算跟蹤過程的脫靶量,在脫靶量滿足戰(zhàn)術(shù)指標要求的條件下,獲得跟蹤系統(tǒng)的最大角速度和最大角加速度。在該方法中,光電跟蹤系統(tǒng)需要對光電靶標成像,獲取目標成像信息,因此,比起前一類方法,可更全面評價光電跟蹤系統(tǒng)的性能。

文獻[6]提出一種動態(tài)靶標結(jié)構(gòu),其主要特點是無窮遠光學目標按照檢測指標要求做標準正弦或等速往復直線運動,光電跟蹤設(shè)備通過跟蹤該目標來完成伺服性能指標的檢測。

文獻[7]、[8]設(shè)計一種反射式平行光管結(jié)構(gòu),平行光管固定不動,系統(tǒng)控制位于平行光管焦面處的靶標進行旋轉(zhuǎn)運動,模擬目標運動軌跡。

以上兩種方法存在的問題是反射式系統(tǒng)視場較小,且靶標運動模式單一。

針對以上問題,本文提出一種跟蹤性能測試方案,該測試方案采用長焦透射式光學系統(tǒng),相比反射式系統(tǒng)視場更大,靶標運動采用正余弦、圓周等多種運動模式,還可根據(jù)具體戰(zhàn)術(shù)目標的特點自定義運動曲線,滿足更多的測試需求。

2 光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤性能測試系統(tǒng)組成

圖1為測試系統(tǒng)組成框圖,測試系統(tǒng)由投影紅外光學成像系統(tǒng)(中、長波紅外光學投影鏡頭)、目標模擬器(二維運動機構(gòu)、靶標)、常溫、高溫黑體組件及控制系統(tǒng)組成,采用紅外光學系統(tǒng)耦合技術(shù)、像方掃描技術(shù)和高精度運動控制技術(shù),模擬光電探測設(shè)備視場范圍內(nèi)目標運動、能量變化特性(根據(jù)目標溫度與輻射能量的對應(yīng)關(guān)系,通過設(shè)置不同溫度而獲得不同的輻射能量),實現(xiàn)對光電跟蹤性能的測試。

控制系統(tǒng)主要由工控機、運動控制系統(tǒng)組成。工控機運行上位機控制軟件,通過RS232接口接收主控系統(tǒng)發(fā)送的外部控制指令,生成黑體溫控指令和目標運動指令,運動控制系統(tǒng)接收工控機指令,控制目標在視場范圍內(nèi)的快速運動,如圖2所示。

圖1 測試系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of test system

圖2 控制系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of control system

目標模擬器包括二維運動平臺和靶標組件,靶標組件模擬無窮遠處不同張角的目標,由單點靶標和多點靶標組成。靶標固定在運動平臺上,接收運動控制指令,實現(xiàn)航向、俯仰方向的運動,模擬目標運動軌跡,運動軌跡包括圓周運動、正弦運動、余弦運動,也可根據(jù)戰(zhàn)術(shù)目標的運動參數(shù)自定義運動曲線。設(shè)備如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)配置Fig.3 Configuration of test system

技術(shù)參數(shù)如下:

準直光學系統(tǒng)波段:3～5 μm、8～12 μm；

焦距:500 mm；

視場:6.71°×5.38°；

光學出瞳口徑:250 mm；

靶標尺寸:0.03～3 mm；

靶標運動精度:±5 μm；

跟蹤角度精度:±2″。

3 測試流程

開始測試時,設(shè)置黑體溫度和靶標運動曲線,待黑體溫度穩(wěn)定后,靶標開始運動,跟蹤系統(tǒng)傳感器對靶標成像并啟動跟蹤,測控計算機通過圖像采集卡采集跟蹤系統(tǒng)輸出的視頻圖像,計算跟蹤脫靶量,評估滿足脫靶量要求的跟蹤最大角速度和最大角加速度位于準直光學系統(tǒng)焦平面處的運動靶標模擬無窮遠運動目標,其角速度和角加速度的計算方法如下:

以X方向正弦運動為例,靶標的運動方程為:

x=Asin(2πft)

式中,x為靶標水平方向偏離視場中心的角度值,單位(°)；A為振幅,單位(°)；f為頻率,單位(Hz)。

靶標X方向的角速度為:

靶標X方向的角加速度為:

由此可見,運動過程中最大角速度為2πfA,最大角加速度為(2πf)2A。

測試時,根據(jù)跟蹤系統(tǒng)戰(zhàn)技指標要求,計算得到跟蹤最大角速度和最大角加速度,并依據(jù)計算結(jié)果設(shè)置靶標運動的頻率f和振幅A,觀察靶標跟蹤情況,并采集跟蹤視頻,計算跟蹤過程中方位和俯仰方向的跟蹤精度,在跟蹤精度滿足系統(tǒng)要求時,得到跟蹤系統(tǒng)的最大角速度和最大角加速度,跟蹤精度計算公式如下:

式中,θ為方位(或俯仰)跟蹤精度;α1為第一幀方位(或俯仰)偏差;αn為第n幀方位(或俯仰)偏差。

4 測試過程實例

4.1 根據(jù)戰(zhàn)技指標要求計算跟蹤過程中目標最大角速度和角加速度

以某跟蹤系統(tǒng)為例,跟蹤目標為相距d的平飛目標,目標運動速度為v,如圖4所示。

圖4 目標角速度計算Fig.4 Target angular velocity calculation

在目標從跟蹤系統(tǒng)左前方30°到右前方30°的飛行過程中,目標相對于跟蹤系統(tǒng)的角度為α,目標相對于跟蹤系統(tǒng)的角速度為w,目標相對于跟蹤系統(tǒng)的角加速度為a,則:

=-vd/[d2+(L-vt)2]

通過求導求極值可知:

當α= 0°時,|w|取最大值,且：

|wmax|=v/d

當α= 30°時,|a|取最大值,且：

以距離d為4 km,速度v為400 m/s為例,其最大角速度和最大角加速度分別為:

|wmax|=0.1/s

4.2 設(shè)置靶標運動參數(shù)

(1)選擇正弦運動時,計算對應(yīng)最大角速度和最大角加速度的正弦運動振幅和頻率,并依據(jù)計算結(jié)果設(shè)置目標運動振幅和頻率。

2πfA=0.1

(2πf)2A=0.006495

根據(jù)該式計算后,得到的A過大,超出視場范圍,因此,可先將A設(shè)置為最大視場半角,該系統(tǒng)中,A為3°,由以上兩式得到分別對應(yīng)于最大角速度和最大角加速度的f1和f2,取其中較大值作為目標進行正弦運動的頻率f。

f1=0.303 Hz

f2=0.056 Hz

則目標正弦運動的頻率f選擇0.303 Hz,振幅選擇3°。

可依據(jù)方位和俯仰方向的不同跟蹤性能要求分別進行方位和俯仰方向的正弦運動測試,與圓周運動(相當于同時進行方位和俯仰方向的正弦運動)相比,便于分析和定位問題。

由于正弦運動初始速度最大,短時間內(nèi)速度從0增加到最大速度,初始加速度有可能超過設(shè)計要求,在這種情況下,有可能跟蹤系統(tǒng)不能實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤,此時可采用余弦運動。

(2)選擇圓周運動時,計算對應(yīng)最大角速度和最大角加速度的圓周運動的半徑和頻率,并依據(jù)計算結(jié)果設(shè)置目標運動半徑和頻率。

靶標相對跟蹤系統(tǒng)光軸的角度為R,則靶標角速度w和角加速度a分別為:

w=2πfR

a=(2πf)2R

式中,f為旋轉(zhuǎn)頻率。

R取最大視場半角3°,此時由以上兩式同樣可得到分別對應(yīng)于最大角速度和最大角加速度的f1和f2,取其中較大值作為目標進行正弦運動的頻率f。

f1=0.303 Hz

f2=0.056 Hz

則目標圓周運動的頻率f選擇0.303 Hz,半徑選擇3°。

(3)靶標運動模式還可根據(jù)用戶需要定義,或者通過外場所采集的實際運動目標的視頻圖像自動生成靶標運動曲線。

生成靶標運動曲線的流程如圖5所示。

圖5 目標運動曲線生成流程

4.3 啟動跟蹤,穩(wěn)定跟蹤后計算跟蹤脫靶量

跟蹤系統(tǒng)傳感器對準準直系統(tǒng),高精度電機控制靶標依據(jù)所設(shè)置的運動參數(shù)運動,跟蹤系統(tǒng)對其啟動跟蹤,測控計算機采集跟蹤圖像,若能在一段時間內(nèi)(本次試驗為7 min)保持對目標的跟蹤,如圖6所示,則計算跟蹤過程中的脫靶量,若脫靶量滿足要求,則說明跟蹤性能滿足所設(shè)置的最大角速度和最大角加速度要求。若在一段時間后目標跟蹤丟失,如圖7所示,則說明跟蹤性能不滿足所設(shè)置的最大角速度和最大角加速度要求,需調(diào)試系統(tǒng)后重新測試。

圖6 目標跟蹤狀態(tài)Fig.6 Target tracking status

圖7 目標跟蹤丟失狀態(tài)Fig.7 Target tracking loss status

脫靶量計算過程如下所示:

(1)讀取跟蹤圖像,選取目標所在區(qū)域,如圖8、9所示；

(2)對所在區(qū)域圖像進行二值化處理后(如圖10所示),得到目標質(zhì)心坐標,計算質(zhì)心坐標與圖像中心坐標的方位和俯仰差值,并以圖像幀數(shù)為橫坐標,距離為縱坐標,繪制出脫靶量曲線圖,如圖11所示。

(3)分別計算出方位和俯仰方向的跟蹤精度,若跟蹤精度滿足系統(tǒng)要求,則測試完成；若跟蹤精度不滿足要求,則需要調(diào)試后重新測試。

圖8 讀取跟蹤圖像Fig.8 Tracking image reading

圖9 選取目標區(qū)域Fig.9 Target area selection

圖10 二值化處理目標圖像Fig.10 Target image binarization

圖11 脫靶量曲線圖Fig.11 Miss distance curve

根據(jù)圖12的方位和俯仰偏差,可得到方位跟蹤精度為6.6 pix,俯仰跟蹤精度為6.0 pix,根據(jù)傳感器每像素瞬時視場,可得到方位和俯仰跟蹤精度所對應(yīng)的角度值。

圖12 脫靶量數(shù)據(jù)表Fig.12 Miss distance data sheet

5 結(jié) 論

跟蹤最大角速度和最大角加速度是評價光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤性能的主要參數(shù),本文所提出的光電跟蹤測試系統(tǒng)采用透射式中長波準直光學系統(tǒng),與反射式系統(tǒng)相比,視場更大,靶標不僅可進行圓周運動和正余弦運動,還可依據(jù)外場采集視頻中的實際目標運動軌跡進行運動,因此可模擬具有復雜運動特性的目標,靶標運動精度高,總的來說,該系統(tǒng)具有大視場、高精度、運動模式多樣、結(jié)構(gòu)簡單的特點,可實現(xiàn)實驗室內(nèi)對光電跟蹤最大角速度和最大角加速度的高精度測試。