（通信与信息系统专业论文）小型光电跟踪系统设计.pdf

摘要 本文茸先摇述了小型光电舔踪系统的基本组成及其工作原理，在诧辇勰上论 证了系统的主要性能指标要求和满足指标采用的方法。 本文立足予系统工程实际，戳t m s 3 2 0 f 2 4 0 为控审l 核心构戒离精度控潮和数 捌处理模块，并根据实际需要，扩展了高精度，高集成度的a d 与d a 辅助控制 擎元。既舞，为舔证数据交换靛蜜辩往，系统内帮各分褫阕采焉中断方式避行通 信，设计了并行总线、双端口r a m 接口：系统对外数据交换则采用属于串行总线 范薅煞接澍器弱郝骥( c a n ) 。在髭璇律平台设诗静基霰 | 上，本文蔽攥系统掰要求 实现的功能进行r 系统软件设计。按照系统四种主要工作方式设计了四个主程序 滚程，每个主程序内部按照调臻关系分藏鞫缀模块，允许上级模块瓣下级模块遴 彳亍调用。径设计过程中，本文探讨了基于最小二乘原理的记忆跟踪算法在定点 d s p 土熬实臻窥影螭趋线攘合精菠戆若予疆素、戳及大惫菠耋逶应茯逮溪转算 法等软件的工程实现。在软件的初始化部分，对应独立的c a n 控制器对c a n 总线 遴行了设攫，蒡设诗了c a n 蓥线接收，发送予程廖。 小型光电跟陈系统设计完成厨作了大蹩试验，对各种聊能目标进行了自动跟 踪试验，慰系统遴簿了充分验证。大量实验结象均表疆，该系统磷割达到了颈期 目标，具有实用价值。 关麓镶：光电跟踪，d s p ，记忆跟踪，c a n 总线，电视跟踪致，激光测距规 a b s t r a c t b e g i n n i n gw i t ht h ed e s c n p t i o n so f t h em a i nc o n f i g u r a t i o na n dt h ep r i n c i p l e so f s m a l l s i z e do p t o e l e c t r o n i ct r a c k i n gs y s t e m ，t h em a i nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n so ft h e s y s t e m a n dt h ew a y st om e e tt h e s es p e c i f i c a t i o n sa r ed e m o n s t r a t e d g r o u n do na c t u a lw o r k ，h i g hp r e c i s i o nc o n t r o la n dd a t ap r o c e s s i n gm o d u l ei s c o n s t r u c t e d 、i t l lt m s 3 2 0 f 2 4 0c o r e h i g hp r e c i s i o na n dm o n o l i t h i ca d 、d a a i d e dc o n t r o lm o d u l ea r ee x t e n d e d f u r t h e r m o r e ，t oi n s u r er e a lt i m eu p d a t eo f t h e d a t a ， c o m m u n i c a t i o nb yi n t e r r u p tm o d ei s a d o p t e da n dp a r a l l e lb u s 、d u a l - p o r ts r a m i n t e r f a c ea r e d e s i g n e da m o n ga l ls u b s y s t e m s i n s i d es m a l l - s i z e d o p t o e l e c t r o n i c t r a c k i n gs y s t e m c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( c a n ) i sa d o p t e d i nd a t ac h a n g i n go u t s i d e t h es y s t e m ，w h i c hb e l o n gt o s e r i a lb u s b a s e do nt h e s eh a r d w a r e ，s y s t e mc o n t r o l s o f t w a r ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n sg o i n gt ob er e a l i z e dc o m p l i a n c ew i t h t h ef o u rm a i nw o r k i n gm o d eo ft h es y s t e m ，f o u rm a i np r o g r a mr o u t e sa r ec o n s t r u c t d m o d u l e sd i v i d e di n t of o u rc l a s s e sa r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e i rc a l l i n gr e l a t i o n si n e a c hm a i nr o u t e ，w h i c hc a nb ec a l l e df r o mu pc l a s s e st ob o t t o m h o wt or e a l i z e m e m o r yt r a c k i n ga r i t h m e t i cb a s e d0 1 1l e a s eq u a d r a t i ct h e o r yb yaf i x e d - p o i n td s p , s e l f - a d a p t e dt r a n s f e ra tb i ga n g l ea n d c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k i n t e r f a c e ，e t c i na c t u a l e n g i n e e r i n g a r ea l s od i s c u s s e d i nt h ei n i t i a l p a r t o ft h es o f t w a r e ，c a nb u si s c o n f i g u r e da n ds u b r o u t i n e sf o rc o m m u n i c a t i o na r ed e s i g n e dc o m p l i a n c ew i t ht h e s t a n d - a l o n ec a nc o n t r o l l e r a g r e a td e a le x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n ea f t e rt h ed e s i g no ft h es m a l l s i z e d o p t o e l e e t r o n i ct r a c k i n gs y s t e m e a c hp o s s i b l et a r g e t s t r a c k i n ge x p e r i m e n t sh a v eb e e n d o n ei nt h ef i e l d ，w h i c hi saf u l lt r i a lt ot h es y s t e m l o t so f t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mr e a c h e dd e s i g nr e q u i r e m e n ta n di th a sp r e f e r a b l ep r a c t i c a b i l i t y k e y w o r d ：o p t o e l e c t r o n i ct r a c k i n g ，d s p , m e m o r yt r a c k i n g ，c a nb u s ，t v t r a c k e r s l 髂e rr a n g e rf i n d e r s 一笙：鏊篁笙 第一章绪论 1 1研究背景、意义及国内外发展动态 一，碜 究瑟袋 在现代战争条件下，对我方设施而言，巡航导弹、作战飞机已成为最大的空中威 胁。我军迫切需要研制实时、岗精度的机动目标跟踪系统，以满足火控系统的需要， 对这些毫速空中嚣标送行拦藏。 虽然雷达能够跟踪较远躐离的目标，假其低空盲区使敌方有机可乘，因此影响了 其预警和火控的作用发挥。同时，敌方的电子干扰也会导致雷达的性能受到影响熟麓 不戆镬瑗。另终，垂飙反辐射够弹出现以屠，雷达系统零努熬生存己灏罄着十分严峻 静考验。茜姹，我军遥切需要寻求一稀薪的技术途径或旋j c 重方法，改变t 述不裁鼹磷。 光电跟踪系统作为传感器，由于它以高于微波频率的光波为信息的载体，导致系 统战术性能产生质的飞跃极高的时域、空域、频域分辨力，特强的抗电磁干扰能 力，独鸯熬夜凝躐察功戆瑟瑟搿熬羧场逶应程等，在低霹躐溺经瑟舔撵溅、高分辨搴 目际识别、精确制导、火控和黼准、飞行辅助和信息对抗等军事应用领域具有巨大的 潜力。光电跟踪系统不仅是常规电子装备的重要补充手段，而且因其独特的性能，在 夜褫、毫分辨窭娥像、毫精度跟踪和割导、抗电子干抗、抗反疆射导谫、捷低空突骆 秘瘦隐身等方面能够独当一丽。 鬻i 。i 灾藏系统功麓示意翻 小型光电跟踪系统一般由臼光电视、红外探测器、激光测距机、伺服系统、监控 蕈元和光电平台等组成。它戆撵溺著跟踪逡距离、羝窆( 箴超低空) 飞 亍粒无人续察 钒、巡航导弹、离速战斗枫、藏装直舞机等，为火控系统等后续设备褥供精确的露标 第一章绪论 诸元，使防空高烧等能够有效打毒霞标。蝣井，亩予篡体较，j 、重爨轻、梳确链好， 使其布景灵溅、便于组网、隐蔽性好：同时光电系统本盛抗干扰能力强，尤其抗强电 予干扰等特点，使箕辘窍彀辩钤现有嚣达装罄麓不是，典育广斓豹寂精翦最。 火控系绫互襻忝懑窿魏图1 。t 所示。森- y ：逛学传慧嚣懿巍蛹囊一般较小( 奄援2 3 淡，红努6 8 凄) ，敲需戮外界雩l 蛩，锼其对准强秣掰在区域( 鄹确保蟊稼进入槛 场 。雷达由予w 在较远距离发现目标，因此是比较理想的引导手段。但有时为了避 凳羧蟊障发瑗，也霹戳交夫透过臻控季蕊寒萼；譬逶避竣蛰叠荣大视坜望远壤绶拣籍 标) 。目标进入市场聪即可转为自动躐踪状态，这时扁动激光测距枕，测量目标斜径 ( 躐凌) ，并褥瓣褥蹙离，蹩壤等数据实辩转送给必控诗舞祝。必控计算辍瓣强拣轨 迹进行有效船簿后鄹可控制火炮等对秘标遴孝亍拦截。 二，鎏内终发震动态 由于上述种种原因，小型光电系统的研制普遍受到世界各国的关注。以离分辨力 帮貔瞧子予撬必袋邀褥蠢麴攀怒是惫鞭黥设器己藏兔巍今遨瑟毫技零攀事装备笈麟 豹壤意之一。f # 为完熬熬、系缓锯熬必毫浚蘩，瑟蠡溪凌姊差藜著不太大，懿方陲家 或只怒在丸争零钱耪开热鞣剿辫发，丸卡年f 泰舞始装餐。铡懿美嚣海军豹黢戴囟受 系统( s s d s ) 计划是在第一次海湾战争中荧护卫舰被墩击后，美海擎决定增强其海 上越敬獒叁型熊力嚣烫爨豹。必逮系绞镎为该谤趔酌一部分，袋霜了红多 摄髯瓿来撼 挺疆禄，然鼓懿激先露达来溅鼯和识粼。该系统技米鬣稀梳予1 9 9 3 年进行了试验， 1 9 9 6 年装备予麓海军“a s b l a n d ”号。类秣靛系统还焱法国m s p - d t l 兜学传感嚣平 台，浚设备】9 9 4 年幽s t n a t l a s 电子公司和z e i s s e l t r o 光学公司开始研制，1 9 9 5 冬避费试验，1 9 9 8 冬装套德瀵海军。其它熬英莺、臻圭等瑟方发达辫家氇罄予逐年 研制了各种巍彀系统。 嘲内激光褪电视传感器邋过十几年的欲羧疑趋成熟，缝夕 热像仪猩零l 进、泼遗的 基獭上也奏掰滋步，鹭蠢龟系统豹齐袭礤潮提珙了较戒熬鹣条嵇。聪对这一藜瀑鼷， 魏僻髓够最大蔽菠遗笈摆出光擎健感器的饯势，实现辩低空、离速銎拣浆侠速臻获觏 稳滗、高精度跟踪是务科研筚位都正在努力解决的嗣磁。 三，研究的爨义和必要蚀 鸯予轰毫簧戆器猿骞魏特点，对窳黥系统撵密了褥熬泌要求： 由于目前的光电设备的作用躐离较j 琏( 一般在几十公熙默内) ，飞行目标的德 寝鹈疆霸褥往又露逐渐增强鹣趋势，辫诧簧求光电组台臻绞簧具有鞍短的嫡成时间。 一般馕况下对鲻标只夺一次搜索撼获黪规会，不允许袅炎器嚣爱重薪搜索。 邀援( 缎羚) 冬动跟踪系统懿最大雅题藏是帮衙解决跟踪平稳桎与动态鞲液 之间的矛盾。系统增益低、易平稳，但会使系统误差加大，动态精度变差。严簸时逆 会蕉失嚣标：摊藤增蘸，动悫耩瘦提窝，又会降羲平稳黢 ”，鬟壶予毽糯浚f j 缳小， 缀容藏健嚣标绻邂渡门黻舞，获两丢失鏊梅。嚣魏，惫褫爨动鞭黥控锻麓律懿建彀苏 繁章绻论 及参数的整定e 常羹要l 。 在对醛标逶霸搜索辩，躁黥系统辩宽窄，蠢巍渤簇懿( 电戳斌蕴努鞭踪) 蹲， 系统带宽宽，这两穗债况下臻鼹静等效参数强不籀瓣，进蠢，蠹予睡瓷( 红韩) 黢踩 波门小，再加。t z 各释挽动，披涎耪舔踩方式之闽熬乎称韬换变成一个缀复杂懿阕溅p j 。 当目标在远她，速度较低的情况下，切换并不太难。而当目标将要临近，速度较商， 魏羧蘸豢嚣灌了。 当运动目标的运动状态、光照条件发生变化躐被其能纺体遮挡( 如炮撵发射 产塞瓣矮雾簿) 辩，必然会馨致光邀传薅嚣磐辩无法攥敬嚣拣数据褥导致嚣稼丢失， 因此，有必囊采用勰应算法对嚣标一f 一对猁黝位置和遮发进行外接1 4 1 ，使跟踪系统仍 黥按强菰蕊运动辘凌缝续运行，并在葭添患瑷螽，瓣其避行褥次拣获秘舔踩，歇丽实 现跟踪的连续性。 囊予激走豹寐数受蠢、( 在l 3 m r a d 藏蠢蠹) ，激蹩器熬重复艨率不可裁缓菇 ( 曩、鳘激竞罄熬发黪鞭率觳不超逡4 0 1 f z ) ，瞧浚搽踩 更对盍鼙疆裹瑟搽熬褪爨毒戳等 簌爨，因毙黉求龙奄缓会系统鼹踩赣疫要窿翳 。 这些都嚣求光电跟踪系统采用某种合理的控制和信号处理方法。因此，研究光电 鼹踪系统豹控粼策蜂嚣蕊号处理方法显襻“卜分必要。 2 本论文圭妥解决的润题禄新傩豹王 謦 本论文簸系统总体角瘦考虑论述小型兜魂舔踪系统的工程设计，色含酶主要内容 离六个方面： 、论涎小塑燮窀礞踪系统静主要性溅攒标要裳秘满足臻标爨袋髑熬方法。 成功完袋设计豹大蘸撵蹩该系统必须满足实竣要求。为鼗，禳攥安战环壤要求， 结合系统工律原理撵密了小溅光电爨踪系统的各项技零指标，为系统的工程设计提供 了依据。 = 、浚蛩了黻d s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 涤撵裁孩密，黩穗a d 蠢d a 模块、炎瞧 跟踪系统内部按口的取口r a m 模块和对夕 c a n 总线接口模块等在内的数字豫踪系 统淫锋。 三，设计了基予d s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 熬数字跟黥系统较传。程黪设计袋用模块 豫的努痿蘩褥，横摅系统控制舱数学摸塑翮互箨获态划分黢菪干卡摸块。模凌髓韪上 相对独立，大小不定。软件模块按照调用关系分为四个层次，高层次的模块可以调用 低缀壤块。款纷簸毫餐熬靼个主蓑穿壤凌分爨对应予鼹黥系绫熬嚣耱工终方式：鑫幼 焱黥、弓 导袋稼、手凌操控褥空壤鬟索，纛簸是最终瓣瓣耱主要功髓；软佟袋疯瑟瑟| l 愚照逶瘸觳强、谖臻频率懿、功戆单一的逶惩模块，趣搀三建垂数德查表、廷辩孑 3 第一章绪论 程序等：软件中间两层由下至上功能渐趋复杂。例如，最底层的矩阵乘法运算子程序 被第二级中的曲线拟合算法子程序所调用，而后者又被第三级中的记忆跟踪控制子程 序调用，最高层的自动跟踪主程序则会在适当时刻调用记忆跟踪控制子程序，从而完 成自动跟踪工作方式下的记忆跟踪功能。 四、在引导跟踪工作方式下选用复合控制方式【6 l 。实现引导数据的最佳快速调 转，并能使引导轨迹平滑，无振动。 光电系统的反应时间要求很短，而调转时问又在整个反应时间中占很大比重。在 给定条件下采用复合控制的方法，使光电跟踪系统调转时间最短，从而提高整个火控 系统的快速反应能力。 五、在空域扫描和手动操控工作方式中选用类似引导方式的复合控制方法。其设 计目的是实现平稳搜索、有效捕获。 六、基于d s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 实现记忆跟踪算法。 采用基于最小二乘法原理的曲线拟合算法外推目标下一时刻的位置和速度，并通 过对最小二乘法原理的探讨，简化求解过程，只用一次矩阵乘法运算解出拟合曲线参 数，从而使用定点d s p 有效完成轨迹外推1 7 j 。用外推数据配合调整跟踪方式的控制信 号，达到平稳跟踪的目的，并在目标满足光学传感器成像条件后，自动进行二次捕获， 重新转入自动跟踪。从而实现有效的“记忆跟踪”，在一定程度上有效弥补了光电传 感器的不足。 本文最终研制成果为一台小型光电跟踪系统试验样机。由于该实验样机在实验室 和靶场作了大量测试和试验，因此，对工程设计的验证着重于试验结果而不侧重于仿 真。作者在本文中提供了实验室和外场联试中测得的系统指标数据，并附有小型光电 跟踪系统对气球，航模，以及歼七飞机跟踪的实验图像。 4 篇二章基本原壤和技术指标论证 第二耄基本原理和技术指标论证 终秀一个巍残舔系懿溅鬣鼹踩设蚤，l 、整竞邀攥黥系统癌麓搽瓣并羧踩涯鞭裹、 低窆( 或超羝察) 飞毒亍的无天篌寨援、巡靛譬簿、意遮战i 毓、武装燕舞援等，淹瓣 空火炮等火力系统提供有效的作战储息。而火控系统打击空中目标所必需的情报信 慧，露嚣蠡蒸零逡元是：弱栋方位懿囊、疆抟骧静熊黢鞫馨掭爨较( 距褰) ：致辨， 警前角舔踩谡懿，西标方僚、谤仰角速度簿辅萌信怠像蠢动予提商火控解算精度。闵 戴，光电跟黥系统皮具冬测溅、传送上述诸多数据的功能。 2 1 - r 侔原理 瓣毙鬯鞭黥系统熬珐簸瓣浓，决定了系统靛擒戏。艘揍凝下，枣墼是魄鼹踩豢 绞瘫激走测鞭枫、骜麓电褫( 红努) 羧踩纹、光逛乎螽耪基予t m s 3 2 0 f 2 4 0 熬数字憾 g 骚控制系统缀成。系绫王 篝避程热戮2 ，1 掰承。 ? j 黼2 1 光电躁踪系统工作过程示意潮 天 毙学簧麟嚣缓疆弱嚣舔惹，褥霹豁糖辩灌辘熬受寝编菱送绘嚣鞭餐统。镄联系缝 主c p u ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 对数据作信号处理后，通过伺服环路控制电桃驱动负载，使 健懑器走轴始终游窿弱标，漪强标形溅自淤鞭踪。这辩，激光浏距辘澍疆标进行溯鞭， 并蒋距离值上报镯服系绞主c p u 。主c p u 将答数据整念纛遵避现场憨线，按照筑宠靛 揍瀵协议帮鞴式将霹标数撂传送给瑶续竣备。 在对目标的搜捕中，小型光电跟踪系统可以接受外部的引导数据对光电平台进行 萼 警，逛霹鞋掰操控手耩遘嚣手裁控翻，逐爵戳在弼羧袋统主c p u 豹控澍下逡行窆域 援索。强中豹羧潮嚣叛辕入懿疆攘控手掇输入豹模撵奄疆信号窝覆校磐控鞠镳开关德 第二颦基本缀璞和技术攒标论证 蛩。 当两螽( 或戳上) 竞电鼗踪系绕组两王箨霹，述霹潋省丧激巍测驻梳，这对系统 成为完全的被魂武系统( 稽不对疆标照瓣微波或激巍，完全军l 滔然先探溅器标) ， 避凳了因茨射激炎瑟被嚣栎发现，增麓了爨旁豹安全经窥撬予扰豫。箕系统王 乍溅懋 魏图2 。2 掰示。 融 攒2 。2 掰套毙电蹑黥系统缀嚣工终厥瑷强 髂 设a ，搀为霹囊巍电羰黥系绞，其所处焚謦b 经过振校，闯爨勰及棱辩爨度已 稚。则如果嚣台设餐同时礴效工佟，由上圈霹熟，火控 箨极将鼹缌尽标角黢数摄经 过一系列三角变羧，静可求戡强瓠辩经。矮攮导鞍为楚擎，珂参照参考文簸翔。 图2 + l 中的小型光电跟踪系统所选用的激光测距枧和智熊电视( 红外) 跟踪仪均 为专r j 定翻的设备。它们终为光学健感嚣，赫单奔缨如下： 一、电视跟踪仪 逛税跟踩纹缎戏框圈蜘鞠2 3 所示： 系 统 综 a 鞘 图2 3 电麓舔黥致鳃裁挺基 光学摄像捱竞成瓣曩撼躯远距离成像，把嚣标瓣光学隰豫转揆璇袅奄谈秘簇爨号 输掇。臻缘疆处璎宠残对“，l 、疆标弱黠毖”熬褪额阉豫热工处理，其中包戆“荻凌津 线性对数变换”、“豫景对瀵”等处理。数字滤波器慰a i d 转换瑟的数字图像进稽 第j 攀基本艨理釉投术搬标论证 适冀的增强，滤酴数字阁像巾的蔽褫曝声翱高频嗓声，箍离数字黼像的信噤眈，便予 系统豁焉续翻豫簸毽。获光学摄豫穰剿数字鞫豫滤渡为系统静公共遥道部分。数字滤 波后的圈像分为两路：一路送统计褥征褶关逶道，菇一路送蕊酡襁关通邋，厩经系统 综合，输磁被凝踩瓣稼静方位、镑镩角诶簧信悫5 “”。电褫舔踩仪莠娥疆器之阏粟拜j 圭 觚结稳方式管理，对于憨线豹控涮，煲| j 晦全弱存德器遗行静簸。 ( a ) 穗揍至g 鑫动g 黥瓣凌豫倒爨 ( b ) 囊动竣炼状态下戏豫铡翻 酵2 4 电视跟踪彼溅像例堕 统计特镊毒 j 芡邋道主要楚以翻缘处理、模式识别技术为蘩确实现对强栋的跟踪， 实时髓较好，其有定的适应复杂讶袋的熊力。匹配榭关通道足以图像丽积逐个像豢 稿关蕊配投术为蓥戳每天_ f ：簿艟技术褥结合，其显装特点怒系统适应复杂背滚能力较 强。 ? 第二章基本骧理帮技术箍耘论证 电视跟踪仪对目标的提取必须满足下列= i 个前提祭件： 1 )羁标成像瑟织在电视解幕卜- 要j 赵定的电视行绒像素单元； 2 露标与背景阍要青定鲍对比凌： 3 ) 目标成像靶面的能黔要满足c c d 摄像机灵敏腰门限要求。 图2 4 为电视跟踪仪成像例。图象是系统联试阶段直接从小型光电跟踪系统的综 会鬟示器竣入漩袋器l 瘊霉，嚣中显示静十字缝中0 表示囊嚣竞辜鑫豢囱位鬟，方摇疼为 电视跟踪仪提取的目标，方梅中心弓 字缝t p 心之间在两个坐标轴方向的像素恙，撅 辫为角度即为当前的角误差。这两幅图像背景较为单纯，图中左上角艉示当前均为统 计特征搬关。阁中显示款跟踪蹩指当翦电褫跟踪仪取像橇内已经有效攫取出f 弱豁， 并驻示； j 所撵取嚣标於 色纛像；群 对应鹣还宵搜索状念，此时，取像框将在赣稻图 像中进行扫描，寻找满足提擞条件的目标。 圈巾显示的a a 为方位角洪差，a 占为俯仰角误差：a 、e 分别为警前日标方位、 移蠹镩受燕嚣，怒绷羧系统差c p u 隧送给综合显示器显示戆熊瘦溅量数掇；r 为姿藩 阿称斜径( 距离) ，是主c p u 采集的激光测距机数据，嘲送给电视跟踪仪显示。嘲( a ) 为f 1 标进入视场，但尚未切换劁自动跟踪时的图像例，此时目标e 机在视场内但没有 镀掳虱 一字丝中心；辫( b ) 为爨动跟踪方式下潮豫铡，t ：1 标飞辊( 黑色实臻) 被锁定 谯光学传感器溉轴中心。取像方框哼黑色为实际目标，艮色是电视跟踩仪提取的昏际 虚像。 ：、激光测距机 激巍测玲辍簇理程阉麴鬻2 。5 辑示，凌激巍发菇壤，溅距揍薮凝秘数豁处理与控 制单元组成。 激光发射机熄激光测距机的核心分机，其性能好坏、可靠性、稳定性、峰值功率 以及电磁兼容性等对整个测鞭钒起着垒关爨螫斡露；j ，劳直接影确裂熬令光电鞭黥系 统的作掰距离。此外，发射橇豹重复频率还蛊接影口向意火控系统中西标航迹的形成， 较商的重复频率可以缩短目标航迹的形成时间，进而宵效减少光电跟踪系统的反应时 m ( 参见2 2 稠关内容) 。 溺鞭接毂橇袋鬟赢灵敏寝黪疆雪旋：缀管，霹蠢标舔波速雩亍识甓谈收，并穰摄发 射、接收的时间筹( 脉冲计数) 和光传播遮度，计算出目标距离。 出激光 叫波光 激光发射视卜一 数据处理 l 测距接收机e 二二二二 控制单元 鬻2 5 激悲潞爨撬维或穰黼 第i 章基本原理和技术指标论证 光电平台足光电跟踪系统主体的基础，对系统的技术性能起着决定性的作用。光 i 乜、f 台结构如p e - t2 6 所示。 光电平台采用两轴万向“o ”形臂结构，由垂蛊轴系、水平轴系、视轴轴系、底 髓及联接板等组成。采用这种结构还可以方便地更换光电传感器，例如红外与微光电 视之m 的替换，还有组网工作时取消测距机等。 电视跟踪仪联接板 激光测距机 轴承 图2 6 光电平台结构框图 小型光电跟踪系统的平台机械结构设计采用了岛刚度、精密的滚动轴承轴系，结 构简单、t 作可靠、维护使用方便。还采用如下措施提高轴系精度： 1 ) 增加i f ：推轴承环的直径，提高轨道面的精度，以减少垂商轴的晃动： 2 ) 增大钢球直径，增加钢球数量，提高止推轴承的承载能力： 第一章基本原理和技术指标论证 ： ) 径向轴承采用滚柱轴承，比起滚珠轴承，承载能力强、刚度大，提高r 动态 定向精度； 4 ) 轴系的径向轴承采用过盈配合，消除间隙，减少晃动，提高定向精度，增加 颅载，提高r 刚度，提高r 仪器的动态精度，还能提高耐振动、冲击的能力： 5 ) 提高了机架和轴承的刚度。 此外，伺服控制系统作为跟踪系统的主体，采集各光电传感器的测量数据，除完 成小型光电跟踪系统在各种t 作方式下的跟踪任务外，其设计功能还包括和火控大系 统的c a n ( 挖制器局部嘲) 总线接口，将卉：以后各章着重加以研究探讨。 2 2 系统技术指标论证 本符将论证光电跟踪系统的主要性能指标和满足指标采用的方法，为f 文探讨系 统的研制提供依据。 i 系统反应时间 小u 径高炮最有效打击距离为3 k m 左右。据实战经验和资料介绍，一般起伏地形， 低空目标发现距离为5 k m 左右。假设目标飞行速度为3 0 0 m s ，高度为l o o m ，若要求 炮弹在2 5 k m 处与目标相遇，射击准备时问5 s ：若要求炮弹在1 5 k m 处与目标相遇， 射击准备时间1 2 s ，可见对高炮防空系统要求只有短短几秒到十秒左右时间。为了提 商火炮防空系统反应时间，减少光电跟踪系统反应时间是很有必要的。 光电跟踪系统反应时间由以卜_ 几部分组成： 1 ) 方位调转时间：0 1 8 0 。调转，平均约l5 s ； 2 ) 商低扫描搜索时间约ls ： 3 ) 转入稳定跟踪，激光测距，形成目标航迹约0 3 s o 5 s 。 这样，光电跟踪系统总反应时问平均约为3 s 。减少光电跟踪系统反应时间可采用如 f 措施： 1 ) 提高激光测距机重复频率； 2 ) 提高跟踪系统方位调转速度和加速度及其比值； 3 ) 选择合适的高低扫描速度和加速度： 4 ) 采用现代控制技术减少捕获到平稳跟踪的转换时问。 2 系统测鬣! r l 标位簧精度 光电跟踪系统的作用是测定日标空问位置，洲此在各坐标轴卜都存在误差。系统 采用的r a e 球坐标，转换成x y z 人地直角坐标时，如图2 7 ，变换关系如下： 簿二章鏊本承鹱器技术指标沦适 j 2 r c o s e c o s a y 2 r c o s e s i n a 辖2 1 ) lz = r s i n e 、冀球坐标瓣i 个坐掭谖惹为颤、以霸蠡对，变换到夫遗囊角坐镓系误差疋，瓯翻 螽：袭示为t 嚣2 7 擎栎转换示意戮 最。f 霹c o s 2 e c o s 2 a + 露2s i n 。e c o s 2 a 。拶；十r 2 c o s 2 e s i n 2 a 参； 7 2 艿v 嚣( c o s 2 e s i n 2 a 十r 2 s i n 2 t c o s 。a d j 十r 2 c o s 。e c o s 2 a + j ；) 7 2 正一( s i n 2 曩十露2 c o s 2e - 霹严2 稼2 、2 ， 为了织涎定位麟痰必须镁羹、5 ，秘正疆酝，韶r ，a 、! 元素精度要黢酸。鼠 强圭二公式可黻器爨，鲣聚r 、a 、e 三令璧中嚣个量磁其它的大缀多，藏影赡定位赣 度，湖此台躐的方法怒采用等精度弧配原则。但即使在同样角精度，斜距越远时角艘 产难鹣谴黉谈萋越夫，蠢距离产生豹位嚣误豢建弓籍艇瓣关系较褥。数囊精度蔼 逝离 糕篷不可姥褒经秘豁耀土都逸爨溪酝，光逛跟踪系统穆选择在主簧工作区瓣黎零 ：霞 配，袋岗舞if 公式计簿： d 矗= 毋d r 。r 。删( 2 2 - 3 ) 火炮辩南笾阐一般约为i k m 8 k m 是舂。魏嫩小壁竞 l l 跟踪系统蹙联踪精度为l m r a d , - ；a q - r 刘颤= l 辫谢拥蕊s 拼。3 m ，这样，系统参数可这样选择：角跟踪误羞为 t m r a d 点：右( 包撼自动强踪浚麓、测翅误差和系统栎定误差) ，测题漠嫠为4 m 发囊( 掇 獬工橡实际璎求) 。 j ；+ 系统角速度和角加速艘 系统豫遽凌藉南蕊速度裰摇磊标运动蕊律决定，。j 瑟标运动瀚鞔遮、遮发、加速 发，以及系绕设置链援舂美。小型光瞧跟踪系绞鹣主要疆标跫运躐囊、鬣空 袋超糕 第二二章篓枣缀蠼辍技术糍梅谂诞 空) 一飞行的元人侦察祝、巡航导弹、高速战t 视、武装直升机等，一般俯仰角变化较 愎，承、毪孬逮凄茯，也藏簧隶竞奄撩踪系统方钕羯速囊、翁翻速囊较大。 燃2 8 为系统方位热毖凇跟踪示意慰。a 点为小裂光电跟黥系统设置位锻，r 为 被测瓣标麓径，v 表示磷标飞行逮凌方| 壹l ，h 为强稼毽孳亍赢菠，p 为靛路捷径。 v 篷2 。8 方爱煮黢准躐蔽示意露 “ 嚣隼暮毽 亍遥瘦为1 5 玛慧，靛熬捷径为5 糖时，蚕舔蘸 辩巍瞧爨黥系统最大 角速度，角加速度为： 叠：三：! ：! 羔三竺。1 0 2 0t a d s 。5 s 。s p 5 0 0 叠：0 。6 5 乓：0 6 5 ( 1 5 x3 4 。0 ) 2 ：0 + 6 8 r a d ，s 2 3 8 丁s 2 尹。 5 0 0 嘏摄王程实际缀骏，速缝崧选激蕊缒蕤经逮痰懿2 倍志表，鸯g 速矮敷靛鼹最大鸯| 】 迷凌靛5 织是器，辩综念考懋方链1 8 0 。靖豹辍人调转辩潮，我 f j 逡凝系统方盈最大 速度为1 2 0 。s ，加速度为3 0 0 。s 2 ，俯仰最大速度为6 0 。s ，加速度为1 2 0 。s 2 。 4 自动溅踪鞲艘 实际系统巾，影蹶跟踪鞴菠懿主要斑素秘胃粟繇鹩绩藤宵： 1 )，惫魄- 学台襁辘港羧频攀 侧服系统的带宽蹙到光电平台谐振频率出。的限制，根抛工程经验般墩位簧环 开环带变姣，： ，11 、 ( d c p l i 否抄 ( 2 24 ) 粟j j 力箭，电机巍接驱动负载有助于提高光电平台机械谐振频率。 系统采样鲻期 系统袋黪瓣蠲霸熬大，j 、 魏隈翻”y 位嚣繇港霆，英关系魏珏l ： m1 曼丽雨面 鼯5 ) 采用高速栗稃率静 歉褫系统育动予疆高系统带宽。 3 ) 窀裰蹑爨彼程场夫小 f 乜视跟踪仪视场大小也影响跟踪精度，视场人则跟踪议趋大，视场小则嬲踪误差 小( 敬凌予唾圭锐取茇分辨率) 。 第一章鏊本露壤器技术掩标论证 一一* 4 )系统拄制策略 采鞋凌我羟南l 技术对系统送行牵 偿l ”i ，瀛小动悫滞螽浚蔗。 综 二述，熄定安繇系统翻动跟踪糖度为：曼0 4 m r a d 。 5 测角耪缓 搿响测缃精度主要闵索及可采散措施如下： 溅角蠢锌分辨率。一般系瘸j 6 位溅稻元释。 2 ) 跋黥警台毒l l 系误差。瞧括方像秘谤 辔鞍舔鼗没差，襁辘与德姆毒 l l 罐妻淡差， 方缀辘弱铅锤瀑差虢爱宠辘嚣琵涎豢等，聋螫靠乎螽浚浮秘装熬过臻柬爨 正。 ： ) 数据传递误差。主要依靠测角元件与转动轴同轴安装来保证。 6 + 系统磷获i 缀黥懿转换 系统糖获与跟黥瓣 ：c 稳转换是羰黥系统瓣一个难题。国予橱缀系统静谬窝可双设 黉绺 较宽，送醚嘲瘴辩超缀短，髓党学系统夔动态豌应爱，蘩梁强臌系统动态璃麻 t o 光学系统一缴，系统跟踪精度会较麓；如涞小一致，则无法平稳转换捕虢和跟踪， 为r 绥凌糖获至跟踪懿乎稳转换磬稼诬鼹踪麟度，可慕越现代变结穗擦誊授零l ”l 。 ? ，系统王律方式瑟求 投摄裘绕霭要完成兹璃链，小型毙电躁路器统应惫捶以下工捧方式： 自动跋踪工作方式； 运足小穗光电躐踪系统爨重要的t 俸方式。在彝鹚鞭蹿方式f ，光学健感爨提取 对瓣标静跟踪误差，劳褥数掰实辩传送给伺服挎镧系统，伺服系统根镢误蘩数据控制 党宅警台转动，捷光学佼感嚣熊光辍始终对漤嚣标。这麟工作方式畿挺毒竣褰熬跟踩 精浚，无霈人工下预，虽在光学传戆器短暂丢失目标质可自动切换为避忆跟踪，并在 光学传感撩繁颓埔获疆标最魏动转刚蓑值控制的岛动跟踪方式。 引导舔踪t 俸方式； 0 l 导鼹黥王律方式电爱宠筏对援栎熬耩鞍。斟为、懋学传感嚣邋豢我场较，l 、，辩器 标独兢捕获鞍为困戆，数潜螫系统静郝瓣镶达等设鍪对其逶行引每，经妥辍送入悫学 传感器视场，从而切换为自动跟踪工作方式。在小氆光电跟踪系统中，包括搜索雷达 日i 簪搬跟踪露达萼 鼯两种方式，其中，联踪辫达g 争霓先级高子搜索辩达。 手动绦控了 l ；方式； 手动臻羧王 睾方式霹在茏癸零学 导致备熬肇髂f ，人_ i 对套穗毙电擐黥鬃统送行 峙l 导t 山操作手通过火视场的光学望远镜搜捕目标，并通过控制手柄控制光电乎台转 动，筏疆辆i 逡入光学倍感器襁场，满足秘换期自动援稼方式酌祭释。 佟为释辅助鼗踪手段，手动捺控工作方式还可京鳍标帮景较为羹杂或目标对眈 建鞍低等光学传感嚣兹法煮效涎致轻繇蒡毽粒揍躐f ，辔搡侉手避遥控骤手挺霹鬈椽 进行书“动跟跺。 空域搜索工穆方式： l3 釜= 薹鳌奎鉴爨塑垫查黧整至堡一 空域搜索丁作方式至爱熊在没有弓i 导数獬人鼹叉雅潋分辨的德况f ，针对较远 踽离褥标，在估计的方向上谶行自动扫描，以鞠发碱箱标a 托羚，若晓努弓 导至盈，疆耘爨泰进入党学传巷器褫殇，氇可按诧方式逐行自动 搜索。 除，f ：逾系统指标外，对光学传感器的选择应畸协调指标桐匹配。 怼卡激党溅蓬撬： 1 ) 俸趔题离( 3 0 0 m 8 k i n ) 火羧系绞涎酝： 2 ) 测鼹糙凌嘻穗是舂； 3 ) 熏复频率训练t h z ，战斗5 h z ( 从系统反应时间、跟踪系统动惑滞后以及作战 对颡稿l 毡磁燕秣链多方颡东会考露) ； 4 ) 索敬爱选为系绞羧黥精凄懿2 3 壤； 鼬激毙嚣毒会鞠1 0 0 万次； 6 ) 逐续发射时间：由于系统体积较小，重疑轻，目目标一个航鹏时间较短，敞 可逡为2 r a i n 。 辫手电臻戮踩仪： 1 ) 发蠼骶离l o k m ； 2 ) 跟踪躐离8 k j l l ； 3 ) 视场翅4 。； ) 慕，j 、镐差凌e2 m r a d 。 缎会一1 - _ 逸性能掺据，小型党邀跟踪系统t 扣衡选蠲熬激光浏巨掇嚣餐毵 趣裰蠡舞) 跟踪仪采艏r 迮制的方式。 此外，由予小型光电躐踪系统要求体积小、委爱辍、结榴非鬻紧瀵，需要认爽考 毪电磁蒹窬谯。系统分弱，j 、电税佑弩，高疆；脉激光电源以及火电流韵俪斑奄藤等， 电磁装容应栗致以f 掺藏： 1 ) 嘉低繇蕊离，强弱电戮离： 2 ) 信譬线连接骚使用屏蔽线婴合理接地； ： ) 激光荻黔 i 亏产琶辩秘糕干我赫狰，癸采掰有效髋琦步信号消酴激秃惹频对税 额熬手羧； 4 ) 瓣系统供 疆攀元慕墩霄效蛰旋避免激毙发麓域垂毒疑曦撬臻逮对夔毫援衰落遂 成计簿机复能，系统工作4 i j f 帮。 第：章薹零簌壤穗技术爨稼沦证 2 3 小结 搴事奔绣l ”小肇毙龟焱踩系统豹王侉琢理霸主要褥筏，并麓擎分孝居， 翻雯鼗黥饺 ，激光测距机和光电平台部分原理。在此繁础j ：结合小型光电跟踪系统的的具体应用 环境和实战要求，论证了浚系统设备所成具有的主要性能指标和满足这些指标所能够 采取瓣方法，为f 嚣章节豹设计提供了依捌。此外，零索还麓单说豫f 两台以上小帮 毙魄鞭踪系统无需激光溪距梳，完全被动式_ i 作的组獬工作方式。 第三章系统磺传结构和应片j 技术 第三章系统硬件结构和成用技术 3 1 薯l 言 小型光f 挺嫌踪系统由激毙测距极、智能电视跟踪纹、毙电乎台鄹蘩予 t m s 3 2 0 1 、2 4 0 的数字伺服控弼系统组成。为实现对空巾离速目标高糟艘跟踪的要求， 本文在跟踪系统巾根据小同的工作方式逸n jr 不同的控制方法，例如，变结构控制方 法、加入前馈遮皮补偿的复合拄制方法等。此外，系统逐包括一些涉及角函数汁舞 ( 锻蘩差穰 f 割毒 嫠、扫穗范滏熬反正凌求孵靼j 二弦季l 掇) ，暖及食鸯矩箨运算熬鼹 线拟合等算法。在功能上，小犁光电跟踪系统还要求具有自动跟踪、手动操控、引导 跟踪、记忆跟踪、空域搜索等跟踪和辅助控制功能。为满足系统的总体要求，在控制 系统设诗对m 1 1 1 9 1 ： ( 】) 选心高速d s p 处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 完成毙 越躐踪系统实时控制1 2 。1 1 2 。l ； ( 2 ) 光电跟踪系统内部通过双端口r a m 进行数搬交换。 ( 3 ) 硬件与软件互为补充，从两提商系统的灵活性。 ( 4 ) 光惫舔踪系统! i 久控天系统遥逶潞n 总线羧翻。 在小型光电跟踪系统。h 激光测距机、智能电视跟踪仪安装在同一转台 ：，激 光测距机完成对空问机动目标的斜径( 距离) 测量，智能电视跟踪仪完戚对目标的球 踩麓误差测量，蒡凌测餮缀巢送给饲黢系缀圭c 。宅髓帮跫独立豹溯豢浚套，聚姥 张鞭踪系统r f l 可以将其视为简单的光学测麓传感器。这辍对它们的t 作原理和结构，f i 再赘述，本章重点介绍基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 _ = 主：! 芯片的系统控制、信号处理以及接口部分。 3 2 控制部分的硬件结构 羰黥系统按涮、信蛩处理潋敷接强韶分镬 譬绩鞠懋鞫3 。t ，疼 麴中霹冤硬 譬帮分 | l4 个模块缀成，分尉为： j 卜控单元 末控单元以高速i ) s p 处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 为核心，由对钝和复位电路、地虫 ：逻辍 译礴电路、数摄接臼电路缝藏。羊粥3 2 0 f 您0 静复位毫鼹可实现上龟复位裁l 手动复筏； i 挖单元扩展的外部电路较多，需要通过地址逻辑译码电路分别选通，以免造成数据 总线冲突；方位，俯仰角度传感器( 多极旋转变压器和转换模块) 分别输出1 6 位数 缡礴数据，凌t n s 3 2 0 f 2 4 0 邋遭数撰接1 2 1 邀路凄取。 簿三事系统硬释结构耪瘟爝技术 2 辅助控制单元 镪括a d 与d a 逶邋及其各裔豁魄压蓥撩龟爨。 k m 驴e 。“ 图：i ，l 跟踪系统控制、信号处理以及接u 部分硬件结构阁 系缓a 内裁分秘蕈宠碱两个任务，对涤控手柄送来遽度撺蒂模拟信号的转换裙测 速盔争强柬戆系统鼍静速凄攒搬毫蔗信号魏转换，鞭耱输天落嗲嗽疆藏蔫赛楚一 姆 十l ( ) v 。 扇子系绞撩藩方法 p 袋蠲了复会控铡方浚，阂魏系缓不仅需要瓣差麓控露l 信譬避 第三章系统磺件结钩和艘用技术 一一一一 行1 ) a 转羧，还簧要越速度接铡信号述舒d 转换。馥方缱拳 德细两个支鼹莛霰簧网 路d a 转汝硒道。 3 雨酃接瞳 系统肉嫠，t m s 3 2 0 f 2 4 0 要辫彀熬鼗攒蠢 电视跟踪器的跟踪差值数据和跟踪状态； 激光测距圭吃所测难离数攒； 分瘸读入电褫鼹踪器霉珏激光灏躐梳瀚螽硷状态数据： 系统内部，7 l 、m s 3 2 0 f 2 4 0 要避溺躲数据袁 送毒舔嚣豁方位、耱梅爨给瞧褫趿黥器珏缝显示； 送“| i i 目标方位、俯仰角速度绘电视跟踪器以便显示： 邀搜索雷达弓 导数据绘镦槐跟黥器以便盈示： 送藤黥藩达冬| 譬激舞给电巍窳黥器强爱显示； 送题离数据绘电视跟踪嚣以便最承； 分剐遴良捡命令绘电襁跟黥器稠激光测距搬： 为此，在数字伺服控制系统设汁时选用了2 片8 k 1 6 位的双端口r a m - 一t d t 7 0 2 5 停为d 争 部r a m 扩震，遴避1 d t 7 0 2 5 实强f m s 3 2 0 f 2 4 0 与先电传感器之间的数诺传递。 4 羚部攘u 小型光电躐踪系统作为火羟网络的个节点，点耍接收以下数据： 从搜索霉达接收髓标距离稻方位角艘数摄： o 双鼯踩雷达按媛舀标方位、镐怖鼹度数摇； 从必控污葵缀接牧光愈系绫独移瓣潦方位，臻傣热攫数援； 从炙控诗募臻接收如硷套令。 系统向外发送酌数据自_ ： 爵标距离，鲻标警静方位、俯仰角度数掰及豫踪状态； 甄豁肖静方能，镌静鳓蘧麓数摄； 当鼬方位、德仰跟踪角镳差数攒： 系统鑫捡状态( 毯括光邀鞭踪系统内艇宅裰鼹踪器、激光溅躐搬移媛黢鬟统 荇f f 的状怨) 。 考虑系统数据镄输舔离、数搽传送安时髓年| 抗下虢经要求，小型毙魄鼷踪系统对 步 透信采鲻c a n 蕊线诲泼，羁速率设定为5 0 0 k b p s ，粟臻c a n2 。擞藏藏，黪采翅ii 位貅识符a 网络内部所可能包括的节点耐：光电跟踪系统、火控计算机、搜索雷达， 鞭黥鬻达，火炮等。 小餐光奄鼹踪幕统申采嗣p | t 。f 悠公司生产鹩s j p d 0 0 0 作为独立黔珊n 控制器， 势怒以一令肇姥辊对蕻避嚣接铡秘数据交换。采， = l8 2 c 2 5 0 作为g 矗n 控翩器与纺褒憨 线翊懿接懿。系统二毫c p u 移c a n 掩巷i 爨零冀毒睡之秘遥过双端掰融鼙一i d t 7 0 2 5 遴行箨 第二章系统硬件结构和应用技术 制和数据交换。肯关控制器局部网( c a n ) 的摹本原理以及小型光电跟踪系统中c a n 控制器节点的具体设计，将在3 6 节中作较详细讨论。 3 3t m s 3 2 0 f 2 4 0 主控单元 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是一种高性能的数字信号处理器( d s p ) ，具有强人的指令系统、高速 处理能力、改进型哈佛结构( 程序存储器和数据存储器具有各自的总