红外靶标Word格式.docx

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第一章绪论

1.1引言

在红外成像制导武器大量装备的今天,对红外制导和红外成像制导武器的目标识别及目标跟踪的技术要求越来越高,为了在武器的设计和研制阶段对真实客观地评估各种红外成像搜索和跟踪系统的动态性能,例如进行导引头红外响应及目标识别的试验,以验证设计的正确性。

为进行这些实验,就必须为导引头提供目标和背景的真实的红外景象。

如果将导引头置于真实的环境中,利用真实的目标进行实验,实验费用非常昂贵,且由于受到实际情况的限制,不可能对所有的气象状况、不同的目标和不同的环境进行测试,若利用一个简单的热电阻,作为热源来测试导引头的性能,对于点目标制导的武器系统来说是可行的,但对具有识别红外假目标能力的武器系统则失去了测试作用。

利用红外成像目标仿真靶,能有效地对不同环境、不同背景的红外目标进行模拟,有利于对红外制导武器进行有效地测试。

如:

应用于红外制导武器的导引头在研发设计阶段进行单项性能测试（识别算法、跟踪算法等，以便对某一单项性能加以升级改进;

应用于红外制导武器的实弹打靶来检验红外制导武器的综合性能等。

。

此外,红外模拟系统还能节省经费开支和缩短武器研制周期。

因此,红外模拟靶标的研制在导弹武器系统研制中具有极其重要的意义。

红外目标模拟靶标系统是红外成像技术在军事领域中的一项重要应用，为了对诸如红外成像制导武器的导引头、新一代红外热像仪以及其他前视红外系统进行硬件在线闭环（hardware—in一the一1oop）仿真测试,本系统设计了一种智能红外靶标原理样机,并提出优化设计方案,将实验测得的单幅图像或一系列连续的图像,转换为探测器（红外热像仪或红外导引头装置）可探测的实际景象。

1.2智能红外靶标技术发展状况

早期红外成像仿真主要集中于某一特定目标,随若军下'

井司民经济的发展，我们需要研究目标在不同背景下的成像特性，与特定目标相比较,自然界中场景情况异常复杂,它没有固定的温度分布,并存在许多未知因素,因而直接对场景建模所需的工作量巨大且结果和实际场景相差较多。

沈国土等人提出了把场景分为背景和目标两类,在统一的坐标系中分别模拟它们“独立”的红外图像,再把两者“拼合”成一幅完整的图像。

针对复杂战场环境,对场景物理热模型分为背景和目标两个独立的子模型。

场景物理建模工作中需要大量的物理参数,如当地的环境参数（温度、风速、发射率等）、物体参数（温度、导热系数、移动速度等）、物体热传导参数、对流参数等,它们取值的精确程度直接影响到最后目标红外辐射场的分布。

可以通过数值计算的方法分析影响目标表面温度场的众多物理参数,并且总结出其中最灵敏的因素:

即目标初始温度、大气透明度和环境温度等因素。

近几年欧美全力开发可生成红外动画的仿真器。

1996年以来,在美国以军事研究机关为中心迅速建起使用热电阻阵列元件的红外仿真器。

例如:

1997年建成了名为模拟弹道导弹的核导弹动画显示仿真器。

同样作为洲际弹道导弹防御计划的一部分，开发了称为宽带红外图像投影机（WISP）的装置,最初的基本系统于1996年投入使用。

另外美国陆军还开发了在多目标、杂波及红外干扰环境下的前视红外和导弹导引头试验评价用宽带红外图像投影机,并于1999年提供使用。

另外，新型红外动画仿真器已被美国海军防空作战环境试验评价中心，美国空军航空电子试验综合本部和美国陆军仿训练器材司令部所采用。

预计今后的红外仿真器仍以中间空的隔板电阻阵方式为主流,其唯一的缺点是不能控制红外线的辐射光谱。

对具有光谱识别功能的红外探测器系统的评价,利用红外激光的投影器也许是必要的。

美国海军的综合战场空间仿真器（工BAR）是意识网络中心战的大规模网络仿真器,在该仿真设施内可生成C工SR网络连结作战飞机和导弹等各种武器的战场空间,是美国海军建模和仿真的最新试验设施（占地面积约2000m）。

该设备既可单独使用,也可与国防部以外的仿真设备通过网络链接使用。

雷达、光电/红外探测器的仿真器设在电波暗室内,可以进行综合探测器试验。

而导弹的仿真是将导弹导引头放在飞行平台上，可以进行实物在回路中的试验。

该仿真设施中还有红外线显示研究室。

该研究室中可以生成实物在回路中和信号处理在回路中的合成红外环境,主要用可见光仿真图像、红外仿真图像。

另外该研究室还承担了开发以微机器电阻阵列技术为基础的红外仿真器的任务,并己达到实用水平。

而且还负责对开发中的红外仿真器进行校正和检验。

目前正在开发利用微型反射镜阵和光纤阵的新型投影技术。

利用这些新方式将可以在更大动态范围内进行高速动作。

目前,美国加利福尼亚工学院的喷气推进实验室采用热辐射方法进行动态红外图

象仿真研究工作,已取得较大突破。

目标的热速率己达100度/S,温度梯度为200度/ms。

法国军事电子技术中心（CELAR）研制成功黑体薄膜式（即热辐射式）动态红外图像调制器,性能参数可以达到:

工作波段3一12微米,帧速25Hz,空间分辨率3个点/毫米,热时间常数ZOmS，温度灵敏度0.1一0.4度。

九十年代后期,英国宇航公司的索尔比（Sowerby）研究中心研制成功了一种新型的电子可寻址电阻元阵列,其性能参数为:

时间常数6.sms,空间分辨率256x256个象元，8一14微米。

它的优点是低功耗、大温度范围、高分辨率、高占空比等,适合于各种红外目标的模型。

在我国,2001年西安飞行试验研究所成功的研制出了一套鉴定机载前视红外系统性能的设备和试验方法。

它是以多用途的红外目标靶板为测试目标,能够对某光电测试系统性能和功能进行鉴定。

由航天工业总公司三零三所和哈工大共同研制了一台可快速检测最小可分辨温差（MRTD）的便携式红外靶标发生器。

它的靶标图案采用0.Slnln厚的铜板,表面喷涂黑色无光漆,能够使发射率大于0.94,温度控制精度达到0.1度。

解放军89820部队的李明智教授在对红外靶板的研究中提出采用镀制或贴覆电阻膜的方法,来调节靶板材料的发射率和抗干扰性能。

并且提出了一套可旋转式的红外目标靶板设计方案来实现对红外系统的测试要求。

1.3论文研究的内容

根据上面对智能红外靶标系统工作过程的介绍可知,系统的设计和制作主要包括以下几方面内容:

（l）智能红外靶标阵列像元的选取,以及红外靶标靶体的制作。

在智能红外靶标系统中,红外靶标靶体是显示红外特性的主体部分,也是进行红外武器测试时导引头的目标。

只有在靶体的材料选取,工艺制作完成后,驱动时序的编写、外围电路的器件选择才能确定。

（2）智能红外靶标红外辐射特性理论模型的建立。

数据源计算机是红外靶标系统的原始数据输出源。

原始数据的主要来源途径有两种方式,一种是针对所模拟目标建立的理论模型,一种是实际拍摄所模拟目标的红外图像。

根据这些数据和红外靶标靶体的红外辐射特性理论模型可以得到系统的控制参数。

（3）红外模拟靶标系统所模拟目标的数据处理与传输。

数据源计算机输出的控制参数需要通过串口传输到控制系统,从而形成控制时序产生所需的初始数据。

（4）基于FPGA的控制系统软件设计。

在控制系统中,主要完成串行通信接口模块、数据输出模块、行列扫描控制模块、数据输出模块、温度采集模块和PID控制模块的设计。

（5）外围驱动电路的设计。

由于红外靶标靶体的几何尺寸较大,扫描加热过程中导通时间较短,因此外围电路需要在很短时间内产生较高的电压与电流,设计要求高,过程复杂。

在大功率器件的选取上要充分考虑器件的电压、电流、反应速度、工作环境等因素。

（6）对智能红外靶标系统抗环境干扰的方法研究:

红外武器的测试一般需要在野外进行:

红外靶标系统放置在野外环境,会受到太阳辐射、天空散射、当地的湿度、空气流动等许多环境因素的影响。

因此,应该根据精度要求,附加温度传感器,把这些环境的综合影响实时反馈回来,经过PID算法处理,重新补偿给薄膜电阻阵列。

针对以上几个方面,本文所设计的系统研制过程分为两步,第一步做出8又8阵列的红外靶标系统的原理样机,解决原理上的可行性,并对其进行实验测量;

第二步根据样机的实验情况和设计指标确定靶体图像分辨率与模块拼接技术方案。

第二章是对智能红外靶标相关理论进行介绍,第三章介绍红外靶标系统总体设计方法,第四章介绍红外靶标系统原理样机硬件部分的设计和制作方法,在第五章介绍了原理样机控制软件的设计方法,在第六章对原理样机进行实验数据结果分析。

第二章智能红外靶标系统理论基础

红外辐射特性的研究是目标与背景特征研究领域中的重要课题,物体的红外辐射能量大小及其波长的分布与物体的表面温度有着十分密切的关系,目标与背景间微小的温差和辐射率差可以对目标的热辐射图像进行识别,要准确地做到在加热元件阵列上模拟出目标形状,就必须先了解目标与背景的红外辐射原理及红外图像产生原理。

2.1目标与背景红外辐射特性研究

自然界中一切温度高于绝对零度的物体都会不断向外辐射红外线,因而可反映自身目标属性的红外辐射特性,在红外模拟系统中可以显示出自身的红外图像特征,这种红外辐射现象的物理本质就是热辐射。

自然界中每个物体总是处于一个能量交换体系之中,包括热传导、热对流和热辐射等基本方式,包含了内部热源与外部热源的相互影响,而这些影响因素又控制着物体表面的红外特征。

根据目标物体组成材料及状态的不同,热辐射分为黑体辐射、灰体辐射、选择吸收辐射。

所谓目标,这里所指的是军事武器作战的对象物（它可以是进攻武器攻击的对象,也可以是防御武器拦截的对象）,而背景是指目标之外的一切物体。

自然界任一温度高于绝对零度的物体时刻都在向外界辐射热能,因而具有反映自身结构属性的红外辐射特征,在红外系统中可以显示出自身的红外图像。

这种红外辐射的物理本质是热辐射。

每一个物体总是处于一个相应的能量交换体系之中,涉及到热传导、热对流和热辐射等热量传递基本方式,包含了内部热源和周围外部热源的影响,诸多影响因素综合作用的效果控制着物体表面的红外特征。

对目标与背景的红外辐射特征进行研究的方法主要有以下两种：

（l）外场实验方法,即通过大量的外场实验,测量目标与背景在实际情况下的温度分布和红外辐射特征及其对比特性的变化规律,这种方法直观、准确,但要获得比较全面的目标与背景的红外辐射特性及其对比特性的数据,则需要耗费大量的人力、物力。

（2）从理论分析入手,建立目标与背景红外辐射特征及其对比特性的理论模型,再辅以少量的外场实验数据进行校模，然后利用经过校验的在一定误差范围内的目标与背景红外辐射特征及其对比特性理论模型,计算各种情况下的目标与背景红外辐射特性,研究其变化规律。

2.2红外靶标的靶体辐射波长和模拟最高温度的选择

根据普朗克定律,能够得到黑体辐射度与波长和温度的表达式：

式中通过计算可以得到不同温度下对应的峰值波长和辐射度,如图2.1所示。

图2.1不同温度下对应的峰值波长和辐射度示意图

根据调研和测试研究,当目标表面温度分布有效范围在0℃—150℃之间时,对应

的峰值波长为6.6um一10.2um,此波段绝大部分与8um一12um的红外大气窗口和红外探测器实现良好匹配。

图2.2表示分布在8um一12um范围内不同温度对应的辐射出射度,从图中我们可以看到随目标温度的不同,红外目标的辐射出射度从100W/mZ到700W/mZ。

在现在的红外图像制导系统中普遍采用的是8bit分辨率的红外图像芯片,因此其温度分辨率应该不高于0.5℃。

图2.28—12um范围内不同温度对应的辐射出射度

由于高温所对应的辐射功率分布在短波区域。

而此区域间存在红外探测器灵敏度弱和大气信道衰减强等因素,同时高温（150℃）区域红外靶标将引起电阻功耗和驱动器功耗大大提高,所以靶标模拟中可适当降低高温区靶标模拟要求。

2.3智能红外靶标系统的温控模型

智能红外靶标系统采用加热薄膜电阻的方式获得温度。

当电阻获得的功率转化为热量,使模拟靶靶体温度升高,直至与外界环境达到热平衡后,温度不再升高,也就是靶体的加热功率和与外界环境的热交换损失功率相等。

本系统利用绝热材料将电阻加热元件进行物理隔离,所以可近似任务仅存在对流、辐射两种热交换模式。

由辐射换热学公式可知,对流换热的模型可用牛顿冷却公式表述为:

q=h（Tw-Tf）

式中采用对流换热系数h,将对流换热量表述为与温度的关系。

实际上,对流换热受流体流动方式、流体种类、流动状态、固体表面几何形状和布置、温差等因素的影响,对流换热的一般形式可表述为:

h=f（uf,l,pf,kf,cpf,△T）

由于单色辐射力Ebl和温度的关系服从普朗克定律,因此实际非黑体的单色辐射力可由下式给出:

因此，单位表面积上向半球空间辐射的总能量:

根据本系统的设计要求,并通过实验,可得到如下简化的对流换热模型:

式中，、qcov为对流换热量，实验测得本系统中其数值为3.5w/m2·

K,A为物体换热面积,T为物体温度。

辐射换热模型:

其中，qrad为辐射换热量，A为物体换热面积,T为物体温度,T∞为环境温度。

热量交换达到平衡时,加热所需的功率与外界环境损失功率相等,由能量守恒定律:

由此可以得出材料、面积和形状固定的靶体置于环境温度下,达到某一温度T所需要的加热功率。

由于加热所需功率是由FPGA产生的加热控制时序信号控制电源箱输出而获得,因此加热功率:

式中,u为电源输出电压,R为加热元件的电阻,△t脉冲电流累计单位时间内通过同一电阻的时间:

采用扫描方式后，扫描频率f可以调整（频率的变化需要根据实验来决定），q为加热时的占空比。

由以上公式可以得出任环境温度确定的条件（T∞=300k）下，靶体的温度T和加热控制时序的占空比q之间的关系。

如图2.3所示

图2.3靶体的温度T与加热控制时序的占空比q关系图

2.4PID控制体系

2.4.1过程控制

过程控制是对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。

可以分为模拟控制系统、微机控制系统、直接数字控制系统。

1、模拟控制系统

基本的模拟反馈控制回路如图2.4所示

图2.4基本模拟反馈控制回路

被控变量的值由传感器或变送器来检测,这个值与给定值进行比较,得到偏差,

模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化,以使偏差趋近于零,其输出通过执行器作用于过程。

控制规律用对应的模拟硬件来实现,控制规律的修改需要更换模拟。

2、微机过程控制系统微机过程控制系统基本框图如图2.5所示。

2.5微机过程控制系统基本框图

以微型计算机作为控制器。

控制规律的实现，是通过软件来完成的。

改变控制规津，只要改变相应的程序即可。

3、直接数字控制系统（DDC）

DDC（DirectDigitalControl）系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统，系统框图如图2.6所示。

图2.6DDC系统构成框图

微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制视律（算法）进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。

由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。

DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。

本文采用了这种方法实现对红外靶标的控制。

2.4.2模拟PID调节器

1、模拟PID控制系统组成

2、模拟PID调节器的微分方程和传输函数

P工D调节器是一种线性调节器，它将给定值r（t）与实际输出值c（t）的偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

PID调节器的微分方程

（2）调节器的传输函数

3,PID调节器各校正环节的作用

比例环节:

即时成比例地反应控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。

积分环节:

主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数T,,T，越大，积分作用越弱，反之则越强。

微分环节:

能反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

第三章智能红外靶标系统总体设计

智能红外靶标系统的目的是生成所要模拟的目标及背景的红外图像，其总体设计框图如图3.1所示。

3.1智能红外靶标系统结构组成及工作原理

智能红外靶标系统的结构组成如图J.G所示，整个系统主要由数据源计算机、控制系统、电源和外围驱动电路、模拟靶靶体以及温度检测设备组成。

图3.2红外靶标的系统

智能红外靶标系统是以图像为数据源最终得到待模拟目标的红外