(1.北京交通大學(xué) 機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)具有被動性制動隱蔽性能良好等優(yōu)點，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，建立一個多功能模擬系統(tǒng)對真實環(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。半實物仿真具有成本較低，方便快捷的特點，半實物仿真系統(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

在實際制導(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，信息處理機處理相關(guān)信息后對控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)控制指令。

多功能模擬系統(tǒng)整體需實現(xiàn)對試驗過程中點目標(biāo)模擬系統(tǒng)的運動、黑體溫度、數(shù)據(jù)采集等進(jìn)行控制并實現(xiàn)對試驗狀態(tài)、試驗圖像數(shù)據(jù)的采集存儲，完成對試驗圖像數(shù)據(jù)特征的統(tǒng)計。

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)引頭主要實現(xiàn)二維運動和圖像采集兩大功能，可采用二維轉(zhuǎn)臺搭載紅外相機實現(xiàn)[6]?？刂葡到y(tǒng)由溫度控制、運動控制、串口控制、紅外相機控制等組成。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]。運動控制主要控制導(dǎo)引頭二維運動和紅外目標(biāo)一維運動。串口控制主要實現(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)等多個系統(tǒng)，上位機通過控制軟件統(tǒng)一進(jìn)行指令發(fā)送以實現(xiàn)系統(tǒng)動作。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，與此同時軟件控制采集系統(tǒng)對復(fù)合圖像進(jìn)行采集處理，各系統(tǒng)間協(xié)調(diào)運行完成整個模擬實驗。

2 控制系統(tǒng)搭建

2.1 運動控制設(shè)計

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

圖2 運動控制系統(tǒng)圖

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

2.2 溫度控制設(shè)計

溫度控制主要對黑體進(jìn)行控制溫度控制以實現(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，控制方便等優(yōu)點，本系統(tǒng)中黑體選取加熱板為XH-RJ505020型號，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三個參數(shù)，因此溫度控制系統(tǒng)中參數(shù)整定采用經(jīng)驗整定法實現(xiàn)，通過大量實驗數(shù)據(jù)獲取Kp,Ki,Kd三個參數(shù)，最終系統(tǒng)3個參數(shù)大小為Kp=1.5，Ki=0.28，,Kd=0，調(diào)節(jié)時間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：上位機獲取調(diào)節(jié)溫度目標(biāo)值，與當(dāng)前溫度做差，得到一個差值，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，使用0 V調(diào)節(jié)，并驅(qū)動程控電源調(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。

一次實驗數(shù)據(jù)如下表1所示，該實驗完成了從室溫到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 一次升溫降溫實驗數(shù)據(jù)記錄

2.3 串口控制

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

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

快門控制主要用于控制激光的通斷。

熱像儀相機主要用于控制相機、調(diào)節(jié)相機性能。

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、圖像采集板卡、紅外相機構(gòu)成采集處理系統(tǒng)如下圖4所示。上位機發(fā)送采集指令采集板卡控制相機進(jìn)行圖像采集。

圖4 圖像采集系統(tǒng)

受限于紅外相機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)需要對目標(biāo)圖像進(jìn)行顯示，因此需要對圖像像素進(jìn)行轉(zhuǎn)化，采用Opencv庫函數(shù)對原來像素點進(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。圖像的動態(tài)顯示采用opencv的CvvImage類進(jìn)行顯示，在MFC中picture control中動態(tài)的刷新圖片，達(dá)到圖片的動態(tài)顯示已實現(xiàn)目標(biāo)的動態(tài)跟蹤。

圖5 圖像像素轉(zhuǎn)化結(jié)果對比圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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個功能模塊、自動動作模塊等三大部分。軟件功能模塊如圖6所示。軟件啟動時完成磁盤管理等相關(guān)初始化，進(jìn)入軟件點擊初始化主要完成對板卡的初始化和變量的初始化。

圖6 測試軟件結(jié)構(gòu)組成

3.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計，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)動層、控制層。其中，界面主要以模塊分塊設(shè)計、自動測試、軟件初始化退出三部分，模塊分塊設(shè)計主要針對不同硬件進(jìn)行設(shè)計，自動測試部分在軟件界面進(jìn)行文本選擇并啟動測試，軟件初始化退出功能主要設(shè)計部分硬件初始化、變量初始化、磁盤檢測、軟件退出等。驅(qū)動層主要負(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)傳輸錯誤，界面卡死等情況?？刂茖右彩亲畹讓?，負(fù)責(zé)對各硬件的控制，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?？刂茖又饕獙崿F(xiàn)溫度控制、激光控制、紅外控制、快門控制、運動控制、紅外相機控制、電源控制、圖像算法處理模塊。

運動控制主要對既有API函數(shù)進(jìn)行二次封裝，運動控制模塊以一個類單獨實現(xiàn)，類中對不同運動方式、開始、停止、采集運動位置等功能進(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現(xiàn)，軟件對應(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態(tài)顯示當(dāng)前黑體溫度，用戶可通過點擊各個模塊功能按鈕實現(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)臺模塊主要實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺的控制，主要實現(xiàn)了直線運動、往復(fù)運動、回零運動等多種運動模式。熱像儀模塊完成圖像實時顯示和實時處理以及對熱像儀紅外相機的控制。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)計了按照文本運動功能，該功能可以實現(xiàn)按照用戶寫入指令系統(tǒng)自動運動的功能，用戶按照指令標(biāo)識字段在txt文件中按照順序?qū)懭胫噶?，軟件將按照指令順序?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)具有被動制導(dǎo)隱蔽性好的優(yōu)點但是極易受到激光干擾[11-12]。本次實驗采用該系統(tǒng)對紅外制導(dǎo)激光干擾進(jìn)行仿真模擬。

仿真主要分為系統(tǒng)啟動、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，配置實驗環(huán)境。系統(tǒng)啟動后，啟動軟件，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)在視場中，此時立即停止搜尋，使用系統(tǒng)回零功能將紅外熱源置于視場中央。

3)采集紅外圖像?；亓愫蟠蜷_紅外熱源一維運動臺，使得紅外目標(biāo)在1°范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)往復(fù)運動，采集圖像采集系統(tǒng)對紅外圖像進(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，紅外目標(biāo)在視場成像較弱，此時若有其它強光進(jìn)行干擾，由于軟硬件的識別能力將會出現(xiàn)對敵方目標(biāo)識別偏差的情況。

圖8 紅外目標(biāo)捕獲圖像

采用MATLAB對紅外目標(biāo)圖像亮度分布進(jìn)行分析。分別對其圖像亮度三維圖和峰值坐標(biāo)圖進(jìn)行了分析計算顯示[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將變得很大，該區(qū)域進(jìn)過處理識別質(zhì)心后即可作為精確打擊目標(biāo)。

圖9 光強三維圖

圖10 光強坐標(biāo)顯示圖

5)激光進(jìn)行干擾。一段時間后，打開激光并調(diào)節(jié)相應(yīng)亮度，最后打開快門，此時在強烈的激光照射下，模擬導(dǎo)引頭視場將出現(xiàn)兩個光斑，系統(tǒng)依舊對圖像數(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

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

圖12 光強三維圖

圖13 光強坐標(biāo)顯示圖

該仿真實驗表明強烈激光照射到紅外相機后，由于激光大量占據(jù)相機飽和元，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)、紅外點源模擬系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信息處理機。幾大模塊互相配合工作，完成模擬實驗。該系統(tǒng)大大降低了現(xiàn)場做試驗的成本，可以多次模擬多種類型制導(dǎo)相關(guān)實驗。