空對地精確攻擊瞄準(zhǔn)光電轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)設(shè)計

王昊鵬,劉澤乾,張會勇,劉成亮,李星宇

(1.海軍航空工程學(xué)院 武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程系,山東 煙臺 264000；2.空軍航空大學(xué) 作戰(zhàn)指揮系,吉林 長春 130022)

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·光電技術(shù)與系統(tǒng)·

空對地精確攻擊瞄準(zhǔn)光電轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)設(shè)計

王昊鵬1,2,劉澤乾2,張會勇2,劉成亮2,李星宇2

(1.海軍航空工程學(xué)院 武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程系,山東 煙臺 264000；2.空軍航空大學(xué) 作戰(zhàn)指揮系,吉林 長春 130022)

某些現(xiàn)役轟炸機(jī)均未配備能夠?qū)崿F(xiàn)全天候精確轟炸的光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng),其轟瞄設(shè)備為純光學(xué)目視老設(shè)備,夜間及復(fù)雜氣象條件下無法觀測目標(biāo),不能完成精確轟炸。為實(shí)現(xiàn)空對地的全天候精確攻擊瞄準(zhǔn),本文根據(jù)國內(nèi)光電轉(zhuǎn)塔技術(shù)研究現(xiàn)狀,設(shè)計了集熱像儀、可見光攝像機(jī)和激光測距機(jī)于一體,通過對作用距離和穩(wěn)定精度的計算和仿真,確立了光學(xué)接口板、穩(wěn)定平臺及控制電子箱等分系統(tǒng)的設(shè)計方案,并對穩(wěn)定精度進(jìn)行了仿真測試及校驗(yàn)。結(jié)果表明,本文設(shè)計的光電轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)空對地全天候的精確攻擊瞄準(zhǔn),能夠滿足夜間及復(fù)雜氣象條件下觀測目標(biāo)的要求,可以在現(xiàn)役機(jī)型上得到實(shí)際應(yīng)用。

光電轉(zhuǎn)塔；光電瞄準(zhǔn)；制冷紅外攝像機(jī)；非制冷紅外攝像機(jī)；可見光攝像機(jī)

1 引 言

光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)正在取代傳統(tǒng)型光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng),成為實(shí)現(xiàn)全天候精確轟炸的新一代瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。而我國光電瞄準(zhǔn)技術(shù)起步較晚,尤其在轟炸作戰(zhàn)領(lǐng)域的應(yīng)用,現(xiàn)役主站轟炸機(jī)均未配備光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng),其轟瞄設(shè)備為純光學(xué)目視老設(shè)備。這些設(shè)備技術(shù)落后、重量大、操作繁瑣,顯然已經(jīng)無法滿足當(dāng)今信息化作戰(zhàn)要求,主要是表現(xiàn)在目標(biāo)截獲難、轟炸精度低、載機(jī)生產(chǎn)能力弱三個方面。為現(xiàn)役主戰(zhàn)轟炸機(jī)加裝光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng),對于提高飛機(jī)夜間訓(xùn)練、作戰(zhàn)能力具有一定的理論及實(shí)踐指導(dǎo)意義,能夠?yàn)槌浞职l(fā)揮常規(guī)航空炸彈及激光制導(dǎo)炸彈作戰(zhàn)性能打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1-5]。

轟炸瞄準(zhǔn)中,可見光、紅外攝像機(jī)將目標(biāo)視頻信號傳送到視頻跟蹤器對目標(biāo)進(jìn)行全天候搜索、跟蹤,視頻跟蹤器將目標(biāo)圖像信息傳送到載機(jī)顯控系統(tǒng)(指揮儀)實(shí)時顯示,激光測距/指示器將測得的目標(biāo)三維位置數(shù)據(jù)輸出到伺服控制器和主控計算機(jī),伺服控制器對目標(biāo)三維位置數(shù)據(jù)取差信號功率放大,控制伺服電機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)地角跟蹤,激光測距/指示器同步指示目標(biāo),引導(dǎo)激光制導(dǎo)炸彈轟炸目標(biāo),原理及瞄準(zhǔn)過程同其他機(jī)型上激光制導(dǎo)炸彈[6-10]。設(shè)計三光集成的機(jī)載光電轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)是本文研究的主要內(nèi)容。

光電轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)是一種應(yīng)用了陀螺穩(wěn)定技術(shù)的光學(xué)設(shè)備,通常集成了紅外攝像機(jī)、可見光攝像機(jī)和激光測距機(jī)等多種光學(xué)傳感器,具有隔離載體運(yùn)動保持瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定的功能。以某型主戰(zhàn)轟炸機(jī)為平臺設(shè)計的光電轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)外形示意如圖1所示。

圖1 光電轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)外形示意圖

光電轉(zhuǎn)塔的外形尺寸和安裝接口如圖2所示。

圖2 光電轉(zhuǎn)塔外形尺寸和安裝接口

控制電子箱的外形尺寸和安裝接口如圖3所示。

圖3 控制電子箱外形尺寸和安裝接口

減振托架的外形尺寸和安裝接口如圖4所示。

圖4 減振托架外形尺寸和安裝接口

2 總體方案

2.1 系統(tǒng)組成

依據(jù)轟炸光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)指標(biāo)要求,光電轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)由兩部分組成：光電轉(zhuǎn)塔和控制電子箱。光電轉(zhuǎn)塔以穩(wěn)定平臺為基礎(chǔ),集成了制冷紅外攝像機(jī)、非制冷紅外攝像機(jī)、可見光攝像機(jī)、激光測距機(jī)和光學(xué)接口板；控制電路則置于箱體內(nèi),包括了視頻處理板、通訊/伺服控制板和電源處理板,箱體通過減振托架與載體連接。

光電轉(zhuǎn)塔總體為四軸雙框架結(jié)構(gòu),內(nèi)置多種光學(xué)探測器,形成一個一體化的光電設(shè)備,如圖5所示。為了伺服控制需要,在光電轉(zhuǎn)塔內(nèi)還包括陀螺、旋轉(zhuǎn)變壓器、電機(jī)等組件。

圖5 光電轉(zhuǎn)塔分解示意圖

控制電子箱為光電轉(zhuǎn)塔的控制設(shè)備。其中箱體為視頻處理板、通訊/伺服控制板和電源處理板承載機(jī)構(gòu)及提供物理防護(hù)和導(dǎo)熱裝置；視頻處理板根據(jù)成像系統(tǒng)傳來的圖像,計算出目標(biāo)相對光軸的偏差,并將偏差計算結(jié)果輸出給通訊/伺服控制板以控制轉(zhuǎn)塔將瞄準(zhǔn)線指向目標(biāo),還具有字符疊加的功能；通訊伺服控制板完成轉(zhuǎn)塔相對于慣性空間運(yùn)動的速度采樣和角位置采樣,根據(jù)控制指令運(yùn)行相應(yīng)的控制算法,以控制穩(wěn)定平臺電機(jī),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺的各種運(yùn)動,包括手動跟蹤、保持、回零等；電源處理板完成對輸入電源的濾波及穩(wěn)壓,提高系統(tǒng)的電磁兼容性能及為系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備提供穩(wěn)壓電源。

2.2 系統(tǒng)電氣連接關(guān)系

根據(jù)上述對系統(tǒng)工作模式的分析,結(jié)合兩種工作模式下的數(shù)據(jù)流,并綜合考慮系統(tǒng)各部分的供電狀況,光電轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)連接關(guān)系，如圖6所示。

圖6 電氣系統(tǒng)連接關(guān)系

2.3 作用距離關(guān)鍵指標(biāo)校核

(1)紅外攝像機(jī)

(a)按幾何分辨率計算

在標(biāo)準(zhǔn)能見度條件下(環(huán)境溫度25 ℃,相對濕度80%,能見度大于23.5 km),如果目標(biāo)的幾何尺寸為H×W,按約翰遜準(zhǔn)則,探測或識別至少需要nH×nw像素2,則成像距離R的計算公式為：

其中,δ為角分辨率。對應(yīng)本方案中的制冷紅外攝像機(jī),其小視場的視場角為1.83°×1.47°(水平×垂直),探測器的像元數(shù)為320×256,則角分辨率為0.1 mrad。

當(dāng)識別和探測概率為50%時,根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則,探測對應(yīng)的nH×nw=2×2像素2,識別對應(yīng)的nH×nw=8×8像素2。當(dāng)識別和探測概率為95%時,需要再乘以TTPF因子2,則探測對應(yīng)的nH×nw=4×4像素2,識別對應(yīng)的nH×nw=16×16像素2。

(b)按NETD計算

紅外探測器以溫度定義的信噪比(SNR)為：

其中,NETD是所選擇的紅外熱像儀的等效噪聲溫度差,本方案中的制冷紅外攝像機(jī),其NETD為35 mK。ΔTR是目標(biāo)與背景溫差ΔT經(jīng)過距離R之后到達(dá)探測器的溫差,其值為：

ΔTR=ΔTe-αR

此處α為紅外的衰減系數(shù),在標(biāo)準(zhǔn)能見度條件下(環(huán)境溫度25 ℃,相對濕度80%,能見度大于23.5 km),α=0.07。不同目標(biāo)與背景之間的溫差ΔT一般不同,艦船與背景之間的溫差為2 K,人、車輛、飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)與背景之間的溫差均大于5 K。為簡化計算,取ΔT為2 K和5 K分別進(jìn)行計算。綜合上述兩個公式,可以推導(dǎo)出：

另外,一般來說,SNR=2.8可以保證50%的探測概率,SNR=4.1可以保證95%的探測概率以及對目標(biāo)的可靠跟蹤。

(2)可見光攝像機(jī)

在標(biāo)準(zhǔn)能見度條件下(環(huán)境溫度25 ℃,相對濕度80%,能見度大于23.5 km),如果目標(biāo)的幾何尺寸為H×W,按約翰遜準(zhǔn)則,探測或識別至少需要nH×nw像素2,則成像距離R的計算公式為：

其中,δ為角分辨率。對應(yīng)本方案中的可見光攝像機(jī),其小視場的視場角為1.83°×1.37°(水平×垂直),探測器的像元數(shù)為752×582,則角分辨率為0.04 mrad。

由于可見光攝像機(jī)無法像紅外攝像機(jī)一樣通過熱量來輔助識別目標(biāo),所以對于同樣的探測和識別概率,可見光攝像機(jī)需要更多的像素。當(dāng)識別和探測概率為50%時,根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則,探測對應(yīng)的nH×nw=4×4像素2,識別對應(yīng)的nH×nw=16×16像素2。當(dāng)識別和探測概率為95%時,需要再乘以TTPF因子2,則探測對應(yīng)的nH×nw=8×8像素2,識別對應(yīng)的nH×nw=32×32像素2。

3 分系統(tǒng)方案

3.1 光學(xué)接口板方案

光學(xué)接口板組成包括三個模塊：通訊模塊、視頻信號轉(zhuǎn)換模塊。通訊模塊的控制由DSP處理器實(shí)現(xiàn),視頻信號轉(zhuǎn)換模塊由模擬轉(zhuǎn)換芯片搭建。

(1)通訊模塊

通訊模塊用于連接三個光學(xué)傳感器的通訊接口以及對通訊/伺服控制板的通訊接口。

通訊模塊主要負(fù)責(zé)接收通訊/伺服控制板發(fā)送的控制指令,解析后將控制指令發(fā)送到相對應(yīng)的光學(xué)傳感器。同時,通訊模塊要接收三個光學(xué)傳感器返回的狀態(tài)信息,將這些信息全部打包以后,通過通訊接口向通訊/伺服控制板發(fā)送。通訊模塊對三個光學(xué)傳感器的通訊接口為RS422串口。

(2)視頻信號轉(zhuǎn)換模塊

從可見光攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)輸出的電視視頻信號是普通模擬電視信號,在長距離傳輸過程中容易衰減,而且在復(fù)雜的電磁環(huán)境下也容易受干擾。為了提高視頻信號的傳輸距離,以及提高視頻信號的抗干擾能力,在光學(xué)接口板上將紅外和可見光攝像機(jī)視頻信號轉(zhuǎn)成差分模擬視頻信號進(jìn)行傳輸。光學(xué)接口板連接關(guān)系，如圖7所示。

圖7 光學(xué)接口板連接關(guān)系圖

3.2 穩(wěn)定平臺密封性設(shè)計方案

穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)組件是用來承接各光學(xué)探測器及伺服執(zhí)行組件,起到將光電轉(zhuǎn)塔連接為一個整體的功能。

為了提高環(huán)境適應(yīng)性,穩(wěn)定平臺在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時充分考慮了密封性能和防腐蝕性能。穩(wěn)定平臺的所有連接部位均設(shè)計了密封槽用以安放密封膠繩,如圖8所示；軸系部分采用了迷宮式密封設(shè)計,通過在迷宮式溝槽內(nèi)加入油脂,可以有效地防水,如圖9所示。上述密封形式已經(jīng)通過多種定型產(chǎn)品的相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)檢測,效果良好。外用防護(hù)漆采用專用氟聚氨酯半光磁漆,耐濕熱,耐鹽霧,耐霉菌。

圖8 連接部位的密封槽設(shè)計圖

圖9 軸系部分采用迷宮式密封

此外,在外環(huán)軸系還采用了特殊的動密封圈,由不銹鋼彈簧與聚四氟乙烯組合而成。PTFE板彈簧組合U型密封圈由適當(dāng)?shù)膹椈蓮埩由舷到y(tǒng)流體壓力,將密封唇頂出而輕輕壓住被密封的金屬面以形成非常優(yōu)異的密封效果。其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 動密封圈示意圖

3.3 控制電子箱

(1)箱體設(shè)計

控制電子箱箱體結(jié)構(gòu)按照GJB441中的標(biāo)準(zhǔn)1/2ATR機(jī)箱設(shè)計,電子箱中共5個印制板插槽,電路板為6U標(biāo)準(zhǔn)尺寸,電路板上設(shè)計有鎖緊機(jī)構(gòu)和起拔器,并針對質(zhì)量較大的模塊進(jìn)行了加固；電源板設(shè)計有全鋁外殼用于加固和散熱。

控制電子箱可按GJB779配置減振托架及快拆結(jié)構(gòu),或按用戶要求安裝。

控制電子箱外形如圖11所示。

圖11 控制電子箱外形圖

(2)視頻跟蹤設(shè)計

視頻跟蹤器接收紅外或可見光數(shù)字視頻,實(shí)現(xiàn)圖像預(yù)處理、目標(biāo)識別、目標(biāo)捕獲、目標(biāo)跟蹤等功能,生成并輸出誤差信號。跟蹤器內(nèi)置了質(zhì)心跟蹤算法和相關(guān)跟蹤算法,能夠跟蹤小目標(biāo)及面目標(biāo)。

跟蹤器工作過程分為兩個階段：搜索階段和跟蹤階段。在搜索階段具有兩種工作方式：①接收外部指令手動搜索目標(biāo),找到目標(biāo)后采用中心截獲方式捕獲目標(biāo)。②處于自動捕獲模式時對視頻進(jìn)行圖像分割,通過目標(biāo)識別獲得一些感興趣區(qū)域,然后根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)選擇策略自動捕獲目標(biāo)。跟蹤器在捕獲目標(biāo)后設(shè)置跟蹤波門,自動轉(zhuǎn)入跟蹤階段。

在目標(biāo)跟蹤階段根據(jù)目標(biāo)本身特征情況分為兩種跟蹤模式：隨著目標(biāo)距離由遠(yuǎn)變近,目標(biāo)在圖像上呈現(xiàn)為由點(diǎn)目標(biāo)到面目標(biāo)的變化。在遠(yuǎn)距離處,目標(biāo)像點(diǎn)很小,可以提取的目標(biāo)特征少,因此只能采用質(zhì)心跟蹤模式；當(dāng)距離逐漸變小時,目標(biāo)圖像特征逐漸明晰,這時可以考慮相關(guān)跟蹤模式。

跟蹤器默認(rèn)進(jìn)入手動搜索模式,可以接收外部指令切換到自動搜索模式。在跟蹤階段還可以接收外部指令修改瞄準(zhǔn)點(diǎn),修改瞄準(zhǔn)點(diǎn)后以中心截獲方式重新捕獲目標(biāo),同時跟蹤窗口尺寸可以根據(jù)外部指令進(jìn)行人工調(diào)整。在目標(biāo)被遮擋時跟蹤器轉(zhuǎn)入記憶跟蹤,當(dāng)目標(biāo)以直線方式運(yùn)動時,跟蹤器能夠在目標(biāo)再次出現(xiàn)時重新捕獲目標(biāo)。

目標(biāo)跟蹤器的工作流程圖如圖12所示。

圖12 目標(biāo)跟蹤器工作流程圖

(3)通訊/伺服控制板

通訊/伺服控制板包括通訊控制模塊和伺服控制模塊。通訊/伺服控制板包括通訊控制模塊和伺服控制模塊。

伺服控制板連接關(guān)系框圖如圖13所示。

圖13 伺服控制板連接關(guān)系圖

伺服控制板的設(shè)計內(nèi)容除了硬件設(shè)計外還包括伺服控制軟件設(shè)計。伺服控制軟件以事件為任務(wù)驅(qū)動,使用狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方式響應(yīng)分系統(tǒng)的操作和動作,能夠有效地滿足分系統(tǒng)在伺服控制操作方面的實(shí)時性需求。

4 穩(wěn)定精度

穩(wěn)定精度是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定回路的核心指標(biāo)。穩(wěn)定回路實(shí)現(xiàn)的是速率穩(wěn)定,其原理是：由于外來干擾力矩的作用,使得穩(wěn)定平臺相對慣性空間產(chǎn)生了運(yùn)動。穩(wěn)定平臺上的速率陀螺測出該相對角速度,經(jīng)放大、校正后驅(qū)動穩(wěn)定平臺上的電機(jī),電機(jī)輸出力矩以抵抗干擾力矩直至穩(wěn)定平臺相對慣性空間的角速度為零。穩(wěn)定回路的組成如圖14所示。

圖14 穩(wěn)定回路組成

瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度的性能指標(biāo)要求為[11]：

方位：≤0.02 mrad(1δ)(1°/2 Hz、2°/1 Hz擾動條件下)；

俯仰：≤0.02 mrad(1δ)(1°/2 Hz、2°/1 Hz擾動條件下)；

本方案對于穩(wěn)定精度的校核主要通過軟件仿真和系統(tǒng)實(shí)際測量相結(jié)合的方法來進(jìn)行。仿真工具使用Matlab,實(shí)踐證明其仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果偏差較小,穩(wěn)定回路的仿真界面如圖15所示。

圖15 穩(wěn)定回路仿真

通過仿真得到的穩(wěn)定精度測試數(shù)據(jù)如圖16所示。

圖16 穩(wěn)定精度測試數(shù)據(jù)

由仿真計算結(jié)果可見,在給定的擾動下,方位、俯仰方向穩(wěn)定精度均在20 μrad(1δ)之內(nèi),滿足指標(biāo)要求。

5 結(jié) 論

為解決轟炸機(jī)光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難題,本文就三光集成的光電轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)設(shè)計難點(diǎn)展開研究,建立總體設(shè)計方案,實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵指標(biāo)校驗(yàn)和穩(wěn)定精度仿真,從而為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。在空對地精確攻擊瞄準(zhǔn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,充分利用光電探測設(shè)備特點(diǎn),緊密結(jié)合載機(jī)武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu),模擬了轟炸光電瞄準(zhǔn)過程,通過對系統(tǒng)穩(wěn)定精度的仿真驗(yàn)證系統(tǒng)操作的可行性。結(jié)果表明,模型能夠穩(wěn)定解算瞄準(zhǔn)諸元,控制飛控、預(yù)告、投彈指令輸出,主控計算機(jī)工作穩(wěn)定、通信正常,前艙執(zhí)行單元調(diào)理信號正確,能夠滿足轟炸光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的指標(biāo)要求,可以在某型主戰(zhàn)轟炸機(jī)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

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WANG Hao-peng1,2,LIU Ze-qian2,ZHANG Hui-yong2,LIU Cheng-liang2,LI Xing-yu2

(1.Weapon Systems and Utilization Engineering,Naval Aviation Engineering Institute,Yantai 264000,China;2.Campaign and Command Department,Aviation University of Air Force,Changchun 130022,China)

Domestic bombers have not been equipped with the electro-optical targeting system(EOTS),that makes them not be able to observe targets at night,and precise bombing cannot be realized as the current bombing targeting systems are the all-optic targeting systems,so the EOTS is needed.According to the technology status of domestic electro-optical turret,a turret system that integrates thermal imager,visible light camera and laser rangefinder was designed for achieving all-weather air-to-ground precision attack.Through the calculation and simulation of operating range and stable precision,a design scheme of the optical interface board,stable platform and electronic control box uniform system was established,and simulation test and verification of stable precision have been done.Results show that precise air-to-ground all-weather attack targeting can be realized by the designed electro-optical turret system at night and complex weather conditions,which can get practical application in domestic bombers.

electro-optic turret;electro-optical targeting;refrigeration infrared camera;uncooled infrared camera;visible light camera

1001-5078(2015)06-0656-07

軍隊(duì)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(No.KJ05138)資助。

王昊鵬(1987-)，男，博士研究生，主要研究工作是武器系統(tǒng)建模與仿真。E-mail:roc_whp@sina.com

2014-08-13;

2014-09-17

TJ760

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.012