光电搜索跟踪系统方案设计与研究.docx

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光电搜索跟踪系统方案设计与研究

分类号密级公开

UDC注1

学位论文

光电搜索跟踪系统方案设计与研究

（题名与副题名）

彭建新

（作者姓名）

指导教师姓名姜建芳教授

蒋晓凤高级工程师

申请学位级别工程硕士专业名称控制工程

论文提交日期2011.12文答辩日期2012.01

学位授予单位和日期南京理工大学

答辩委员会主席

评阅人

2012年01月04日

注1：

注明《国际十进分类法UDC》的类号。

声明

本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。

与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。

研究生签名：

年月日

学位论文使用授权声明

南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。

对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。

研究生签名：

年月日

摘要

论文针对xx防空光电搜索跟踪系统研制要求展开方案研究、设计。

系统用于空中机动目标的搜索、威胁判定、跟踪，或接受上级空情信息指示跟踪地面或空中目标，引导导弹对目标实施攻击；同时具备地面车辆目标或敌方武装人员的手动搜索、跟踪、威胁判定功能，引导机枪对地面车辆或敌方武装人员进行瞄准打击。

系统的研究与设计在军事上具备广阔的应用前景。

论文介绍了光电成像搜索跟踪系统的广泛军用前景、光电系统的优缺点、国外相关领域部分研究成果；针对xx防空光电搜索跟踪系统研制要求，分析了光电搜索跟踪系统的总体方案及软硬件架构；分析了影响光电成像搜索跟踪系统实现的一些关键技术：

光电传感器摄取的图像信号的传输机制分析、光电惯性姿态稳定分析、光电系统框架绝对位置获取方法分析及设计、电机选型分析；探讨了光电搜索跟踪系统的一些工程问题解决方法，针对光电成像搜索跟踪系统红外热成像仪用于空情搜索面临的问题进行了一些分析，对光电成像搜索跟踪系统面临的军事应用问题及改进方向进行了展望。

论文的研究为光电搜索跟踪系统的工程建设奠定了重要的技术分析基础。

关键词：

光电成像搜索跟踪系统，CCD摄像仪，编码器，DSP，EnDat，FPGA

ABSTRACT

Projectresearchanddesignaccordingtodemandofxxphotoelectricityinairdefense.researchedsystemwasappliedtosearch,threatendeterminantandtrackingofflexibletargetinair,oraccepttowarningmessageofsuperiortodirectandtracktargetinairorgroundandguidemissiletoattacktotarget;simultaneitypossessfunctionofmanualoperationsearch,trackingandthreatendeterminanttogroundvehicletargetorenemymelitiamember,andguidescatterguntotakeaimandattackgroundvehicletargetorenemymelitiamember.researchanddesignofsystempossessrangymilitaryappliacationforeground.

Paperintroducedrangymilitaryapplicationforeground,excellenceanddefect,partialoutcomeinoverseascorrelativefieldaboutphotoelectricitysearchingandtrackingsystem.accordingtodevelopmentdemandofxxphotoelectricitysearchingandtrackingsysteminairdefense,analysedgeneralschemeandsoftware,hardwareframeworkofphotoelectricitysearchingandtrackingsystem,analysedsomekeytechnologyaboutrealizationofphotoelectricitysearchingandtrackingsystem:

analysisoftransmissionmechanismaboutimagesigalofphotoelectricitysensor,analysisofinertiaattitudestabilizationinphotoelctricitystabilizationplatform,methodanlysisanddesignofobtainedabsolutepositionofphotoelectricitysystem,analysisofmotortypeselection;discussedsomemethodofresolveprobleminengineeringaboutphotoelectricitysystem,analysedsomequestionsinwarningmessagesearchingofsystem,putforwardprospectofmilitaryapplicationandimproveddirectionaboutphotoelectricitysearchingandtrackingsystem.

Researchofpaperprovidesanimportanttechnicalanalysisbasisfortheengineeringconstructionofphotoelectricitysearchingandtarckingsystem.

Keywords：

photoelectricityimagingsearchingandtrackingsystem,CCDcamera,encoder,DSP,EnDat,FPGA

1绪论

1.1引言

现代化信息战争模式下，利用雷达、红外、可见光等传感设备及时、准确、隐蔽地获取敌方信息在侦察防御系统、精确制导武器打击系统中均发挥着举足轻重的作用。

未来高技术条件下的局部战争要求武器系统能够在各种复杂的电子战和光电对抗的作战环境中能够自适应的探测和截获目标，自动识别跟踪和精确打击目标。

相对于其它探测技术，红外、CCD成像探测隐蔽性好、抗电子干扰能力强、目标定位精度高，越来越受到各国军方的重视[1]。

光电搜索跟踪系统将红外及CCD成像、激光测距、高速图像信息处理及精密伺服控制等技术相结合汇集于系统中,能够显著增强在昼夜、恶劣气候和不良的战场环境下对目标的探测、识别、跟踪以及对抗能力。

系统主要用于完成复杂战场环境下对敌方地面或空中目标的搜索、检测、跟踪、定位、识别和指示等功能。

光电搜索跟踪系统属综合被动及半主动侦察、监视与引导防御系统，基于大多数被攻击目标未装备激光告警设备的缘故，系统具有高灵敏度、高空间分辨率、大动态范围、准全天候、隐蔽性好、较强的抗干扰和适应复杂背景的能力以及多目标检测、识别、跟踪能力等诸多优点，能够在复杂战场环境下弥补雷达低空探测能力的不足，尤其是对于掠海导弹、巡航导弹、武装直升机等低空飞行弱小目标的探测更具有独特的优势，成为战场探测与精确制导技术研究发展的重要方向，在重要战略防空系统、各种陆基、舰载及空载战场探测防御打击系统中有着广泛的军事应用前景。

1.2论文背景

针对航天科工集团立项的xx防空与地面突击武器系统车载光电搜索跟踪系统研制要求展开研究、设计。

系统要求光电搜索跟踪系统能接受上级空情信息，对目标进行准确跟踪；搜索空域信息，分析、选择可疑目标[2]。

针对这两种情况引导随动系统随动，将目标导入导弹（导引头）视场发射导弹进行打击。

利用CCD宽视场特性，人工搜索地面目标，分析选择地面目标，发射机枪或榴弹对地面攻击目标实施打击。

作者作为光电搜索跟踪系统的研制负责人，负责分析系统各关键点的可行性及方案分析、系统整体方案分析，主持设计、调试系统。

1.3光电相关技术发展概况及应用要求

（1）光电技术的优点

光电频谱位于电磁频谱的高端，是微波（无线电）频谱的自然扩展与延伸，与无线电科学与技术具备优良的兼容性。

所有基于波动特性的无线电技术及相关信息与计算机科学技术，均可直接移植与带动光电科学与技术的发展[3~9]。

光电系统的成像能力，将在战场上透明显示、目标识别、低信杂比目标检测、反隐身探测、夜间侦察与作战、防区外打击、打击效果评估等方面，为武器系统的应用带来飞跃变化，诸如改概率轰炸为定点轰炸，变霰弹式攻击为精确打击等，将会在不增大战斗部署的前提下，产生显著的武器威力倍增效应。

外科手术式攻击、防区外打击、超视距攻击、全球作战等全新的军事对抗模式，促使现代战争由热兵器时代进入信息战背景下的远程精确时代。

光电平台为远程成像侦察与打击效果评估、低可探测目标识别与瞄准、基于图像的精密末制导、激光目标指示等提供了坚实可靠的科学技术基础，而激光武器作为即将登场的新概念武器，其激光器及能源、光束对准及远程聚焦等均需光电平台的完善配合。

以光电对抗为焦点的军事对抗新模式的形成，光电平台将功不可没。

光电平台工作波段包括可见光、近红外、中波红外、长波红外；传感器有标准制式和高清晰度电视摄像机，微光电视摄像机，近红外、中红外、长波红外成像仪，激光测距机，激光目标指示器，激光照射器，弹着点显示器；光学镜头有定焦、分档变焦、连续变焦，还有电子焦距变倍器；承载转台有陀螺稳定的两轴、三轴、四轴、五轴转台，还有被动与主动式振动与冲击隔离装置。

所有上述部件的有机集成与融合，都是为了在昼夜、全天候环境下，快速获取景物与目标的高清晰实时动态图像，以增强光电平台信息获取能力。

相对于微波而言，以光频工作的光电系统，具有本质性的高几何分辨力、高时间分辨力、高波谱分辨力的优点[3~9]。

（2）光电技术的瓶颈

与基于微波工作的雷达相比，光电平台还很不成熟，尚存在一系列技术难点与发展瓶颈。

与无线电电子和微电子技术比较，光电子技术尚处于发展阶段，无论是在基础材料、元器件、制造工艺，还是在工作体制、接收与发射、探测器、传输与编解码、防护与突防等系统级别上，均存在较大差距。

光信号的感知与变换，至今仍长期在低灵敏度、高信杂比、小动态范围、窄频带等水平上徘徊。

理论与技术基础的严重不足，长期以来制约着光电子技术的发展。

光频段具有的本质性优势，如大信息容量、高空间/时间分辨力、宽频带宽度等，由于支撑技术储备馈乏，尚无从发挥作用，致使光电系统仍然处于发展的初级阶段。

光信号至今仍习惯于作用距离极近的直接探测，光外差接收方案长期走不出实验室的象牙塔。

光电平台在自然非相干光照明下的被动探测，虽说是其工作隐蔽性优点的体现，但却强烈依赖于天气和太阳高角，无法适应低照度环境，遇到零照度探测，更感到十分困难。

激光主动照明下的零照度成像，还未走出验证试用阶段，远未达到大批列装的技术水平。

（3）光电系统在防空领域的应用情况

长波红外光电传感器宜于探测飞机迎头，中波红外光电传感器宜于追尾，中波红外较长波红外具更强的湿热气候穿透能力；双色红外传感器或多色红外传感器可以兼顾不同目标的红外特征可能是一种上佳的选择。

紫外探测虚警率低，且体积小巧、便宜，对地面热目标引起的虚警率不敏感，然而紫外辐射易被大气中臭氧层（距地面20～25km）吸收，因而降低了对导弹（飞机逼近）的探测能力；光电红外探测存在虚警率问题，也许随着红外技术的发展，工作于中波和长波的双色红外传感器及多色传感器比紫外传感器将更为有效。

基于CCD的光电传感器的谱带是胶片的2倍，因此能够穿透多雾和多尘的典型的沿海环境，红外与CCD的二光复合也许可以兼顾不同的气候环境，近岸及舰船防御可能红外与CCD组合是较佳的方案。

具备激光探测或激光测距的系统是主动探测系统，与红外的复合构成的系统称为半主动系统，与火控系统的交联通常需要距离信息，但如作为纯粹的情报系统，激光也许不是必需，利用激光束高空间分辨力成像的特征，对低观测性目标进行探测和识别。

主动激光探测与距离选通技术，可用于昏暗区域的成像。

在中等云层、尘土飞扬和烟雾环境下，通过使用精确的短脉冲激光，捕获反射回来的光子实现成像，还可实现夜间低能见度的高分辨力成像，使图像更加清晰，作用距离更远，达到远距离字符识别能力在低光照，低可视条件下识别敌方坦克、车辆、舰艇、飞机型号，在现代战争的敌我识别方面，发挥重要作用。

红外搜跟光电平台的应用，也许可以为激光探测提供一个较好的平台。

激光、红外、CCD构成的三光系统也许是一个比较合适的选择，系统集成将激光与红外、CCD共用光学口径是一个比较优的方案，但对系统集成是不可实现的，非共轴结构是一个比较合适的选择，但要确保三光的组合在一个合适的指标范围内。

红外系统光学口径与视场角及探测距离是矛盾的指标，追求大的视场角，必将降低目标的探测距离，追求远的探测距离，势必降低视场角。

双热像仪架构，扩大了视场，增加了低空探测的威力范围，降低了对转动机构的俯仰系统的要求，但对结构安装及后端处理提高了难度，搜索系统的探测能力一直没有得到合理的验证，也许目标信息处理板与转动机构的分离对目标探测的研究是一种好的方法，系统目标探测指标如得到合理的验证，也许这是一个比较好的抉择，因为俯仰轴系的不运动，的确可以降低系统对较大范围空情的反应时间。

受限于攻击武器的作战半径，对目标的远距离发现是一个永恒的要求。

这些系统指标有些可能要作出一些牺牲，以兼顾重要指标。

手动搜索也许适应于对目标的埋伏及拣漏，通过场景观察，人眼判断可疑目标进而进行锁定跟踪目标。

单一的全自动红外搜索、跟踪系统在搜索到可疑目标后，切换到跟踪状态，切换时间是一个关键的指标，切换时间随温度的不确定性及切换时间过长也许导致目标的丢失，可疑目标跟踪后，经辐射强度、威胁程度分析，可能被剔除为非可疑目标，系统处于停止搜索，来犯的目标从其它角度可能已经进入，以致需要重新观察空情，这在系统作战中是很难想象的，也许搜索系统与跟踪系统分离是一个好的选择。

提高搜索系统的视场角，降低跟踪系统的视场角是一个比较合理的选择。

提高搜索系统的视场角，则要提高空间分辨力，像素的点阵结构要提高，降低跟踪系统的视场角，同样像素的点阵则有助于提升精跟踪的精度。

陆军部队特别是装甲部队是空袭的主要目标，现代防空必须应对飞机、隐身飞机、巡航导弹、地地弹道导弹、反辐射导弹等的威胁以及严峻的电磁环境和灵

活多变的进攻战术等[8]。

防空作战日益显示参战力量的联合性、作战空间的广阔性、反应时间的短暂性、情况变化的突然性等诸多特点。

野战防空战区很大，常部署多部预警雷达、大量的炮瞄雷达（炮瞄光电）及制导雷达（制导光电）等[8]。

大量信息在短时间涌向指挥中心，这给防空指挥带来极大困难，任何单一系统都难以应付未来的空中威胁环境，必须建立多光电组网的野战指挥控制系统，由多种光电覆盖同一区域，进行数据综合处理，以得到全面的、精确的态势报告。

陆军防空网信息与指挥控制系统集成，解决陆军指挥/防空信息共享，使之适应陆军战术的需要，同时将光电情报信息，发送到陆军作战指挥系统并在指定的席位显示，为指挥员提供情报信息；指挥员根据光电的综合态势信息，辅助部队部署、制定作战方案等。

另外，还可以根据陆军防空关注的重点区域、重点目标，将相关的空情信息及其他情报信息传送给指挥系统，保证在正确的地点、正确的时间获取正确的光电情报信息，并指挥和调动防空导弹和高炮部队拦截和打击空袭目标，遂行各种防空作战任务，达到一体化防空作战的目的。

（4）其它应用

1）导弹发射探测与预警

➀星载导弹告警

➁空军飞机导弹逼近告警

2）海军舰载红外搜索与跟踪系统

3）夜视

➀热武器瞄准器

➁车辆驾驶员视觉增强红外观察仪

4）限制大规模毁灭性武器扩散监控

1.4国外部分研究成果

（1）美国陆军的远程高级监视侦察系统（LRAS3），主要是为重装部队、轻型骑兵中队和侦察分队提供在安全范围内进行24小时连续的侦察监视能力。

通过先进的第二代前视红外技术、全球定位干涉仪、激光测距仪以及昼间用摄影机，LRAS3能进行远距离目标定位。

采用这些光电探测设备，LRAS3能让侦察人员在直接火力打击范围以外探测到敌方目标。

（2）瑞典的“鹰”系列装甲侦察车上的光电侦察系统安装在一个可收缩的车顶安装桅杆上。

它包括一个作用距离达7公里的热像仪、一个昼间使用摄像机和一个人眼安全激光测距仪，两者作用距离都能达到10公里。

1.5作者所做的主要工作与论文内容安排

1.5.1研究的主要内容

本选题研究在吸纳、借鉴国际国内先进技术的基础上，结合自主创新，研究并设计现代防御光电搜索跟踪系统。

其主要研究内容如下：

（1）分析研究光电搜索跟踪系统伺服系统的总体设计；

（2）基于光电搜索跟踪系统作用距离的提高以及实现信号处理机构与光电转台分离分析研究数字图像光纤传输；

（3）研究光电搜索跟踪系统稳定系统稳定性分析；

（4）分析研究执行机构电机的选择；

（5）分析研究光电搜索跟踪系统电路系统设计；

（6）分析研究光电搜索跟踪系统伺服位置的解码比较及VHDL设计；

（7）分析研究光电搜索跟踪系统红外探测作用距离、威力范围。

1.5.2作者所做的主要工作

（1）项目可行性论证及资料查询，提出系统设计构想；

（2）分析制定总体技术方案；

（3）光电搜索跟踪系统DSP伺服系统软硬件设计；

（4）光纤传输分析、论证、设计；

（5）电路系统分析；

（6）电机选择及分析；

（7）EnDat协议解码总构（旋转变压器位置解算）及VHDL设计；

（8）工程问题讨论与研究；

（9）系统可靠性分析、设计、改进；

（10）不同光电成像传感器图像切换分析

1.5.3论文内容安排

论文分为五个章节进行论述：

（1）绪论；

（2）光电搜索跟踪系统总体方案设计；

➀系统设计功能

➁光电搜索跟踪系统方案

➂光电搜索跟踪系统软件方案

（3）光电搜索跟踪系统关键技术研究；

➀数字图像光纤传输分析

➁光电稳定系统分析

➂光电伺服框架绝对位置获取设计分析

➃电机选择分析

（4）工程问题分析、研究

➀红外搜索帧间图像特性分析

➁红外搜索成像系统探测范围研究

➂电源管理时序研究

➃陀螺补偿工程考虑

➄系统布线工程考虑

（5）总结展望

2光电搜索跟踪系统总体方案设计

2.1系统设计功能要求

根据现代防御的要求，系统需要具有大范围的搜索能力，定点搜索、区域搜索、360°全空域搜索，稳健探测弱小目标、探测距离远及多目标探测能力。

现代光电跟踪系统要求跟踪视场小，分辨率高，以进行精确跟踪，且具备目标威胁程度、目标分类及剔除假目标能力。

目前的光电系统技术导致几乎不可能在一套系统中兼顾不同的系统需求。

基于系统不同的需求需作出不同的抉择。

不同的系统架构追求的是在某一方面指标达到最优，而不是全面的指标最优。

光电搜索跟踪系统主要安装于战斗车，用于对敌方来袭的飞机（固定翼飞机、直升机）和精确制导武器等空中作战平台实施远距离、大范围、多批次的实时侦察告警，并实时提供目标方位/俯仰角、目标类型、目标威胁等级、目标辐射强度等引导信息。

进一步选择目标进行精确跟踪引导武器实施打击[10~14]。

2.2光电搜索跟踪系统架构

2.2.1光电搜索跟踪系统的组成

光电搜索跟踪系统由伺服控制分系统与光电搜索跟踪转台分系统、信号处理机分系统组成。

伺服控制分系统（含伺服控制系统所需电源、红外搜索转台所需电源、电机驱动板、伺服控制板）与光电搜索跟踪转台分系统（含红外（多传感器融合时可考虑CCD）、激光、旋转变压器（或编码器）、电机、光纤滑环、图像光纤传输发送板等）、信号处理机分系统（含6U计算机系统、图像光纤接收还原板、图像信号处理板及各I/O等）各自独成一体；三个分系统构成光电搜索跟踪系统总体。

通过安装于cPCI信号处理机的AC/DC输出电源供给伺服控制箱，由伺服控制箱转换、分配电源给红外搜跟转台的激光测距机、红外热像仪、光纤发送部分。

通过伺服控制箱向红外搜跟转台发送电机控制信息，向旋转变压器馈送激励电源，并通过旋转变压器（系统中也可采用EnDat编码器）获取转台位置信息。

通过光纤传递红外热像仪数字视频信息，操控信息，激光测距机控制信息，激光测距机距离信息。

通过手柄操控进行目标选择跟踪，在信号处理机与伺服控制箱间进行同步及通信获取目标图像及位置信息。

向指挥控制系统汇报当前信息并接受指挥控制系统控制，接受全系统同步信息。

图2-1所示为红外搜跟系统的组成。

图2-1光电搜索跟踪系统组成示意图

2.2.2光电搜索跟踪转台

光电搜索跟踪转台分系统结构如图2-2所示。

其中X1为激光测距机的电源接口，X2为RS422接口插座，包括接收来自外部TTL信号；X3为红外热像仪电源插座，X4为包含RS422对热像仪进行操控的信号插座，X5为包含数字视频图像的插座。

采用图2-2电气分配方式，J1电源占用5线，J1地线占用5线；J2电源占用1线，J2地线占用1线；J3、J4、J7共占用10线，J8电机PWM功率驱动占用10线。

电滑环需要32线进行传输。

将J5、J6信号经过光纤传输。

J5中RS422信号为往外发送的激光测距信息，且存在系统往激光测距机发送的TTL控制信号，以控制激光测距机的发射频率；J6中RS422信号为系统往红外热像仪发送的操控信号，以实现对红外热像仪焦距、视场、增益、极性等的调节。

可见，系统往激光测距机发送的TTL信号及往红外热像仪发送的RS422操控信号流向是一致的；而激光测距机往外发送的距离信息及红外热像仪往外发送的数字图像信息流向是一致的。

两者流向相反，在光纤通信中需采用波分复用来实现。

图2-2光电搜索跟踪转台分系统电气分配

关于光纤通信波特率不同问题，采用自适应通信波特率实现。

整体示意如图2-3所示。

图2-3光纤传输信号示意图

其中热像仪操控19200bps，当计算机发送数据时有数据，否则无数据。

当计算机发出激光测距机频率控制时，电端机解析为TTL控制命令，否则无解析，有解析时，属同步触发激光测距机，TTL信号上升沿触发，激光测距机在上升沿190mS±5mS时刻发射激光，随后发出距离数据。

激光测距机回传测距信息通过RS422传送，波特率9600bps。

2.2.3cPCI信号处理机

信号处理机分系统电气分配如图2-4所示。

系统通过市电或电池给系统