，,

(中國(guó)人民解放軍 92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

艦載遙測(cè)系統(tǒng)以其海上機(jī)動(dòng)性能以及遠(yuǎn)海布站的優(yōu)勢(shì)，在海上靶場(chǎng)遠(yuǎn)距離飛行目標(biāo)的測(cè)控保障中，發(fā)揮著不可替代的作用。但是，艦載遙測(cè)系統(tǒng)也有弱點(diǎn)，在近距離、低仰角跟蹤捕獲目標(biāo)時(shí)，接收的無(wú)線電信號(hào)易被海面反射造成干擾，進(jìn)而影響對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。而紅外跟蹤系統(tǒng)具有的自動(dòng)捕獲跟蹤功能，能彌補(bǔ)遙測(cè)在近海面工作的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)檢測(cè)、捕獲與跟蹤，完成復(fù)雜海面場(chǎng)景至天空背景下目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)和光電成像系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和穩(wěn)定高精度跟蹤測(cè)量,極大提高了遙測(cè)系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)概率。簡(jiǎn)單的說(shuō)，艦載遙測(cè)和光學(xué)跟蹤設(shè)備的集成有利于實(shí)現(xiàn)資源共享，功能互補(bǔ)，能有效提高艦載遙測(cè)系統(tǒng)近距離和低仰角跟蹤的綜合性能[1]。同時(shí)，對(duì)于沒(méi)有遙測(cè)合作設(shè)備的目標(biāo)或飛行器，紅外跟蹤系統(tǒng)也可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)跟蹤測(cè)量，這是傳統(tǒng)的遙測(cè)所不具備的能力。

1 紅外電視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外電視系統(tǒng)主要包括光學(xué)鏡頭設(shè)備和管理計(jì)算機(jī)。光學(xué)鏡頭設(shè)備安裝在遙測(cè)系統(tǒng)主天線俯仰臂上，主天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初就考慮光軸、電軸及標(biāo)校軸的一致性，便于紅外設(shè)備的安裝及標(biāo)校。管理計(jì)算機(jī)安裝在遙測(cè)終端設(shè)備機(jī)柜中，通過(guò)遙測(cè)伺服控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)主天線的驅(qū)動(dòng)控制。系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

圖1 紅外電視系統(tǒng)組成原理圖

1.1 主要功能

1.1.1 目標(biāo)跟蹤功能

能夠自動(dòng)捕獲、跟蹤目標(biāo)；實(shí)時(shí)輸出跟蹤目標(biāo)的圖像，供監(jiān)視、顯示使用；實(shí)時(shí)記錄視頻圖像；自動(dòng)捕獲跟蹤目標(biāo)，將脫靶量信息實(shí)時(shí)輸出給遙測(cè)伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)天線鎖定跟蹤目標(biāo)；實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)時(shí)，可以方便實(shí)現(xiàn)紅外電視跟蹤與遙測(cè)跟蹤間的相互切換，共同完成目標(biāo)跟蹤。

1.1.2 標(biāo)校功能

字符顯示功能；時(shí)間碼解調(diào)功能；游標(biāo)移動(dòng)功能；十字絲顯示功能；串口收發(fā)數(shù)據(jù)功能。

1.2 光學(xué)鏡頭設(shè)備

光學(xué)鏡頭由紅外光學(xué)系統(tǒng)(兩檔定焦望遠(yuǎn)鏡)、頭部控制小系統(tǒng)、紅外探測(cè)器和高速圖像處理系統(tǒng)四部分組成。三維圖如圖2所示。

圖2 光學(xué)鏡頭箱體剖面圖

1.2.1 紅外光學(xué)系統(tǒng)

1.2.1.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的確定，主要考慮如下幾點(diǎn)因素，第一探測(cè)能力即作用距離，第二是捕獲跟蹤目標(biāo)的視場(chǎng)要和遙測(cè)的跟蹤誤差相匹配，第三是跟蹤精度即實(shí)時(shí)的測(cè)量精度，既要滿足跟蹤穩(wěn)定性又要滿足標(biāo)校精度的要求。

對(duì)于探測(cè)能力，由于測(cè)量的目標(biāo)離海面距離很近，受大氣衰減等影響，同時(shí)考慮光學(xué)鏡頭的體積、重量及對(duì)遙測(cè)天線的影響等因素，選擇了光學(xué)系統(tǒng)口徑D≥140 mm的尺寸，在保證探測(cè)能力的同時(shí)也獲得較小的體積重量。

關(guān)于捕獲跟蹤目標(biāo)的視場(chǎng)和遙測(cè)的跟蹤誤差相匹配，前期的外引導(dǎo)誤差較大，一般達(dá)到20′，探測(cè)視場(chǎng)為引導(dǎo)誤差的3倍才能保證目標(biāo)在視場(chǎng)中，則探測(cè)視場(chǎng)在1°左右，光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)考慮如下：

1)光學(xué)系統(tǒng)口徑D≥140 mm；

2)光學(xué)系統(tǒng)焦距f=260 mm/520 mm兩檔，電控變倍；

3)視場(chǎng)：寬視場(chǎng)1.8°×1.4°；窄視場(chǎng)0.9°×0.7°；

4)溫度調(diào)焦：電控溫度調(diào)焦；

5)電控變倍時(shí)間：≤2.5 s。

1.2.1.2 光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)

1.2.1.2.1 窄視場(chǎng)時(shí)(f=520 mm)：

1)彌散斑半徑<8.2 μm；

2)MTF>55%@17l p/mm；

3)全視場(chǎng)>75%的能量集中在半徑15 μm的圓內(nèi)；

4)最大畸變<2%；

5)全視場(chǎng)相對(duì)照度>84%。

1.2.1.2.2 寬視場(chǎng)時(shí)(f=260 mm)：

1)彌散斑半徑<8 μm；

2)MTF>55%@17l p/mm；

3)全視場(chǎng)>75%的能量集中在半徑15 μm的圓內(nèi)；

4)最大畸變<2%；

5)全視場(chǎng)相對(duì)照度>84%。

1.2.2 紅外探測(cè)器

1)探測(cè)器：采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)IRCCD，工作波段3～5 μm，器件材料HgCdTe，像素分辨率320×256，像元尺寸30×30 μm，探測(cè)最小溫差≤30 mk；

2)積分時(shí)間設(shè)置：可手動(dòng)調(diào)節(jié)探測(cè)器積分時(shí)間；

3)工作幀頻：100 Hz或50 Hz可調(diào)；

4)可輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號(hào)。

1.2.3 高速圖像處理系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)快速捕獲和對(duì)多種類型目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤，采用高速DSP和大規(guī)模可編程邏輯陣列FPGA的全數(shù)字高速圖像處理系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)快速自動(dòng)捕獲目標(biāo)功能。

設(shè)備加電后，處理系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入搜索狀態(tài)開(kāi)始搜索目標(biāo)，充分利用FPGA的高速并行功能，DSP對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行全視場(chǎng)實(shí)時(shí)處理，一旦目標(biāo)進(jìn)入探測(cè)器視場(chǎng)設(shè)備將快速自動(dòng)捕獲目標(biāo)，送出目標(biāo)的脫靶量數(shù)據(jù)。

2)自動(dòng)跟蹤功能。

對(duì)多種類型目標(biāo)，DSP程序設(shè)計(jì)和調(diào)用不同的跟蹤處理算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種類型目標(biāo)自動(dòng)跟蹤功能。輸出有效目標(biāo)偏離視場(chǎng)中心的偏差量到遙測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)遙測(cè)系統(tǒng)選擇該誤差量作為跟蹤誤差，完成對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。便于遙測(cè)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)時(shí)方便實(shí)現(xiàn)紅外跟蹤與遙測(cè)跟蹤間的相互切換，共同完成對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

3)紅外數(shù)字圖像增強(qiáng)功能。

為提高系統(tǒng)對(duì)紅外弱目標(biāo)的探測(cè)能力，高速圖像處理系統(tǒng)對(duì)紅外數(shù)字圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。

4)處理后的圖像顯示功能。

將處理后的圖像疊加字符后經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像送到機(jī)下顯示，以實(shí)時(shí)輸出跟蹤目標(biāo)的直觀圖像。視場(chǎng)中心的十字絲可顯示或隱藏。

1.2.4 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)除耐環(huán)境設(shè)計(jì)外，為了保證方便使用，采用手動(dòng)和自動(dòng)一體的開(kāi)閉蓋設(shè)計(jì)，即可以用手扳動(dòng)保護(hù)蓋，也可以自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)鏡頭的保護(hù)蓋。同時(shí)，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中加裝了溫度和壓力傳感器，可以將望遠(yuǎn)鏡箱體內(nèi)的溫度和壓力送給管理計(jì)算機(jī)，能更清楚了解鏡頭內(nèi)的各種情況，便于故障診斷。

1.3 管理計(jì)算機(jī)

管理計(jì)算機(jī)基于CPCI總線結(jié)構(gòu)，包括圖像數(shù)據(jù)接收板、高速數(shù)字DSP處理板以及圖像處理軟件。

1.3.1 圖像數(shù)據(jù)接收板

負(fù)責(zé)接收?qǐng)D像處理系統(tǒng)下傳的圖像及脫靶量數(shù)據(jù)，和DSP處理板通過(guò)插針棧接在一起，體積小、功耗低，可靠性高。將圖像處理系統(tǒng)放置于紅外光學(xué)鏡頭內(nèi)，將減少下傳數(shù)據(jù)電纜線，只需采用RS422方式即可將脫靶量數(shù)據(jù)下傳，這樣使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔、可靠。硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 DSP處理板

采用高性能的DSP和大規(guī)?？删幊踢壿嬯嚵蠪PGA相結(jié)合，將大量的流水線的耗時(shí)運(yùn)算和多重并行運(yùn)算放在FPGA中實(shí)現(xiàn)，充分利用FPGA和DSP緊耦合結(jié)構(gòu)共同完成信號(hào)處理及智能決策[2]。處理板原理圖如圖4所示。

圖4 DSP處理板原理框圖

DSP處理板首先接收控制信號(hào)，解析出游標(biāo)上、下、左、右移動(dòng)控制時(shí)的中心角度偏差值，然后接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)接收板送來(lái)的目標(biāo)脫靶量并送給遙測(cè)控制系統(tǒng)，最后接收天線控制器的跟蹤狀態(tài)和實(shí)時(shí)角信息以及時(shí)間信號(hào)，并和大十字絲、游標(biāo)、字符一起疊加到實(shí)時(shí)圖像中。將疊加后的圖像信號(hào)通過(guò)DA轉(zhuǎn)換形成標(biāo)準(zhǔn)PAL圖像在處理軟件上顯示。

1.3.3 圖像處理軟件

1)算法的智能決策。

針對(duì)目標(biāo)特性及其環(huán)境，圖像處理軟件采用多結(jié)構(gòu)元目標(biāo)檢測(cè)算法、邊緣跟蹤算法以及特征跟蹤等多種算法[3]，完成目標(biāo)在空中、近地面以及海天背景等場(chǎng)景下的檢測(cè)與跟蹤。

目標(biāo)在視場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜多變：由近及遠(yuǎn)，由遠(yuǎn)及近，有大有小，有亮有暗，背景有簡(jiǎn)單和復(fù)雜。因此，在跟蹤算法中要采取如下措施：

根據(jù)目標(biāo)的大小對(duì)跟蹤處理區(qū)域進(jìn)行自適應(yīng)變化，圖像處理程序中設(shè)計(jì)了兩檔跟蹤窗大小，以滿足任務(wù)過(guò)程中目標(biāo)變化的需要；根據(jù)目標(biāo)的大小，選擇應(yīng)用小目標(biāo)跟蹤算法和擴(kuò)展目標(biāo)跟蹤算法；根據(jù)背景的非均勻性，選擇應(yīng)用形心跟蹤算法和邊緣跟蹤算法；根據(jù)目標(biāo)的個(gè)數(shù)以及需要跟蹤目標(biāo)的類型，選擇應(yīng)用單目標(biāo)跟蹤還是多目標(biāo)跟蹤；根據(jù)背景的復(fù)雜度，選擇應(yīng)用基于灰度跟蹤算法和基于特征跟蹤算法[4]；在天空有云、天地背景以及海天背景等環(huán)境下，軟件具有多算法并行處理能力，以適應(yīng)多種場(chǎng)景下對(duì)目標(biāo)的可靠提取與穩(wěn)定跟蹤；根據(jù)目標(biāo)的搜索和跟蹤狀態(tài)，選擇不同的跟蹤算法?？傊瑘D像處理軟件設(shè)計(jì)要盡量做到減少人工干預(yù)，滿足自動(dòng)跟蹤處理的要求。

2)軟件接口。

對(duì)高速數(shù)字圖像處理系統(tǒng)送過(guò)來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)視頻(疊加有字符)圖像進(jìn)行軟解壓后實(shí)時(shí)顯示、記錄和存儲(chǔ)。

通過(guò)串口對(duì)紅外探測(cè)器進(jìn)行非均勻校正和積分時(shí)間設(shè)置，同時(shí)對(duì)光學(xué)鏡頭小系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)焦和變倍控制。

通過(guò)串口與高速圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并對(duì)高速圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行控制選擇；接收脫靶量，回送控制信號(hào)；手動(dòng)、自動(dòng)選擇域值調(diào)節(jié)，算法選擇(分離目標(biāo)、固定目標(biāo)、海面目標(biāo))，十字絲顯示隱藏。

通過(guò)串口與遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，送脫靶量給遙測(cè)，并接收遙測(cè)的時(shí)間信息。軟件界面如圖5所示。

圖5 圖像處理軟件界面

2 艦載遙測(cè)原理

2.1 伺服跟蹤

艦載遙測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，天線在伺服分系統(tǒng)的控制下指向預(yù)定空域，搜索目標(biāo)遙測(cè)信號(hào)，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，伺服分系統(tǒng)會(huì)根據(jù)遙測(cè)基帶產(chǎn)生的跟蹤誤差信號(hào)、或者由其它跟蹤方式產(chǎn)生的指令信號(hào)與天線指向角信號(hào)相比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波變換、數(shù)字處理和放大輸出，驅(qū)動(dòng)天線指向目標(biāo)。艦載與陸基遙測(cè)系統(tǒng)最大區(qū)別在于，系統(tǒng)需進(jìn)行隔離船搖擾動(dòng)設(shè)計(jì)[5-6]。

執(zhí)行任務(wù)時(shí)，伺服系統(tǒng)首先依據(jù)局部基準(zhǔn)分系統(tǒng)提供的橫搖、縱搖及航向信息，采用高精度數(shù)學(xué)解耦算法來(lái)實(shí)現(xiàn)天線指向的甲板角與大地角之間的轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)天線指向預(yù)定目標(biāo)空域。在局部基準(zhǔn)分系統(tǒng)信息不可用的情況下使用船上綜合導(dǎo)航系統(tǒng)提供的橫搖、縱搖及航向信息。未捕獲到目標(biāo)信號(hào)之前，可以在預(yù)定目標(biāo)空域進(jìn)行搜索，搜索可以是俯仰或方位單軸進(jìn)行，也可以是雙軸同時(shí)進(jìn)行。天線接收到目標(biāo)信號(hào)后，當(dāng)接收信號(hào)的AGC電平、鎖定信號(hào)、誤差信號(hào)滿足給定條件時(shí)，天線進(jìn)入自跟蹤狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的平穩(wěn)準(zhǔn)確跟蹤。

伺服系統(tǒng)的天線形式是拋物面天線加寬波束平板跟蹤接收天線。當(dāng)目標(biāo)速度較快、距離過(guò)近或拋物面天線意外丟失目標(biāo)時(shí)，依靠寬波束接收天線的寬波束，在較大范圍內(nèi)仍可接收到目標(biāo)遙測(cè)信號(hào)并跟蹤。當(dāng)跟蹤低仰角飛行目標(biāo)時(shí)，由于海面反射影響，產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，導(dǎo)致跟蹤目標(biāo)抖動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至丟失目標(biāo)。因此，在低仰角跟蹤目標(biāo)時(shí)，采用平滑濾波算法及利用波束寬度限制天線仰角等措施，確保跟蹤平穩(wěn)。

2.1.1 采用DSP的天線數(shù)字控制技術(shù)

動(dòng)平臺(tái)下伺服系統(tǒng)接口眾多，需要接收三路慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、接收機(jī)數(shù)據(jù)、天線驅(qū)動(dòng)單元上傳數(shù)據(jù)、紅外脫靶量數(shù)據(jù)、按鍵信息、推桿信息等。采用C6000浮點(diǎn)型DSP和FPGA結(jié)合，極大程度的滿足伺服系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，便于控制裝置的升級(jí)擴(kuò)展[7]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天線伺服系統(tǒng)的高精度控制。

2.1.2 陀螺穩(wěn)定環(huán)加船搖速度補(bǔ)償

陀螺穩(wěn)定策略主要利用天線俯仰臂上速率陀螺敏感出天線方位俯仰速率進(jìn)行閉環(huán)控制[8]。船搖速度補(bǔ)償策略，利用采集船上慣導(dǎo)設(shè)備的船搖速度信息進(jìn)行坐標(biāo)變換，得出天線伺服系統(tǒng)方位俯仰軸的速度環(huán)路補(bǔ)償量，實(shí)現(xiàn)船搖速度補(bǔ)償算法。采取增加船搖速度補(bǔ)償算法能夠有效提高天線伺服系統(tǒng)隔離船搖的能力[9]，提高天線伺服系統(tǒng)的測(cè)量精度。

2.2 數(shù)據(jù)解調(diào)

天線捕獲射頻信號(hào)并進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，包含遙測(cè)信號(hào)及跟蹤角誤差信號(hào)的左、右旋信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大器放大，通過(guò)高頻電纜饋送到射頻耦合網(wǎng)絡(luò)，左、右旋信號(hào)分路后進(jìn)入S頻段下變頻器，經(jīng)混頻、濾波、放大，輸出70 MHz中頻信號(hào)送至遙測(cè)基帶，遙測(cè)基帶在70 MHz中頻直接采樣，其后處理全部以數(shù)字信號(hào)的形式在數(shù)字域中進(jìn)行，并將解調(diào)出的角誤差信號(hào)送伺服系統(tǒng)，完成對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤[10]；載波解調(diào)后的視頻信號(hào)在遙測(cè)基帶中經(jīng)碼同步、幀同步和副幀同步器的相關(guān)處理，形成遙測(cè)數(shù)據(jù)幀，在遙測(cè)軟件的管理下，完成實(shí)時(shí)、事后數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)存盤等工作。如果數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加密處理，則遙測(cè)基帶輸出的數(shù)據(jù)送解密機(jī)進(jìn)行解密，解密后的數(shù)據(jù)再送回遙測(cè)基帶進(jìn)行解調(diào)處理[11]。

3 遙測(cè)/紅外跟蹤設(shè)計(jì)

3.1 基于Kalman濾波的目標(biāo)位置和速度預(yù)測(cè)分析

在圖像處理過(guò)程中,由于面臨復(fù)雜的場(chǎng)景,使得圖像處理方法在提取目標(biāo)的過(guò)程中易受到場(chǎng)景中背景信號(hào)的干擾，勢(shì)必對(duì)定位目標(biāo)在圖像中的位置造成干擾，即提取的目標(biāo)位置出現(xiàn)偏差，該有偏差的脫靶量送入跟蹤控制系統(tǒng)中，導(dǎo)致對(duì)目標(biāo)的跟蹤晃動(dòng)，帶來(lái)較大的跟蹤誤差。因此，為提高系統(tǒng)的跟蹤穩(wěn)定性和跟蹤精度，需要對(duì)圖像處理的脫靶量進(jìn)行濾波預(yù)測(cè)處理，以獲得穩(wěn)定、連續(xù)、更高精度的角度測(cè)量數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步預(yù)測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，該速度可作為跟蹤控制系統(tǒng)的速度順饋信息參與跟蹤控制，從而進(jìn)一步提高穩(wěn)定性和跟蹤精度。

Kalman濾波是一種能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)目標(biāo)位置和速度的方法,它用狀態(tài)轉(zhuǎn)移法把干擾和信號(hào)看成是動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)，然后用統(tǒng)計(jì)特性估算出它的大小，再?gòu)男盘?hào)中濾除，得到信號(hào)的真值。

3.1.1 目標(biāo)位置的表示

根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡特性分析，在一段時(shí)間內(nèi)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以用多項(xiàng)式表示，在滿足預(yù)測(cè)精度的情況下，在Kalman濾波中，二次多項(xiàng)式已包含了目標(biāo)的位置、速度、加速度信息，在實(shí)際應(yīng)用中，此3種信息已可滿足要求。因此，采用二次多項(xiàng)式來(lái)表示在一段時(shí)間內(nèi)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。該系統(tǒng)中，測(cè)量數(shù)據(jù)有儀器的角度和脫靶量，由此可以獲得設(shè)備對(duì)目標(biāo)的指向測(cè)量角度，即：

Yai=Ai+ΔAi

(1)

Yei=Ei+ΔEi

(2)

其中：Ai表示設(shè)備方位角度；Ei表示設(shè)備俯仰角度；ΔAi表示方位脫靶量；ΔEi表示俯仰脫靶量；i為不同時(shí)刻；Yai表示在i時(shí)刻目標(biāo)方位角度的測(cè)量值；Yei表示i時(shí)刻目標(biāo)俯仰角的測(cè)量值。

3.1.2 Kalman濾波的數(shù)學(xué)模型

(3)

(4)

(5)

(6)

P=(I-KM)P(I-KM)T+KPKT

(7)

(8)

(9)

將Kalman濾波運(yùn)用于跟蹤系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的跟蹤性能有較大的提升[12]。能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)目標(biāo)的速度，使得速度順饋技術(shù)在設(shè)備中成功實(shí)現(xiàn)；提高了快速捕獲和跟蹤目標(biāo)的能力，使跟蹤更穩(wěn)定，大大提高了跟蹤精度，較好地解決了一般閉環(huán)控制系統(tǒng)普遍存在的跟蹤精度和穩(wěn)定性之間的矛盾。

3.2 遙測(cè)/紅外跟蹤

當(dāng)紅外電視系統(tǒng)捕獲到紅外源后，產(chǎn)生脫靶量信息及鎖定指示，通過(guò)串口送至遙測(cè)伺服控制單元(ACU)。在常規(guī)模式下，例如程序跟蹤、自跟蹤模式下，ACU只接收上述信號(hào)，不做運(yùn)算處理。當(dāng)ACU切換至紅外跟蹤模式后，首先判斷紅外電視鎖定信號(hào)是否有效，若有效，利用紅外系統(tǒng)傳送的脫靶量結(jié)合當(dāng)前天線的方位、俯仰角，通過(guò)kalman濾波算法，估計(jì)出目標(biāo)所處的方位、俯仰角，最終形成天線指向偏離目標(biāo)的方位、俯仰角誤差信息，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)天線運(yùn)轉(zhuǎn)，直至紅外源目標(biāo)處于紅外電視的中心，實(shí)現(xiàn)紅外電視的跟蹤流程。遙測(cè)與紅外跟蹤切換界面如圖6所示。

圖6 遙測(cè)/紅外跟蹤切換軟件界面

4 工程應(yīng)用

以某跟蹤實(shí)例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，圖7(a)給出了遙測(cè)跟蹤與紅外跟蹤方式統(tǒng)計(jì)。圖7(b)給出了遙測(cè)跟蹤與紅外跟蹤的角誤差統(tǒng)計(jì)曲線，采用紅外跟蹤時(shí)角誤差值明顯優(yōu)于遙測(cè)跟蹤時(shí)角誤差值。因此，紅外電視系統(tǒng)與遙測(cè)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)應(yīng)用，能有效提高艦載遙測(cè)系統(tǒng)近距離和低仰角跟蹤性能。

圖7 跟蹤方式及跟蹤角誤差統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過(guò)近兩年的實(shí)際應(yīng)用，該系統(tǒng)無(wú)論是對(duì)被測(cè)目標(biāo)近距離、低仰角的切換，還是對(duì)高動(dòng)態(tài)移動(dòng)目標(biāo)的交接；無(wú)論是對(duì)監(jiān)視區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的預(yù)判，還是對(duì)監(jiān)視區(qū)域外目標(biāo)測(cè)量，完成率均是百分之百。整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性高，大大提高了對(duì)目標(biāo)的測(cè)控能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

遙測(cè)/紅外跟蹤系統(tǒng)并非是將遙測(cè)和紅外系統(tǒng)疊加起來(lái)那么簡(jiǎn)單，而是使整個(gè)系統(tǒng)的捕獲和跟蹤能力獲得了質(zhì)的飛躍，特別是在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的條件下，相信遙測(cè)與紅外數(shù)據(jù)融合方面將有更大的拓展空間。