光电搜索与跟踪（共7篇）
光电搜索与跟踪 篇1
光电跟踪系统是集光、机、电于一体, 由多个分系统组成的光电设备.跟踪精度和响应速度是光电跟踪系统的2个关键指标, 也是系统方案选择的决定因素[1].速度稳定回路是跟踪系统的关键环节, 其性能对系统的跟踪精度有较大的影响, 因此建立被控对象的精确数学模型, 对控制系统的设计有重要意义.针对跟踪环架速度稳定回路的各个环节进行建模, 并对跟踪环架进行了频率特性测试, 运用了最小二乘法拟合测试数据, 取得了被控对象较为精确的数学模型.
1 系统组成及控制原理
系统为安装于移动载体上的光电跟踪系统, 为克服载体运动及空气扰动力矩[2], 系统采用整体稳定的双轴陀螺稳定平台结构.系统由光电探测器、转塔、图像处理计算机、中心控制计算机和信号解调与功放电路5部分组成.光电探测器和陀螺安装在转塔的俯仰环架上, 图像处理计算机主要负责图像采集、目标识别和目标提取, 并将目标的偏差信息发送给中心控制计算机, 经中心控制计算机解算后, 完成对转塔的伺服跟踪控制.系统结构原理示意图如图1所示.
系统可工作在扫描、随动、半自动跟踪、自动跟踪等多种模式下, 不同的工作模式, 控制系统回路结构也不完全相同.在跟踪模式下, 控制回路原理框图如图2所示. 由速度稳定回路组成系统控制内环, 由跟踪回路构成系统控制外环, 组成双闭环控制系统.
2 速度稳定回路模型的建立
根据系统原理框图, 虚线框部分为系统的速度稳定回路, 由校正环节、PWM功放环节、电机及负载、陀螺4个部分组成.在跟踪状态下, 速度稳定环和跟踪环对载体角运动均具有隔离作用, 但跟踪环的采样频率较低, 且跟踪传感器存在延迟环节, 因此, 跟踪回路带宽较窄, 对载体角运动的隔离作用较弱, 系统中主要起隔离作用的是速率稳定环[3].速度稳定回路各环节的模型如下:
(1) 速度稳定回路校正放大环节GTVC (s) , 其结构和参数在速度稳定回路设计时确定.
(2) PWM功放环节GPWM (s) 由两部分组成, 一部分是比例环节, 另一部分是延迟环节
GH (s) =Ke-TPWMs (1)
(3) 被控对象是由电机及负载组成的跟踪环架, 其传递函数为
(4) 速率陀螺的输出为与速度信号成正比的电压信号, 比例因子为
Klf=146.02 (mv/°/s)
传递函数为
Ggyro (s) =Klf (3)
3 跟踪环架频率特性的工程测试
频率特性法是控制系统设计常用的方法, 在分析跟踪环架频率特性的基础上, 建立跟踪环架的数学模型, 依据控制系统性能指标, 绘制期望的频率特性, 设计出校正环节, 使系统达到良好的动态特性和稳态性能. 光电跟踪架的开环频率特性测试原理框图如图3所示.
(1) 由信号发生器产生频率可调、幅值相位固定的正弦信号, 一路经AD转换后送给伺服控制器, 另一路送给示波器;
(2) 伺服控制器根据所采集的正弦信号的符号和数值分别产生控制转轴转动的控制信号, 使转塔框架作正弦摆动, 所摆频率与正弦激励信号相同, 转塔框架摆动的速度由陀螺测量得到, 即将陀螺的输出信号送与示波器显示;
(3) 记录在不同频率下 (ω1、ω2…) 测得输入电压幅值和输出电压幅值, 经计算可得被测系统的对数幅频特性曲线;记录在不同频率下 (ω1、ω2…) 测得输入电压和输出电压的相位差, 经计算可得被测系统的对数相频特性曲线.
按照以上步骤, 对方位跟踪环架进行了测试, 绘出相应的频率特性曲线如图4所示.
4 数据分析与结果仿真
利用MATLAB中的多项式拟合命令[a, s]=polyfit (x, y, n) , 对测试数据进行拟合, 由于多项式的拟合目标是形如y (s) =f (a, x) =a1xn+a2xn-1+…+anx+an+1的n阶多项式模型, 不能
直接用于对频率特性的幅频特性进行拟合, 通过函数变化, 变为可以简单有效处理的线性最小二乘问题[4].被控对象的传递函数为
两边取幅值, 则有
变换后为
令
这样就可直接用二阶多项式进行拟合, 经拟合并计算得
得到被测对象对应的最小相角系统为
延迟环节参数TPWM的确定, ∠G (s) 和∠G1 (s) 的相位差为∠G1 (s) -∠G (s) =TPWMω, 根据相位差的对应关系, 可以求出TPWM=0.005s.
则求得速度稳定回路控制对象的传递函数为
比较试验曲线和拟合传递函数的曲线如图5所 示. 拟合曲线和试验曲线误差分布图如图6所示. 从中可以看出, 经最小二乘法拟合的理论曲线, 在较宽的频率范围内与试验真值保持了良好的一致性.
5 结 束 语
光电跟踪系统是集光、机、电于一体, 由多个分系统组成的光电设备.跟踪精度和响应速度是光电跟踪系统的2个关键指标, 也是系统方案选择的决定因素.建立被控对象的精确数学模型, 对控制系统的设计有重要意义.针对跟踪环架速度稳定回路的各个环节进行建模, 并对跟踪环架进行了频率特性测试, 运用了最小二乘法拟合测试数据, 得到被控对象较为精确的数学模型, 通过仿真可看出试验曲线和拟合曲线在较宽的频率范围内一致.通过建立的控制对象数学模型, 可以更好地根据方位轴系的稳定性能和动态性能要求, 精确的设计校正环节, 从而提高系统的跟踪控制精度.运用该方法也可以对俯仰跟踪环架进行建模, 设计校正环节.此方法还可以对各个闭环跟踪控制回路进行分析, 测试闭环跟踪控制系统的性能指标, 在工程上具有较好的实用性.
参考文献
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红外搜索与跟踪系统发展综述 篇2
由于红外搜索跟踪系统在现代战争中具有重要的应用价值[1,2],因此国外军事大国对此十分重视,一直投入大量的人力物力,竞相研究和发展该项装备。如各种型号的空军机载红外告警系统,海军机载红外搜索与跟踪系统,海军舰载红外搜索与跟踪系统,地基红外搜索与跟踪系统等。
1 红外搜索跟踪系统发展历史
第一代红外搜索跟踪系统(IRST)的发展始于20世纪70年代,大多采用扫描红外探测器的系统,典型的系统如法国电信有限公司的DIBV-1A“旺皮尔”和荷兰信号公司的“伊尔斯坎”系统。然而由于第一代IRST系统过于笨重且系统的虚警率大、稳定性不够,在有雾或高湿度环境下系统的探测距离会严重下降,它们的最大距离也相对有限,而且尺寸非常大、质量重。结果第一代海军红外搜索跟踪系统直到1980年代中期才投入部队使用。它们很难满足军方的作战需求。
第二代红外搜索和跟踪系统。进入90年代以后,随着红外焦平面阵列探测器件、信号处理机和算法软件等都取得了突破性进展,从而为研制第二代舰载红外搜索和跟踪系统提供了可靠的技术保证。法国和荷兰根据研制第一代系统的经验,研制出第二代IRST系统。
发展的典型系统有:“旺皮尔”(VAMPIR)红外搜索跟踪系统。法国研制其MB型用于航空母舰和驱逐舰。“旺皮尔”MB型工作波段为3~5μm和8~14μm;双波段探测头共用一个光学通道,减轻了光学系统的质量,同时系统广泛采用先进的红外探测器、信号处理器和图像处理算法,使得其具有小型化和高效能的特点,而被海军广泛应用。
IRSCAN红外搜索跟踪系统,荷兰研制用于驱逐舰。其扫描头质量约75 kg,转速78转/分钟,俯仰视场14.6°,方位覆盖范围360°,采用1 024元焦平面阵列探测器。工作波段为8~14μm;对飞机探测距离大于15 km。
AN/SAR-8改进型红外搜索与跟踪系统,美国和加拿大联合研制,用于补充舰载雷达警戒系统功能,探测掠海飞行导弹。其技术性能是:扫描头质量约180 kg,视场方位角360°,俯仰角20°;工作波段为3~5μm和8~14μm;探测距离大于30 km。
进入2000年之后,随着超大规模红外焦平面探测器阵列产品的出现、双色和多色探测器的发展。这些探测器规模和性能的提高极大地推动了IRST系统从第二代进入第三代IRST[3,4,5,6],系统的性能得到了全面的提升。
典型的第三代IRST系统。以色列Rafael公司于2006年推出的海上观察者(sea spotter)IRST系统。采用2个中波凝视红外探测器,自动识别从海面到天顶的慢速至超音速以及极小的目标。运用图像处理算法来分析目标运动并确定探测到的是否是敌方目标。据拉法尔公司称,“海上观察者”能把虚警率降低到每24 h一次。跟上一代IRST系统相比,系统的虚警率大大降低。
VAMPIR NG IRST系统是法国Sagem防务安全公司为探测海上威胁而设计。VAMPIR NG为全景监视系统,具有极远程红外搜索和跟踪能力以及远程识别能力,该系统使用一个高分辨率制冷型3~5μm中波面阵焦平面连续扫描成像覆盖全景。采用了最先进的图像处理技术和第三代陀螺稳定红外传感器,系统能够获得最大效能,具有效费比高、探测距离长、能快速捕获来袭目标等特点。能提供高分辨率的全景图像,其监视和预警功能可以增强舰艇自身防御能力。系统还可以辅助直升机降落和控制登陆舰艇动作。图1为该系统示意图。
法国Thales Optronique SA公司的“月亮女神”ARTEMIS IRST系统,ARTEMIS系统是现役装备的第一台分布式凝视全方位IRST系统,具有全景以及宽仰角覆盖探测能力,可同时探测和跟踪空中和海面目标。ARTEMIS系统使用中波大规模红外焦平面阵列,由3个红外传感器头合在一起覆盖方位360°,仰角覆盖25°,更新频率l0 Hz。传感器单元集成在舰上桅杆的顶部。
2 IRST系统关键技术及解决途径
2.1 全方位大覆盖体制的研究
360°全方位覆盖范围包括需要全景观察且无观察盲区,以及具有大高低角覆盖。为了实现这一目的,现有的IRST系统分3种方法实现[7]。
(1)长阵列的红外焦平面阵列扫描加时间延迟积分(TDI)体制
目前装备的第二代红外搜索跟踪系统多采用此体制,在旋转传感器扫过每个位置时,对单独的探测器单元多个串行输出进行延迟并积分成单一的输出以提高信噪比。然而,该扫描机制的系统具有固有的局限性。为了保证所需扫描速率,每个像素上的驻留时间仅为几十微秒量级,导致信噪比低,从而造成探测和航迹判决之间的显著延迟,对虚警率也有不利影响。此外,因这些扫描系统固有的较低刷新率,故削弱了高分辨率带来的益处。图2为线列扫描加时间延迟积分成像示意图。
(2)凝视型焦平面器件体制
这种设计将360°方位视场分割成多个视场,每个红外传感器负责一定区域内的警戒任务,通过多个红外传感器的视场重叠拼接,完成全方位的覆盖。
如泰雷兹公司设计的新一代海军IRST系统ARTEMIS即采用这种体制[8],该系统(如图3)单个红外传感器视场为120°,要完成全方位的覆盖需要3个红外传感器。目前该系统已经在舰上装备。
(3)凝视型焦平面器件快速扫描体制
新一代的IRST系统中有一部分采用凝视型焦平面器件快速扫描体制。这种体制的优点是扫描时可以方位覆盖360°,停止扫描时凝视型焦平面可以做跟踪器使用,且凝视型焦平面器件积分时间比TDI型器件还长。但是在高速扫描状态下,需要解决图像模糊拖影的问题,所以必须采用相应的消像移技术,即保证探测器在积分时间(曝光时间)内景物所成像与焦面没有相对移动。法国的第三代“VAMPIR NG”IRST即采用这种体制,如图4。
2.2 大规格红外焦平面阵列研制
目前国外正在研制的新一代IRST系统上大多采用了第三代大规格红外焦平面阵列,以满足新一代IRST系统在水平方向能够覆盖360°,更大的空间角度分辨率、更快的数据刷新速率和更高的探测灵敏度等要求。
大规格红外焦平面列阵技术是IRST系统的核心技术。目前美国、法国和以色列等国在大规格红外焦平面阵列技术方面的保持领先优势。
2.3 实时图像处理技术
实时图像处理技术是IRST系统的一项关键技术。典型的IRST系统的数据处理流程如图5所示。其中包括目标提取、目标跟踪和目标识别等技术[9]。
由于IRST系统目标成像距离远,在红外图像中是点目标,缺乏尺寸、形状、纹理等结构信息,几乎被复杂的红外背景所淹没,加上光电系统以及红外传感器的内部噪声干扰,致使图像的信噪比极低,给检测任务带来了很大困难。
目前解决这一难题的技术途径通常在目标、背景及干扰源建模、红外信息预处理基础上采用空间滤波和时间滤波对目标进行增强,增强后选择出适用的目标判别方法,确定出判据准则、判别流程以及相关参数。
IRST系统的多目标跟踪阶段对目标在三维空间中沿目标运动轨迹进行多帧累计判决,排除假目标挑选出真实目标[10]。此方法称为数据关联,数据关联是多目标跟踪的关键技术之一,主要的目的是进行目标点与航迹之间的关联,常用的数据关联算法PDA,神经网络算法,多假设算法MHT,多分辨率跟踪算法,最大似然估计MLS与期望值最大化算法EM相结合的递归算法等。
最后,系统还需要对关联输出目标的类型进行甄别,剔除掉地面杂波、飞鸟、太阳反光、云层、海面杂波等干扰物,得到真实的飞行目标;然后根据目标的几何形状和运动特性对目标的威胁分类进行鉴别,在实战中目标的运动特性尤其重要。可根据目标速度来判别目标有无动力,若目标的运动速度、加速度超过某一门限阈值,则判定其有动力,由此可更准确地完成威胁分类。
3 IRST系统未来发展趋势
(1)向多探测器多源数据融合发展
未来IRST系统[11,12,13,14,15,16]所探测的目标将是多种形式的目标,目标的红外特性也不会只局限于中波红外或者长波红外波段,系统采用的探测器将扩展到短波红外、紫外、可见光、红外偏振等。可以更好地增强系统抗干扰能力、识别目标的能力。此外采用红外被动测距技术或结合主动测距技术的IRST跟踪系统也将是未来的发展方向之一。
(2)新型扫描结构的研究
为了实现系统立体360°覆盖范围,扩大俯仰搜索范围,必须重新考虑新的搜索方式。而且新的搜索方式不能牺牲其他方面的性能和要求。美国人在F-35 EOTS系统上就采用了新型的结构方式,如图6所示。该结构体制保证了系统在扫描过程中光学效率不发生变化;同时旋转扫描过程中没有角度死区,可以实现全空域扫描。
(3)多波段传感器光学共光路设计
高度集成、高度综合是未来IRST系统发展的趋势。将多个光电传感器集成在一个系统中,同时兼顾多种工作模式是新一代IRST系统追求的目标。在系统设计中,首先考虑红外与激光的集成化设计,必然要求系统光学上实现共光路设计;中波红外与长波红外共光路设计,充分利用红外的光谱信息,提高系统目标探测率和识别率;同时增加目标定位能力,为火控系统提供数据支持;在激光波段上综合激光测距、激光照射和激光光斑跟踪功能;实现同一套系统可兼顾空对空搜索跟踪功能,也可兼顾对地FLIR功能。
(4)高性能信号处理技术
高性能信号处理技术是IRST系统永远追求的目标。随着高速信号处理技术及先进的专用信号处理硬件的发展,采用先进的人工智能目标处理、识别技术,IRST系统将不断提高复杂环境下多目标处理的能力。
4 结论
光电搜索与跟踪 篇3
关键词：技术情报,搜索
本文著录格式:[1]杨东朋, 徐厚宝.技术情报搜索与跟踪系统的设计与应用[J].软件, 2013, 34 (10) :36-38
0 引言
技术情报搜索与跟踪系统以科技论文数据、技术专利数据、互联网数据等为主要对象, 对技术情报信息、商业情报信息、政策法律情报信息进行自动识别、获取、跟踪和监测, 实现多数据源异型异构技术情报数据的预处理、清洗、转换和集成, 实现对相关技术的专利、论文、互联网数据的实时动态监控, 获取相对初始的情报数据, 为情报分析和预警判断做好数据积累。
1 系统架构与功能设计
如图1, 技术情报搜索和跟踪系统由信息搜索、信息监控、信息采集、信息清洗四大底层模块组构成, 后台业务数据与元数据独立存储、分别管理。信息搜索模块主要针对SCI论文数据、中文核心期刊数据, 中国、美国、欧洲、世界知识产权组织的专利申请数据、授权数据、法律状态数据、专利权转移数据、同族专利数据、引证数据, 互联网数据进行搜索;信息监控模块利用搜索模块的功能, 针对技术、机构、人员、国家的相关数据进行监控, 发现各类信息的异动;之后, 由信息采集模块完成数据采集;信息清洗模块基于元数据库中的关于各数据源的存储特征数据进行采集数据的清理, 进而提取结构化与非结构化的数据入库。业务数据包括用以完成各类信息情报分析任务的项目数据、监测任务数据、采集数据、清洗数据以及用以进行系统维护和授权的系统设置参数数据、用户数据, 元数据包括各类数据源的存储特征数据、分析字典数据等内容。
1.1 数据采集流程设计
对于不同来源的数据, 采用网络爬虫技术设计搜索和跟踪的后台程序, 后台程序不间断的扫描搜索和监测任务, 一旦采集条件成立, 启动采集, 获取包括html、xml、txt格式的原始数据, 然后由信息抽取程序抽取相应的格式化数据经过ETL转换存入到情报数据库中。同时, 为了提高情报数据分析和查询的效率, 建立情报数据的索引数据, 整个搜索采集的过程如图2所示。
1.2 系统功能设计
系统的功能设计如图3。
1.3 数据库结构设计
在数据库的设计上, 搜索系统的后台数据采用My Sql, 共建表47个, 视图10个。表间关系是以搜索任务为核心的业务表与元数据管理表关系, 任务由用户设定, 与用户的搜索条件一一对应, 每个任务下可以包含来自一个数据元的任意多个专利, 多个任务构成一个分析项目;每个任务根据其数据的来源设定任务所采用的处理方案, 每个方案对应一个数据源的数据结构特征、数据清洗方案、数据分析方案, 属于元数据的一部分。
2 部分算法的设计举例
2.1 论文与专利搜索算法举例
对于专利和科技论文的搜索, 应用POST和GET技术与数据库服务器进行交互, 下表分别列出了POST和GET的核心代码实现以及各个数据源搜索的入口, 搜索服务器地址、交互方式等。部分核心代码如下:
2.2 互联网搜索算法设计举例
互联网中的网页相互连接, 彼此连同, 构成一个巨大的网络结构, 相对于专利和论文来说, 对其进行搜索, 技术难度略大。对于互联网数据则要采用网络搜索算法进行网页的深度搜索。
深度优先搜索所遵循的搜索策略是尽可能“深”地搜索网页节点。在深度优先搜索中, 对于最新发现的网页顶点, 如果它还有以此为起点而未探测到的链接边, 就沿此边继续汉下去。当网页结点的所有链接边都己被探寻过, 搜索将回溯到发现网页结点那条边的始结点。这一过程一直进行到已发现从源网页结点可达的所有网页结点为止。如果还存在未被发现的网页结点, 则选择其中一个作为源结点并重复以上过程, 整个进程反复进行直到所有结点都被发现为止。
部分代码如下:
3 小结
本研究对技术情报信息的搜索与跟踪进行了初步的探讨和研究, 提出了系统架构的设计方法, 并给出了部分实现代码, 为技术情报分析与设计提供了一种思路, 并奠定了一定的理论和实践基础。
参考文献
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光电搜索与跟踪 篇4
式中,R为作用距离;μ为大气衰减系数;I为目标产生的辐射强度差;τo和Ao分别为光学系统的透过率和入瞳面积;D*为归一化探测率;VsVn为信噪比SNR;Δf为等效噪声带宽;Ad为像元感光面积。
根据式(1),系统探测距离与目标辐射强度、大气透过率、光学系统参数、系统的目标处理信噪比水平、探测器参数等有关,要得到较为精确作用距离,需充分考虑多种影响因素[3]。式(1)中目标辐射强度可根据目标的类型计算得出,大气透过率可利用LOWTRAN程序得到,光学系统参数和系统处理信噪比水平对已知系统已经确认。归一化探测率D*是出厂时在标准的环境条件下测定,环境的改变不可避免地影响D*的准确,鉴于此,文中主要考虑了应用环境对系统参数的影响,从D*的定义出发,改进探测器参数获取方式,进而提高系统作用距离的准确性。
1 距离方程的改进
红外搜索跟踪系统在实际工作中受到环境噪声和探测器噪声的影响。环境噪声包含背景辐射噪声和路径辐射噪声[4]。夏天和冬天靠近地表的大气流动剧烈程度不一样,造成辐射起伏也不同,此时即使探测器本身无噪声,也会在探测器的输出中产生噪声。当探测器的视场较大时,环境噪声甚至远远超过探测器本身的噪声,因此,应用环境中的噪声功率绝非等同D*测量时的等效噪声功率。
根据D*的定义有
式中,NEP为噪声等效功率。将式(2)代入式(1)得到作用距离R为
式(3)中等效噪声功率为NEP,包括了背景杂散光和探测器电路噪声在内所有的噪声功率,这些噪声在系统探测输出的数据图像中有直接反映。
2 数字图像噪声分析
噪声引起信号随机的、瞬间的、幅度不能预先知道的起伏,对于大多数探测器,产生的噪声可以视为加性的高斯噪声[5]。对图像噪声的估算一般采用区域内统计灰度方差来计算噪声,但存在以下问题:(1)该区域背景不完全均匀,特别是大视场系统包含背景更为复杂;(2)区域内像元间固有的偏差作为噪声被统计,在图像未经过非均匀性校正前,这样统计的灰度噪声远远大于实际噪声。在探测背景不变的情况下,依据噪声随机性特点,可采用2种方法进行噪声统计,如下:方法一,对每个像元在一段探测时间内(多帧)的方差进行统计;方法二,相邻两帧相减,非零的像素值的均方根作为噪声。
依据统计学原理可知,采样的时间越长,即统计的样本更多,就越符合对噪声的统计,但是这样对每个像素进行长时间采样会导致占用存储空间和计算量都非常大,因此方法一不适合实际运用。
方法二以假设系统探测的背景不变和探测器焦平面各像元响应率一致为假设前提,相邻两帧相减的数值矩阵可视为单个像元经历M×N帧的噪声采样,其均方根值等效噪声统计方差。该方法简单、快捷,有效地对噪声灰度进行估算,方便实际运用。图1为某试验数字图像序列,相邻两帧相减后,所有像元点灰度直方图。
图1中的曲线为理想高斯噪声分布的包络,可见,两帧相减后的残差灰度值很符合高斯分布。计算此时灰度值方差公式为
式中,xi,j为残差灰度值;xˉ为残差均值。
连续500帧红外图像序列相邻两帧相减后,单帧数字图像差值的灰度方差和灰度均值变化如图2所示,其均值分别为4.02和0.005。多帧序列的差值方法计算得出了噪声灰度值。
3 等效噪声功率计算
数字图像输出方式的CMOS图像传感器,通常给出灰度灵敏度Se(λ),表示对某一波长λ,响应度灰度值与通量密度的关系,单位为LSB·W-1·S-1。LSB(lest significant bit)为数字图像灰度计量单位。一般应用的探测器积分时间是固定的,由波段积分可将灰度灵敏度转换为波段内的单像元的灰度响应率
式中,T0为积分时间;Se为单像元响应灰度值与接收的功率的比例,计量单位为LSB·W-1。
有变换表达式为
式中,ΔPi为像元接收波段内的辐射功率增量;ΔDi为像元的灰度值增量。
实际应用中,通过实验室模拟可以更精确地标定探测器的灰度灵敏度Se。经过对数字图像中噪声的分析,结合式(6)可以得出等效噪声功率的计算式
4 试验分析
试验系统的相关参数为:红外超广角镜头,制冷中波探测器工作波段3~5µm,探测率D*=5×1011(cm·Hz1/2W-1),进一步转化为波段内的有效探测度[6],取转换系数K=0.7。模-数转换采用14位量化,输出帧频50 Hz,等效噪声带宽Δf=100 Hz,像元中心间距30µm,填充率为81%。入瞳面积So=2.82×10-5m2。系统光学透过率τo=0.7。
试验条件为:环境气温30°C,相对湿度72%,能见度3 km,中纬度,仲夏阴天,通过LOWTRAN软件计算得大气平均传输衰减系数为0.879 km-1。目标为标准黑体辐射源,目标辐射强度I=2.692(W·sr-1),距离探测系统R1=550 m,为点源成像。考虑到检测率和虚警率,系统需求信噪比为SNR2=5.48。
分别采用3种不同的方法计算系统对该目标的最大作用距离:
(1)由传统公式(1)代入系统参数计算得出系统对该黑体目标的作用距离为2.62 km。
(2)考虑到点源成像,不可以忽略探测器感光面填充率的影响,调整探测器使目标成像位置移动,得到目标最大值信噪比SNR1=312,初始距离代入式(1),同时系统需求信噪比和最大作用距离R2也代入式(1),两式联立方程组可得到
由式(8)得到系统最大作用距离为2.08 km。
(3)文中改进的方程计算。由式(5)计算噪声均方根Dn=4.025 8 LSB,灰度灵敏度Se=1.85×1013(LSB·W-1),由式(7)计算NEP为2.162 2×10-13W。代入式(3)计算得到对该黑体的作用距离为2.34 km。
对试验结果分析如下:方法二通过式(8)计算时省去了更多的不确定因素,计算探测系统对目标的作用距离最准确,但在应用中要求条件较多,本试验是在已知测试距离的条件下推算最大作用距离,实际应用中不可能做到。利用传统式(1)得出作用距离,不能适应背景噪声的变化,误差也较大。文中改进的方程式(4)利用数字输出图像,实时监测背景噪声的变化,能适应不同应用环境下的作用距离估算,而且估算结果比较准确。
5 结论
红外搜索跟踪系统的作用距离受到多种因素影响,文中仅分析了环境噪声因素的影响。在不同的应用环境中,探测信号中的噪声强度随之变化,可以通过系统输出的数字图像来估算。依据各类典型目标通常的辐射强度,改进的作用距离表达式能方便地计算出红外探测系统对它的作用距离,在实时检测目标的同时,也能同步估算此时对各类不同辐射强度目标的作用距离。
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无线光电自动跟踪平台研究 篇5
1 系统硬件设计
1.1 系统整体结构
无线光电自动跟踪系统控制平台主要由光纤陀螺仪、光电编码器、A/D采样电路、放大电路、D/A转换电路, DSP控制器和直流力矩电机驱动器等几部分组成。系统总体设计框架如图1所示。
1.2 系统功能架构
系统采用光电编码器作为电机反馈元件构成数字位置外环, 利用陀螺的“空间测速机”功能组成模拟稳定内环的双闭环控制结构。利用陀螺仪把负载平台相对于惯性空间的角速度, 反馈回DSP控制器, 经过适当的PID算法, 形成驱动电机的控制信号, 从而消除转台的扰动, 保持系统的稳定性、快速性。由于转台工作状态主要为低速运行、连续运转, 因此要求精度高、响应快、运动平稳性好, 所以在控制系统中采用直流力矩伺服电动机。
1.2.1 DSP处理器
本系统采用, TI公司推出的2000系列DSP—TMS320F2812。TMS320F2812数字信号处理器是TI公司最新推出的32位定点DSP, 是目前控制领域最先进的处理器之一。它属于最新高端产品, 适合工业控制、机床控制等高精度应用领域。其频率高达150MHz, 大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。TMS320F2812芯片基于C/C++高效32位TMS320F28X DSP内核, 并提供浮点数学函数库, 从而可以在定点处理器上方便地实现浮点运算。主要特性如下:
(1) 数据处理能力强。
系统时钟频率可达150MHz (时钟周期可达6.67ns) 。另外TMS320F2812采用了先进的改进型哈佛结构, 拥有八级流水线, 专用的指令集和统一的寄存器编程模式;
(2) 存储空间大。
具有32位的数据地址和22位的程序地址, 总地址空间町达4M的数据空间和4M的程序空间。片内存储器包括128Kx 16位的Flash存储器和l28Kx 16位RAM;
(3) 外围设备电路完善。
具有外部存储器接口, 三个32位的定时器, 56个独立可编程GPIO, 串行外接口SPI, 两个标准的串行通信接口SCI, 改进的局域网络ECAN, 多通道缓冲串行接口MCBSP和串行外围接口模式, 另外还有两个事件管理器模块EVA和EVB, 每个包括16位通用定时器:8个16位的脉宽调制 (PWM) 通道。它们能够实现:PWM的对称和非对称波形;可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲;3个捕获单元;16通道A/D转换器。
(4) 中断响应和处理迅速。
有三个外部中断和外部中断扩展模块PIE, PIE可支持96个外部中断。TMS320F2812支持32位的中断向量, CPU取回向量和保存关键参数仅需要9个时钟周期, 因此可以很快地响应和处理中断事件, 并可以在硬件和软件中控制中断的优先级。
(5) 低功耗。
核心电压1.8V, I/O口电压3.3 V。I/O输入引脚的电平与TTL兼容, 输出均为3.3V CMOS电平。支持空闲模式、等待模式和挂起模式。
由于TMS320F2812工作频率高, 运算速度快, 对供电电源的质量要求非常高, 因此供电质量的高低将直接影响到系统的稳定性, 所以设计出高效率、高性能的供电系统是非常有必要的。系统采用TPS70351作为DSP处理器的供电电源, 可以为TMS320F2812提供所需的两种电源, 3.3V和1.8V, 并且还提供复位功能。
1.2.2 陀螺仪测控
在整个系统中, 陀螺仪的作用是非常重要的。陀螺稳定无线光电跟踪系统要求具有很高的稳态精度和较好的动态品质, 以及足够大的稳定裕度和抗干扰能力。因此本系统所选用光纤速率陀螺, 是国内广泛运用的VG095M型, 陀螺输出测量信号较弱, 并且在陀螺信号中混杂了各种噪声, 存在零点漂移及调零偏差, 数据采集引入的高频干扰频率往往超出系统正常动态特性的频率范围造成采样值不稳定。同时, 所采用的模数转换 (A/D) 芯片的信号输入范围是±10V, 因此, 在保证精度的条件下必须对陀螺输出信号进行前级放大调理之后, 才能送入A/D转换, 并且要求前级放大电路具有较大的输入阻抗, 高的共模抑制比, 噪音要低, 具有～定的放大倍数。本系统AD620组成陀螺信号前级放大电路来调理陀螺输出的微弱电信号, 陀螺信号前级放大电路如图2所示。
进过前置运放后的陀螺信号, 进入A/D转换芯片, 为了系统的稳定性和高精度, 我们选用16/24位可调的模数转换芯片:AD7734。AD7734有4路模拟输入口, 4路输入口都可以根据需要在寄存器里分别配置各通道的输入范围, 最大值可达±10V, 为传动装置提供足够的驱动能力。
1.2.3 光电编码器探测
光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器, 光电编码器与电机相连, 当电机转动时, 带动码盘旋转, 便发出转速或转角信号, 光电编码器是目前伺服系统中应用最多的传感器。根据其刻度方法及信号输出形式, 可分为增量式、绝对式两种。增量式编码器存在零点累计误差, 抗干扰较差, 接收设备的停机需断电记忆, 开机应找零或参考位等问题, 因此本系统选用绝对式编码器, 绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形, 绝对式编码器可有若干编码, 根据读出码盘上的编码, 检测绝对位置, 码道越多, 分辨率就越高。对于一个具有N条码道的编码器, 检测精度为:。系统所采用的是BCE60系列16位绝对式编码器, 通过差动的两根数据线/SD和SD发送和接收数据, 编码器的输出数据线采用RS-485接口, 故需通过一块RS-485驱动芯片SN75176与后续电子设备通信, 通过RE这一使能引脚控制SN75176芯片的工作状态。如图3:
1.2.4 D/A转换控制
由于整个系统是一个闭环系统, DSP通过SPI口对陀螺的模拟量的处理以及通过RS232串口对光电编码器的数字量的处理, 最后经过D/A变换, 反馈控制驱动器, 实时调控系统平台。为了更好的控制平台, 应选择宽范围电压输入的驱动器, 达到-10V～+10V, 因此要注意D/A芯片的选择, 为了使系统更简洁, 在这里使用了AD5546数模转换芯片, 它的精度高达16位, 增加适当的外围配置后, 输出可达±10V。
2 结语
根据以上原理, 本系统使用TMS320F2812实现无线光电自动跟踪控制平台的结构, 大大简化了外围电路, 控制十分方便, 可以实现复杂的控制算法, 适应控制模块的功能扩展和更新。本控制平台经过长期试验, 通信控制效果良好。
摘要：为了实现运动载体上光电跟踪设备的光轴稳定以保持对机动目标的精确瞄准跟踪, 光电自动稳定跟踪平台采用直流力矩伺服电机直接驱动, 以光纤陀螺仪作为惯性速率敏感元件构成光轴稳定内回路, 以光电编码器作为位置反馈和目标偏差检测反馈元件组成外回路, 采用高速DSP运动控制模块为核心建立具有开放式结构、标准模块化的多功能转台串级伺服控制系统。
光电跟踪伺服系统的研究 篇6
随着现代电子技术的发展,越来越多的电子设备都力求实现数字化,以方便更高精度和更快速度的实时控制。MSP430 单片机因其集成度高、嵌入模块丰富、超低功耗等特点,在许多领域内得到了广泛的应用。对于一个数字化设备,一般通过信号的采集、放大、数字信号处理、信号控制,以及信号结果和特征的再现,完成某种的特定任务。基于四象限探测器的光电伺服系统的研究就是基于MSP430的诸多优点,利用软硬件结合的方法更好地实现目标的搜寻与实时跟踪。
为了提高跟踪定位系统的跟踪精度与响应速度,本文研究了采用PID算法调节输出PWM波的占空比,通过输出两路PWM波控制电机转动,以实现对目标的快速定位及在信号较弱时的精确定位和追踪。
1 总体设计方案
本文利用MSP430F169单片机的低功耗和高运算速度优势,将其作为中心控制器,采用内嵌模数转换器采集四象限探测器的模拟信号,实现了空间坐标位置的信号变换。使用单片机中的时钟模块和ADC模块,通过软件编程,PID算法调节输出PWM波的占空比,以实现电机驱动信号的连续和精细变化,驱动电路调节两路电机的转动的方式,实现二维空间的大范围搜索目标和小范围精准跟踪目标。其总体设计流程如图1所示。
2 硬件模块设计
2.1 硬件电路设计原理
硬件电路主要包括电源模块,四象限信号放大处理模块,系统控制模块和电机驱动模块。
电源模块实现将给定的5V电压转化为MSP430F169的工作电压3.3V的功能。
四象限探测器可探测到的波长范围是380nm～1100nm,其原理是将光照强度转换为电流信号,四象限探测器的预处理模块电路实现将电流信号经放大和运算处理,并将电流转化为单片机A/D能够采集到电压范围0～2.5V。采样的数字信号经单片机内的数字滤波和算法的运算,控制PWM波的占空比来调节电机的速度,电路原理图如图2所示。
2.2 模拟实验设计原理
模拟机构设计灵感源于地动仪的设计原理,采用两个不同的轴来调节不同平面实现四象限探测器的大范围搜寻目标的目的,模型图如图3所示。
研究中利用皮筋的弹性与牵引丝线的电机相结合,实现搜索平面的任意角度转动。并利用废弃的中心笔管代替齿轮实现轴的小摩擦先转动。模型轻小便捷,制作方便,并且变废为宝。
3 软件设计
软件编程部分主要包括目标的搜寻和跟踪两个模块。
设计中载入自动搜索程序搜寻目标光源,对目标进行二维的空间搜索,并载入判别目标程序,通过AD采集到的电压范围判别是否搜到目标。当搜到目标后,载入坐标运算程序,计算当前四象限面板与目标位置的归一化坐标差值,然后调用PID算法程序,将PID的调节量转化为PWM波的输出持续时间和占空比,调用控制电机转动圈数程序对目标进行追踪,控制流程如图4所示。
4 PID控制算法设计
PID算法主要有位置式算法和增量式算法两类,一般增量式算法适用于控制精度要求不高的系统中,位置式适用于控制精度要求较高的控制系统中。但是位置式控制算法会出现积分饱和问题。通常消除积分饱和问题的方法有限制PI调节器输出的方法、积分分离法和欲限削弱积分法。由于限制PI调节器输出法有可能在正常操作中不能消除系统的余差,积分法可以在小偏差时利用积分作用消除偏差。因此本文选用位置式算法的改进形式,即积分分离法,设计思想如图5所示。
首先,PID算法通过读入经过四象限放大处理后的电压值和欲调整的电压值,计算两者偏差,然后判别偏差值大小是否在所设定的阈值内,从而调用相应的PID运算程序,程序流程如图6所示。
采用的PID控制算法的公式如下:
u(n)=u(n-1)+Kp*[e(n)-e(n-1)]+Ki*e(n)+Kd*[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]
研究中控制参数的确定采用先选定控制度,依据不同的控制度预设控制参数通过实验方法调整控制参数取值,使之达到研究的控制精度。
5 结束语
本研究设计中采用性能优越的 MSP430F169 作为控制核心。通过四象限光电探测器将光照强度转化成电流信号,经过四象限信号处理电路转化成MSP430F169 单片机ADC能够采集到的电压范围,利用PID算法及相关转化控制两路 PWM 波输出控制电机转动,实现目标定位跟踪。通过使用激光器将定位和追踪过程直观显示,便于直接观察。使用MSP430内部的AD 模块和时钟模块能够快速实现精准的PID误差信号与PWM波占空比的转换。机构部分的设计也体现了实效简洁的设计理念。
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光电搜索与跟踪 篇7
多个文献论述了多光轴不平行性的室内测量方法[1,2,3]。高文静等研究了大口径平行光管在光轴平行性测量的应用[4]。史学舜等提出了一种光电跟踪仪光轴一致性测量装置[5]。在野外环境下,李建超等设计了激光可见光两光轴检测装置[6]。文中设计利用集成化光电靶标,对光电跟踪设备的空间分辨角度、光轴一致性和最大作用距离等参数的外场标校进行了研究。
1 集成化光电靶标的组成和原理
集成化光电靶标包括电视无源标、电视有源标、红外有源标、激光无源标和激光有源标等,主要用于远场对准和标校,精度和稳定度较高,可以对电视、红外、激光等光电设备进行标校。
图1为集成化光电靶标的组成及原理图[7]。其中,红外有源标相当于一个可以精确调节温度的黑体。激光无源标相当于角反射体,电视有源标一般由带定向反射镜的可见光源构成,激光有源标发射激光引导信号,对被测设备进行引导,使其对准靶标。以红外有源标为基准,其光轴作为系统光轴,几个分靶标之间光轴平行。各靶标固定级联在伺服转台上,可以实现不同角度的调节。
2 利用光电靶标对光电跟踪设备的标校
集成光电靶标按照严格的标准进行安装,其水平度、光轴一致性等指标要求严格。一般这种靶标是为了远场光电设备的校准设立,通常建在海拔高、视野开阔、可视性好的位置。
2.1 最小可分辨温差MRTD
针对红外热像仪的最小可分辨温差检测,通常采用标准的周期测试图案,4杆,每杆纵横比7:1。图2为周期测试靶示意图。
红外靶标的研究比较成熟[8,9]。采用一种可进行温度调节的标准黑体靶板,形状为正方形,温度调节精度为1o。采用在辐射面覆盖周期测试板的方法测量,距离选择为500 m。周期测试板采用杆镂空的绝缘不透明材料,调节红外靶标温度,使其与周期测试板温差由负到正逐渐变化。光电跟踪设备红外热像仪对准周期测试板,用小视场测量,使测试板在红外热像仪上成比较大的像,红外图像处理后能分辨出测试杆时,这个温差即为最小可分辨温差。
2.2 空间分辨角
测量空间分辨率在近场一般采用如图3所示的逐次加宽的方形杆,采用百分比分辨率表示空间分辨特性。百分比分辨率的定义:R=Ab/A,Ab为对某一特定尺寸的杆,仪器测出它与背景板之间的峰-峰值;A为环境板和目标源之间仪器测出的峰-峰值。改变被测系统与靶板之间的距离,就可以得到百分比分辨率和瞬时视场之间的关系,θ=S/L,S为靶标尺寸。
在外场测试中,近距离测量,选择空间分辨率板,材质选择不透明的绝缘材料,其中的方形杆用镂空孔替代。镂空分辨率板固定在红外有源标的前面,方形杆和周围形成温度差。光电跟踪设备对准靶标,对获得图像进行处理,得到最小可分辨间隔S,并以高度仪记录设备布站高度,以激光测距测出与靶标距离L,就可以得到最小可分辨率θ=S/L。改变与靶标之间的距离,可以得到不同的θ。理论上,最小分辨率不随距离变化,但是由于测量误差等原因,在较远距离测得的最小分辨率准确度高。空间分辨率测试布站示意图如图4所示。
2.3 光轴一致性标校
设红外视场中心与系统轴重合。以红外热像仪的视场中心作为基准,采用质心方式,图像中心对准红外有源标并稳定跟踪;记录红外图像,同时记录电视图像,以电视通道测量红外有源标和电视标之间的角度;测量系统对激光无源标可以稳定测距,靶标激光探测器可准确探测测距信号,则认为激光轴与红外轴平行。布站方式与分辨率测试相同。
以最小视场为例,容易计算得红外有源标与电视标都在视场内,于是两个标在各视场都能成像。如图5所示。
当d=0.3 m,R=3 km,α=0.005 7o=0.1mard,β也是这个量级。电视最小视场为1°,582个像素,所以红外和电视通道光轴平行时测量目标位置相差
l=11d,即β=10α时,红外和电视标垂直距离为36个像素,此时两光轴平行。如图6所示。
不同距离测得数据如表1所示。
从以上理论计算可知,在较近距离,电视和红外通道对同一目标的位置测量差别明显,距离越远,这种差别越小。
2.4 最大作用距离
对于光电跟踪设备,其通过红外成像或电视跟踪目标,其作用距离取决于目标的辐射能量和目标的大小,分为探测距离和识别距离。
目标对红外系统光学入瞳中心的张角小于系统的瞬时视场角时,可视为点源,对于热成像系统,只要目标像占据探测器的一个像元,并且信号足够大就可予以探测。无背景辐射下的作用距离为[10]
均匀背景下的作用距离表示为
其中,Lt为目标辐射亮度;At为目标的有效辐射面积;A0为红外光学系统有效接收面积;Ad为探测器光敏面积;D*为探测器探测率;D*max为探测器最大探测率;Δf为探测器电路带宽;Us为信号幅度;Un为均方根噪声幅度;k为红外系统对实际辐射体辐射功率的利用系数,正比于大气透过率;Lb为背景辐射亮度;kb为背景辐射功率的利用系数;(噪声等效功率)。到达最大作用距离探测时,信号幅度达到一个最小值。式中的变量仅仅是R和Ltk-Lbkb,可以得到
背景辐射在目标面和探测器面可以看作是相等的,即Lbkb为不变量。目标辐射在探测器上的能量可以用本身的能量辐射与大气透过率的乘积来表示
对固定探测器,目标成像灰度H与辐射量Ltk-Lbkb的关系确定。
实际测量时,首先确定透过率与距离的关系。固定红外有源靶标的温度,结合图所示,探测距离由小到大,每隔一个距离测量一个灰度,直至目标与背景不能分辨。红外有源标在图像上随距离成像灰度不同,每个距离上的接收能量即可得到,可以根据接收能量与距离关系,进行曲线拟合得到透过率与距离的关系。
固定测试距离,改变红外有源靶的温度,根据探测到的辐射量的变化可以确定背景辐射Lbkb
不同的目标有不同的辐射特性,其红外表征由温度决定。调节红外有源标的温度,在每个温度上,按照距离由小到大进行探测,直到目标和背景不能分辨,得到每个温度辐射下的作用距离。测试红外热像仪在不同目标辐射下的作用距离。
作用距离包括探测距离和识别距离。探测距离是指在某一个像元上能够有能量响应时的距离,识别距离则是在多个像元上有响应时的距离,响应的像元能够表达出某型目标红外特征[11]。
3 结论
文中利用集成光电靶标,在外场条件下,对光电跟踪设备的多种指标的标校方法进行了研究。对于实际测量误差做了修正。测量采用了像素分析的方法,光轴平行度测量精度优于0.2 mrad。
摘要：为了提高光电跟踪设备测量精度,设计利用集成化光电靶标,对光电跟踪设备的多个参数的外场标校方法进行研究。标校涉及电视、红外、激光测距等多个部分,采用像素分析的方法,可以较精确地对光电跟踪设备的多个指标进行标校和误差修正,并给出了某些参数的修正结果。其多光轴平行性优于0.2 mrad。外场标校贴近实际,具有较高置信度。
关键词：光电靶标,光电跟踪设备,标校方法,误差修正,光轴一致性
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