基于多種目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模式的光電跟蹤性能測(cè)試系統(tǒng)研究

張春仙,萬 英,張 續(xù)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著軍事技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)已由過去的近距離作戰(zhàn)模式發(fā)展為以遠(yuǎn)距離精確打擊為主的戰(zhàn)爭(zhēng)模式。作為地對(duì)空、空對(duì)地、空對(duì)空等多個(gè)武器裝備體系中打擊機(jī)動(dòng)目標(biāo)必不可少的裝備,光電跟蹤系統(tǒng)在導(dǎo)彈制導(dǎo)、火炮瞄準(zhǔn)、空間目標(biāo)跟蹤、靶場(chǎng)測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。光電跟蹤系統(tǒng)的主要作用是獲取多波段圖像后進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)和定位,引導(dǎo)伺服機(jī)構(gòu)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤和瞄準(zhǔn),并將目標(biāo)空間位置和運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)送給火控系統(tǒng)以便對(duì)目標(biāo)實(shí)施打擊,其中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤是精準(zhǔn)打擊機(jī)動(dòng)目標(biāo)的關(guān)鍵,因此在光電跟蹤系統(tǒng)的驗(yàn)收和鑒定時(shí)必須考慮對(duì)光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤性能進(jìn)行測(cè)試,由于采用真實(shí)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)際外場(chǎng)測(cè)試需要大量的人力、物力和時(shí)間,且目標(biāo)飛行條件不好控制,測(cè)試重復(fù)性較差,因此有必要在實(shí)驗(yàn)室搭建光電跟蹤性能測(cè)試系統(tǒng)。

光電跟蹤性能測(cè)試系統(tǒng)主要分兩類,一類是等效正弦輸入法[4],該方法通過生成模擬正弦信號(hào),激勵(lì)跟蹤伺服系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤,其理論依據(jù)是雖然目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性是具有多樣性的,但都可以近似轉(zhuǎn)換為不同幅度和頻率的正弦信號(hào)的累加,該方法通過計(jì)算機(jī)通信引導(dǎo)光電跟蹤伺服系統(tǒng)完成跟蹤,不經(jīng)過電視、紅外等跟蹤傳感器,因此不包括跟蹤傳感器的性能,不能全面反映光電跟蹤系統(tǒng)的性能；另一類是光電動(dòng)態(tài)靶標(biāo)檢測(cè)[5],光學(xué)系統(tǒng)采用平行光管產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)光電目標(biāo),平行光管分為反射式和透射式系統(tǒng),根據(jù)跟蹤系統(tǒng)最大角速度和最大角加速度要求,設(shè)置光電目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù),啟動(dòng)跟蹤系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤,計(jì)算跟蹤過程的脫靶量,在脫靶量滿足戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求的條件下,獲得跟蹤系統(tǒng)的最大角速度和最大角加速度。在該方法中,光電跟蹤系統(tǒng)需要對(duì)光電靶標(biāo)成像,獲取目標(biāo)成像信息,因此,比起前一類方法,可更全面評(píng)價(jià)光電跟蹤系統(tǒng)的性能。

文獻(xiàn)[6]提出一種動(dòng)態(tài)靶標(biāo)結(jié)構(gòu),其主要特點(diǎn)是無窮遠(yuǎn)光學(xué)目標(biāo)按照檢測(cè)指標(biāo)要求做標(biāo)準(zhǔn)正弦或等速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),光電跟蹤設(shè)備通過跟蹤該目標(biāo)來完成伺服性能指標(biāo)的檢測(cè)。

文獻(xiàn)[7]、[8]設(shè)計(jì)一種反射式平行光管結(jié)構(gòu),平行光管固定不動(dòng),系統(tǒng)控制位于平行光管焦面處的靶標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。

以上兩種方法存在的問題是反射式系統(tǒng)視場(chǎng)較小,且靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)模式單一。

針對(duì)以上問題,本文提出一種跟蹤性能測(cè)試方案,該測(cè)試方案采用長(zhǎng)焦透射式光學(xué)系統(tǒng),相比反射式系統(tǒng)視場(chǎng)更大,靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)采用正余弦、圓周等多種運(yùn)動(dòng)模式,還可根據(jù)具體戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的特點(diǎn)自定義運(yùn)動(dòng)曲線,滿足更多的測(cè)試需求。

2 光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤性能測(cè)試系統(tǒng)組成

圖1為測(cè)試系統(tǒng)組成框圖,測(cè)試系統(tǒng)由投影紅外光學(xué)成像系統(tǒng)(中、長(zhǎng)波紅外光學(xué)投影鏡頭)、目標(biāo)模擬器(二維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、靶標(biāo))、常溫、高溫黑體組件及控制系統(tǒng)組成,采用紅外光學(xué)系統(tǒng)耦合技術(shù)、像方掃描技術(shù)和高精度運(yùn)動(dòng)控制技術(shù),模擬光電探測(cè)設(shè)備視場(chǎng)范圍內(nèi)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)、能量變化特性(根據(jù)目標(biāo)溫度與輻射能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過設(shè)置不同溫度而獲得不同的輻射能量),實(shí)現(xiàn)對(duì)光電跟蹤性能的測(cè)試。

控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成。工控機(jī)運(yùn)行上位機(jī)控制軟件,通過RS232接口接收主控系統(tǒng)發(fā)送的外部控制指令,生成黑體溫控指令和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)指令,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)接收工控機(jī)指令,控制目標(biāo)在視場(chǎng)范圍內(nèi)的快速運(yùn)動(dòng),如圖2所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of test system

圖2 控制系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of control system

目標(biāo)模擬器包括二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和靶標(biāo)組件,靶標(biāo)組件模擬無窮遠(yuǎn)處不同張角的目標(biāo),由單點(diǎn)靶標(biāo)和多點(diǎn)靶標(biāo)組成。靶標(biāo)固定在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上,接收運(yùn)動(dòng)控制指令,實(shí)現(xiàn)航向、俯仰方向的運(yùn)動(dòng),模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡,運(yùn)動(dòng)軌跡包括圓周運(yùn)動(dòng)、正弦運(yùn)動(dòng)、余弦運(yùn)動(dòng),也可根據(jù)戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)自定義運(yùn)動(dòng)曲線。設(shè)備如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)配置Fig.3 Configuration of test system

技術(shù)參數(shù)如下:

準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)波段:3～5 μm、8～12 μm；

焦距:500 mm；

視場(chǎng):6.71°×5.38°；

光學(xué)出瞳口徑:250 mm；

靶標(biāo)尺寸:0.03～3 mm；

靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)精度:±5 μm；

跟蹤角度精度:±2″。

3 測(cè)試流程

開始測(cè)試時(shí),設(shè)置黑體溫度和靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)曲線,待黑體溫度穩(wěn)定后,靶標(biāo)開始運(yùn)動(dòng),跟蹤系統(tǒng)傳感器對(duì)靶標(biāo)成像并啟動(dòng)跟蹤,測(cè)控計(jì)算機(jī)通過圖像采集卡采集跟蹤系統(tǒng)輸出的視頻圖像,計(jì)算跟蹤脫靶量,評(píng)估滿足脫靶量要求的跟蹤最大角速度和最大角加速度位于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)焦平面處的運(yùn)動(dòng)靶標(biāo)模擬無窮遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo),其角速度和角加速度的計(jì)算方法如下:

以X方向正弦運(yùn)動(dòng)為例,靶標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方程為:

x=Asin(2πft)

式中,x為靶標(biāo)水平方向偏離視場(chǎng)中心的角度值,單位(°)；A為振幅,單位(°)；f為頻率,單位(Hz)。

靶標(biāo)X方向的角速度為:

靶標(biāo)X方向的角加速度為:

由此可見,運(yùn)動(dòng)過程中最大角速度為2πfA,最大角加速度為(2πf)2A。

測(cè)試時(shí),根據(jù)跟蹤系統(tǒng)戰(zhàn)技指標(biāo)要求,計(jì)算得到跟蹤最大角速度和最大角加速度,并依據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)的頻率f和振幅A,觀察靶標(biāo)跟蹤情況,并采集跟蹤視頻,計(jì)算跟蹤過程中方位和俯仰方向的跟蹤精度,在跟蹤精度滿足系統(tǒng)要求時(shí),得到跟蹤系統(tǒng)的最大角速度和最大角加速度,跟蹤精度計(jì)算公式如下:

式中,θ為方位(或俯仰)跟蹤精度;α1為第一幀方位(或俯仰)偏差;αn為第n幀方位(或俯仰)偏差。

4 測(cè)試過程實(shí)例

4.1 根據(jù)戰(zhàn)技指標(biāo)要求計(jì)算跟蹤過程中目標(biāo)最大角速度和角加速度

以某跟蹤系統(tǒng)為例,跟蹤目標(biāo)為相距d的平飛目標(biāo),目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度為v,如圖4所示。

圖4 目標(biāo)角速度計(jì)算Fig.4 Target angular velocity calculation

在目標(biāo)從跟蹤系統(tǒng)左前方30°到右前方30°的飛行過程中,目標(biāo)相對(duì)于跟蹤系統(tǒng)的角度為α,目標(biāo)相對(duì)于跟蹤系統(tǒng)的角速度為w,目標(biāo)相對(duì)于跟蹤系統(tǒng)的角加速度為a,則:

=-vd/[d2+(L-vt)2]

通過求導(dǎo)求極值可知:

當(dāng)α= 0°時(shí),|w|取最大值,且：

|wmax|=v/d

當(dāng)α= 30°時(shí),|a|取最大值,且：

以距離d為4 km,速度v為400 m/s為例,其最大角速度和最大角加速度分別為:

|wmax|=0.1/s

4.2 設(shè)置靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

(1)選擇正弦運(yùn)動(dòng)時(shí),計(jì)算對(duì)應(yīng)最大角速度和最大角加速度的正弦運(yùn)動(dòng)振幅和頻率,并依據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置目標(biāo)運(yùn)動(dòng)振幅和頻率。

2πfA=0.1

(2πf)2A=0.006495

根據(jù)該式計(jì)算后,得到的A過大,超出視場(chǎng)范圍,因此,可先將A設(shè)置為最大視場(chǎng)半角,該系統(tǒng)中,A為3°,由以上兩式得到分別對(duì)應(yīng)于最大角速度和最大角加速度的f1和f2,取其中較大值作為目標(biāo)進(jìn)行正弦運(yùn)動(dòng)的頻率f。

f1=0.303 Hz

f2=0.056 Hz

則目標(biāo)正弦運(yùn)動(dòng)的頻率f選擇0.303 Hz,振幅選擇3°。

可依據(jù)方位和俯仰方向的不同跟蹤性能要求分別進(jìn)行方位和俯仰方向的正弦運(yùn)動(dòng)測(cè)試,與圓周運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于同時(shí)進(jìn)行方位和俯仰方向的正弦運(yùn)動(dòng))相比,便于分析和定位問題。

由于正弦運(yùn)動(dòng)初始速度最大,短時(shí)間內(nèi)速度從0增加到最大速度,初始加速度有可能超過設(shè)計(jì)要求,在這種情況下,有可能跟蹤系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤,此時(shí)可采用余弦運(yùn)動(dòng)。

(2)選擇圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),計(jì)算對(duì)應(yīng)最大角速度和最大角加速度的圓周運(yùn)動(dòng)的半徑和頻率,并依據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置目標(biāo)運(yùn)動(dòng)半徑和頻率。

靶標(biāo)相對(duì)跟蹤系統(tǒng)光軸的角度為R,則靶標(biāo)角速度w和角加速度a分別為:

w=2πfR

a=(2πf)2R

式中,f為旋轉(zhuǎn)頻率。

R取最大視場(chǎng)半角3°,此時(shí)由以上兩式同樣可得到分別對(duì)應(yīng)于最大角速度和最大角加速度的f1和f2,取其中較大值作為目標(biāo)進(jìn)行正弦運(yùn)動(dòng)的頻率f。

f1=0.303 Hz

f2=0.056 Hz

則目標(biāo)圓周運(yùn)動(dòng)的頻率f選擇0.303 Hz,半徑選擇3°。

(3)靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)模式還可根據(jù)用戶需要定義,或者通過外場(chǎng)所采集的實(shí)際運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的視頻圖像自動(dòng)生成靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)曲線。

生成靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)曲線的流程如圖5所示。

圖5 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)曲線生成流程

4.3 啟動(dòng)跟蹤,穩(wěn)定跟蹤后計(jì)算跟蹤脫靶量

跟蹤系統(tǒng)傳感器對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)直系統(tǒng),高精度電機(jī)控制靶標(biāo)依據(jù)所設(shè)置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)運(yùn)動(dòng),跟蹤系統(tǒng)對(duì)其啟動(dòng)跟蹤,測(cè)控計(jì)算機(jī)采集跟蹤圖像,若能在一段時(shí)間內(nèi)(本次試驗(yàn)為7 min)保持對(duì)目標(biāo)的跟蹤,如圖6所示,則計(jì)算跟蹤過程中的脫靶量,若脫靶量滿足要求,則說明跟蹤性能滿足所設(shè)置的最大角速度和最大角加速度要求。若在一段時(shí)間后目標(biāo)跟蹤丟失,如圖7所示,則說明跟蹤性能不滿足所設(shè)置的最大角速度和最大角加速度要求,需調(diào)試系統(tǒng)后重新測(cè)試。

圖6 目標(biāo)跟蹤狀態(tài)Fig.6 Target tracking status

圖7 目標(biāo)跟蹤丟失狀態(tài)Fig.7 Target tracking loss status

脫靶量計(jì)算過程如下所示:

(1)讀取跟蹤圖像,選取目標(biāo)所在區(qū)域,如圖8、9所示；

(2)對(duì)所在區(qū)域圖像進(jìn)行二值化處理后(如圖10所示),得到目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo),計(jì)算質(zhì)心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)的方位和俯仰差值,并以圖像幀數(shù)為橫坐標(biāo),距離為縱坐標(biāo),繪制出脫靶量曲線圖,如圖11所示。

(3)分別計(jì)算出方位和俯仰方向的跟蹤精度,若跟蹤精度滿足系統(tǒng)要求,則測(cè)試完成；若跟蹤精度不滿足要求,則需要調(diào)試后重新測(cè)試。

圖8 讀取跟蹤圖像Fig.8 Tracking image reading

圖9 選取目標(biāo)區(qū)域Fig.9 Target area selection

圖10 二值化處理目標(biāo)圖像Fig.10 Target image binarization

圖11 脫靶量曲線圖Fig.11 Miss distance curve

根據(jù)圖12的方位和俯仰偏差,可得到方位跟蹤精度為6.6 pix,俯仰跟蹤精度為6.0 pix,根據(jù)傳感器每像素瞬時(shí)視場(chǎng),可得到方位和俯仰跟蹤精度所對(duì)應(yīng)的角度值。

圖12 脫靶量數(shù)據(jù)表Fig.12 Miss distance data sheet

5 結(jié) 論

跟蹤最大角速度和最大角加速度是評(píng)價(jià)光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤性能的主要參數(shù),本文所提出的光電跟蹤測(cè)試系統(tǒng)采用透射式中長(zhǎng)波準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng),與反射式系統(tǒng)相比,視場(chǎng)更大,靶標(biāo)不僅可進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)和正余弦運(yùn)動(dòng),還可依據(jù)外場(chǎng)采集視頻中的實(shí)際目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng),因此可模擬具有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)特性的目標(biāo),靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)精度高,總的來說,該系統(tǒng)具有大視場(chǎng)、高精度、運(yùn)動(dòng)模式多樣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)光電跟蹤最大角速度和最大角加速度的高精度測(cè)試。