光电搜索跟踪系统项目设计方案.doc

光电搜索跟踪系统项目设计方案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39。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39。(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2025km)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 星载导弹告警 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 热武器瞄准器 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； 系统设计功能 光电搜索跟踪系统方案 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； 数字图像光纤传输分析 光电稳定系统分析 光电伺服框架绝对位置获取设计分析 电机选择分析(4) 工程问题分析、研究 红外搜索帧间图像特性分析 红外搜索成像系统探测范围研究 电源管理时序研究 陀螺补偿工程考虑 系统布线工程考虑 (5) 总结展望572 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1014。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190mS5mS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。2.2.3 cPCI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供电信号处理机供电。红外搜索转台下行的数字图像光纤信号在信号处理机端由光纤解调板进行还原，还原后的差分数字图像信号直接向目标信息处理板馈送视频信号，经目标信息处理板处理后的目标检测及跟踪信息通过cPCI总线与计算机进行信息交互。图2-4 信号处理机分系统电气分配计算机获取的目标信息（如座标信息等）直接报告给指挥系统或接受指挥系统发来的空情信息进行目标跟踪。同时接受转台发来的惯性空间姿态信息，以便在计算机端对惯性空间姿态进行补偿。红外热像仪视频、光纤传输、图像信号处理板、cPCI计算机传递流程如图2-5所示。热像仪摄取的外部场景通过256级灰度的数字视频输出，数字视频通过光纤传输，系统旋转360度后，计算机终端拼出360度的摄取的空域合成条带图。在热像仪场同步信号的作用下，伺服系统发送当前伺服系统的位置信号给cPCI计算机，A进程抢占cPCI总线，计算机及图像信号处理板获得位置信息；B进程对达到检测域值红外目标叠加波门；最后由计算机内存读取以上相关信息，进行位置、目标波门叠加显示。图2-5 红外热像仪视频检测信号关系示意图2.2.4 系统伺服控制图2-6 系统伺服控制部分示意图如图2-6所示，伺服控制分系统提取来自cPCI计算机的直流24V电源，涵盖伺服控制、电源、伺服驱动整体供电。伺服控制箱电源电路向光电搜索跟踪转台的激光、红外热像仪、光纤传输发送板提供电源，向光电搜索跟踪转台的方位、俯仰电机馈送高压PWM信号，并提供红外搜跟转台旋转变压器激励电源。伺服控制电路读取红外搜跟转台反馈的电机绝对位置信号。通过伺服控制箱的伺服控制电路提供手柄电源，读取手柄方位、俯仰模拟电压及开关信号。根据信号处理板接收到的来自热像仪的图像帧的起始信号向伺服发起同步，伺服接收到来自信号处理板发起的同步信号响应中断，即时向cPCI计算机系统回馈位置信息，以便在计算机显控终端显示当前帧图像信息及当前帧位置信息。2.3 光电搜索跟踪系统软件方案2.3.1 系统工作流程图2-7 光电搜索跟踪系统工作流程 系统上电后工作流程见图2-7。其中除自动跟踪外均来自于操控命令。2.3.2 伺服控制软件及控制模式方案图2-8 伺服控制软件模块组成关系图根据系统总体设计方案要求，伺服控制板完成对转台的伺服控制和任务管理两项主要功能，其中伺服控制功能需要完成速度闭环和位置闭环两种控制模式，任务管理功能需要根据目标信息处理板的指令进行转台的工作模式切换、自检和状态监控等一系列功能。同时，由于该控制与任务管理板采用双DSP结构实现，还应包括两块DSP之间的数据交换功能1516。伺服控制软件组成模块如2-8。控制任务工作状态由目标信息处理板控制，伺服及任务管理根据目标信息处理板发送的命令，产生不同的状态字，同时控制搜索跟踪两框架平台执行相应的动作。任务工作状态见图2-9所示（以下相关控制框图未考虑稳定系统）。图2-9 控制系统任务状态图（1）360度周扫模式系统通过不停的快速周扫，及时了解战场态势，对区域内的所有目标进行全方位搜索，目标信息处理板将搜索到的所有可疑目标在显示屏上进行显示，同时显示这些目标当前的坐标信息和航迹预测信息，从而实现多目标搜索、探测功能。周扫模式控制框图如图2-10所示。图2-10 周扫模式控制框图 (2) 预置自动搜索模式在上级空情信息导引条件下，系统预置一定搜索范围，实现对指定空域进行快速自动搜索目标，将搜索到的所有可疑目标在显示屏上进行显示，同时显示这些目标当前的坐标信息和航迹预测信息，从而实现多目标搜索、探测功能。预置自动搜索模式控制框图如图2-11所示。图2-11 预置自动搜索模式控制结构图 (3) 手动搜索模式上、下、左、右摇动手柄，手柄输出转台期望到达的速度与旋转变压器测得的电机速度构成偏差进行相应的搜索控制。对应的控制框图见图2-12。图2-12 手动搜索模式控制结构图 (4) 自动跟踪模式图像跟踪器给出框架光轴指向对目标的偏差作为控制命令的输入。对应的控制框图见图2-13。图2-13 自动跟踪模式控制结构图 (5) 手动干预跟踪模式当按下手柄按键时，进入手动干预模式，手动干预模式在四种工作模式中优先级最高。此时系统随动于操控手柄，松开手柄按键系统返回自动搜索模式或手动搜索模式（返回模式由上位机确定，跟踪模式直接由上位机发送带命令字的偏差，无需返回），如果返回自动搜索模式则带参数返回，即修改自动搜索模式扫描扇区中心线到当前位置，手动干预模式用于弥补自动目标识别方式的不足。 (6) 软件总体设计伺服控制及任务管理软件采用C语言进行设计，分别在两片DSP上运行不同的程序。软件设计按照模块化设计要求，充分考虑了可维护性、可继承性和可扩展性。伺服系统主要软件模块如图2-14所示。图2-14 伺服系统软件模块组成图2.3.3 目标信号处理系统软件及目标处理方案图2-15 双DSP并行软件流程图目标信息处理板内部软件设计采用目标检测算法，实现目标的实时检测，算法实现于处理板的DSP中。由于采用双片DSP并行结构，为最大程度的发挥各DSP阵元的处理能力，需要结合处理数据的特点和算法的结构，采用合理的任务划分和调度策略1722。图2-15显示了双DSP并行的主体程序流程图。DSP1,DSP2 经初始化后，加载预置参数。DSP1，DSP2分别进行面目标和点目标检测，DSP2将这两个结果进行融合，并接收计算机终端的命令，设置DSP1，DSP2的工作状态，进行相应的目标检测跟踪处理，最后将最终处理结果实时传递给伺服控制和cPCI计算机系统。 图2-16 DSP1面目标算流程 图 2-17 DSP2点目标算法流程红外目标检测跟踪算法的实现是DSP程序的主要部分。在算法中，将红外目标分为面目标和点目标，DSP1完成面目标算法，DSP2实现点目标算法。面目标算法如图2-16所示，点目标算法如图2-17所示。 算法的工程化实现需要对DSP程序进行高度优化。结合DSP独特的结构对程序优化，需要熟悉各种优化手段甚至采用汇编优化。只有经过良好优化的DSP代码才能有效利用DSP具有的各种资源，充分发挥DSP特有的优势，最大限度的满足系统实时性的要求。2.4 本章小结本章提出了光电搜索跟踪系统的功能及技术指标，分析了系统整体组成架构，光电搜索跟踪系统转台、信号处理机、伺服控制分系统的电气系统分配，提出了光纤通信解决系统双向通信及对命令解析的方法。给出了伺服系统软件流程及各模块功能及目标信号处理面目标、点目标处理流程。3 光电搜索跟踪系统关键技术研究光电搜索跟踪系统关键技术涉及以下主要内容：(1) 红外或CCD图像信号的数字图像光纤传输。数字图像光纤传输技术的引入能解决光电搜索跟踪系统转台与目标信号处理板分离，并且目标信息处理板获得的光电图像信号质量不受损失，有利于转台旋转搜索时目标信号处理的仿真， 有助于机构动态旋转动态目标工程算法的提升，是增强目标稳健检测的有效手段。同时采用光纤传输有利于系统抗干扰能力的提升，传统的导电滑环的响应频率比较低，系统在传输数据时信号容易出现失真、误码率增加的情况。(2) 惯性空间稳定。惯性空间稳定技术决定了稳定搜索跟踪平台的稳定能力，惯性空间姿态传感器的选择及信号的处理和电源的隔离有助于陀螺采集信号噪声的降低，极限情况是在伺服端对惯性空间姿态的信号采集逼近惯性空间姿态信号的本身情况。惯性空间姿态传感器的带宽及控制环路的设计对光电稳定系统的隔离有较大的影响。(3) 光电搜索跟踪系统框架伺服位置信号的获取。位置信号的获取决定了光电搜索跟踪系统框架位置的采样精度，从位置采集传感器本身来看，采样精度对系统的跟踪定位性能有较大的影响，获取采样值的稳健性在某种程度上决定系统位置闭环的稳健。(4) 执行机构直流力矩电机的选择。电机的选择指标涉及峰值堵转电压，连续堵转电压，峰值堵转电流，连续堵转电流，峰值堵转转矩， 连续堵转转矩，最大空载转速。选择时要考虑负载总力矩、最大调转速度等因素。3.1 数字图像光纤传输分析3.1.1 数字图像光纤传输的必要性红外搜索系统通常采用线列探测器旋转扫描的成像方式。这种扫描方式下，连续转动的成像探测部分与信号处理机之间必需经过滑环进行连接27。现代红外防御系统中，红外搜索系统中红外光电热成像仪摄取的前方目标场景经光学系统传递，送入红外光电热成像系统内部电子系统处理产生模拟视频及差分数字视频输出，差分数字视频信号直接送入目标信息处理板进行处理。通常情况下，光电热成像仪与激光、CCD构成三光系统或光电热成像仪与激光构成的二光系统置于转动机构内。如目标信息处理板置于转动机构内，红外光电热像仪图像信号与目标信息处理板连接有两种方式：一种方法是红外热像仪数字视频信号与目标信息处理板连接，目标信息处理板FPGA对图像数字视频信号进行预处理；另一种方法是红外热像仪模拟视频信号与目标信息处理板连接，目标信息处理板对模拟视频信号进行A/D转换，然后再进行相应的视频预处理。前一种方式模拟视频通过电滑环下行接入主控计算机中，由图像采集卡采集并处理进行显示，但目标信息处理板处理的数字视频帧信息与终端显示的模拟视频信息需要帧同步信号进行同步，以保证当前显示帧为当前处理帧；后一种方式虽不存在同步问题，但存在红外模拟图像到数字图像再到模拟图像再到数字图像的图像传输质量损失。这两种传输方式如图3-1所示。两种方式下，由于目标信息处理板置于转台机构内，旋转机构动态时检测红外目标时无法进行仿真，这为动态目标检测算法的工程完整实现带来了极大的不便。为此，需寻求一种新的传输图像方式：光纤滑环传递数字图像。采用光纤滑环结构一方面解决了多位视频信号通过光纤大容量的通信问题，另一方面解决了旋转机构与非旋转机构的连接方式。两个相对旋转的部分实现光纤光路的动态连接，普通的固定连接器无法完成动态连接，而光纤旋转连接器正是实现旋转连接不可或缺的器件33；图3-1 红外热像仪视频数据传输及通信示意图光纤传输可以在潮湿、多尘、凹凸不平、高压等恶劣环境下运行。旋转时可以连续输出信号。特别适合应用在需要无限制的，连续或断续旋转，同时又需要从固定位置到旋转位置传送大容量数据、视频信号的场所2432。用光纤传递信号，无泄密，无电磁干扰，可以远距离传输，产生的灰尘少，寿命长，可达1亿转以上2432。3.1.2 传统图像传输与数字图像光纤传输比较(1) 传统图像传输红外光电热像仪安装于转动机构内，目标信息处理板安装于光电平台转动机构内，目标信息处理板以50帧/秒发出同步触发信号触发伺服控制给出当前位置信息，当前的位置信息由目标信息处理板转发主控计算机，同时目标信息处理板以50帧/秒发出当前目标相对光轴的脱靶量给伺服，伺服根据发来的脱靶量进行对应的控制调整。光电成像器发出的差分视频数字信号或模拟图像送往目标信号处理板。目标信号处理板通过RS422总线操控热像仪，对热像仪进行非均匀性、极性等等调整。光电热像器模拟视频信号送往主控计算机，由计算机终端显示成像器摄取的前方景象并合成来自目标信息处理板发来的波门信息。此种传输方式存在以下缺点：1)通信链条过多。计算机与伺服信息的交互需通过目标信息处理板这一中间环节，计算机终端对热像仪的调整也经过了目标信息处理板这一中间环节。结果是一方面重复编程严重，另一方面增加了系统通信的不可靠性因素。2)目标信息处理板置于转动构件中，系统无论是外场还是实验室动态调试，均无法在线仿真深入cpu内部监控内部关键参数运行情况。3)由于热像仪传输的模拟图像送往计算机显示，而来自目标信息处理板处理后的目标信息要在模拟图像的场景中合成，在系统搜索的每帧动态图像刷新过程中，波门与动态目标，二者并不同步。4)长时间连续工作图像噪声严重。 (2) 数字图像传输红外热像仪安装于转动机构内，目标信息处理板置于cPCI计算机内，热像仪给出的差分数字视频信号通过光纤传输链路传递，经过视频传输完成信道编码，并串转换，电光转换，通过电光转换的PECL端传送入光纤，在视频还原端完成光电转换，串并转换，信道解码，完整复现差分视频信号。数字图像光纤传输线路如图3-2所示。cPCI计算机获取的50幀/秒显示图像信息与目标信息处理板处理后的目标信息任何时刻都是同步的。目标信息处理板以50帧/秒发出当前目标相对光轴的脱靶量（先经cPCI总线）给伺服，伺服根据发来的脱靶量进行相应的控制调整。cPCI计算机直接通过RS422总线操控热像仪，对热像仪进行非均匀性、极性等进行调整。此种传输方式存在以下优点：1）通信链条少，基于cPCI总线的稳健性，系统通信是稳健的。2）目标信息处理板置于cPCI计算机内，易于外场及室内动态仿真测试。3）计算机显示的场景图像与目标信息处理板处理的目标信息是同步的，便于显示图像的合成。4）所有的顶层管理及数据交互均通过中央计算机cPCI总线完成，系统软件管理简洁。5）长时间连续工作试验后采集得到的图像细腻清晰、噪声小。图3-2 数字图像光纤传输示意图3.1.3 数字图像光纤传输任务分析及实现（1）任务分析在转动机构内利用光纤传输两路红外热像数字视频数据，在转动机构外接收还原红外热像数字视频数据。首先，处于最上层的多路复用模块完成两个探测器数据的合并操作，然后，并串转换和编码模块把合并后的图像数据通过直流均衡编码，转换成串行信号，并在其中加入时钟和字节对齐等信息，最底层的电光转换模块把串行电信号最终变成光信号发送出去。通过光纤旋转连接器到达接收端，由光信号接收模块放大并恢复成串行数字信号，时钟恢复和串并转换模块从串行信号中恢复时钟，进行字节对准，并恢复出并行数据，最后由解复用模块分解和还原两个红外探测器的数据。双路红外视频光纤传输如图3-3所示。由于采用的红外热成像仪积分时间接近20us，实际的线列红外探测器的数据是按列读出的，且每两列数据之间有大概20us的间隔。因此，可直接把多路探测器数据合并到一起，并添加帧同步信号形成一个数据帧。接收端相应的解码模块根据帧同步信号解开数据帧，还原各路图像数据23。 图3-3 光纤传输图像总图由于选择第二代线阵扫描红外热成像仪，视频数据50帧/秒，热像仪每帧输出像素数据为768288，含14.5MHz的数据时钟。1秒钟内8位视频数据传送量为：768288850=88.47Mbps。包含时钟信号、行同步信号、场同步信号传递则存在11位数据的传送量，则总的数据传送量为7682881150=121.65Mbps。如再传送两路奇偶视场信号、视频复合同步信号则为14位，总的数据传送量为7682881450=154.83Mbps。热像仪输出数据按列输出，每次一个像素，实际上是在14.5MHz的时钟控制下输出，每列热成像积分时间接近20us。（2）传输实现 1）电端机实现框图图3-4 数字图像发送电端机组成图图3-5 光端机接收数字图像示意图电端机主要由多路复用器、并串转换、电光转换等组成2332。电端机发送数字图像传输框图如图3-4所示，热像仪差分视频信号经过差分到单端的转换，通过FPGA将不同频率的数据分频调节到统一的频率，再经并串转换，以2029=580Mb/s的通信速率从并串转换端以PECL信号形式输出高速码流。由于选用的光纤旋转连接器通信容量达到10Gb/s，且电光转换PECL信号达到580Mb/s，传输视频信号通信容量远小于此，故可采用非压缩视频传输方式进行传输。2）光端机实现框图光端机主要由多路解复用器、串并转换、光电转换等组成。光端机接收数字视频信号传输如图3-5所示。多路复用器在接收端，解复用的目的是为了将高速的串行数字信号，变换得到多路14.5MHz的多路数字视频数据。高速的串行码流码数据经过经过光电转换及串并转换由FPGA解调为低速的差分数字视频信号2332。3.1.4 数字图像光纤传输注意事项(1)选择光纤指标注意事项对于不同的应用环境，需采用不同规格的光纤旋转接头。它们在机械结构、光学设计及性能指标方面的差异是很大的。以下是选择光纤旋转接头的几个重要指标33。1）插入损耗：3-dB插入损耗相当于50%的传输功率损失，在此之下难以满足系统要求。因此，插入损耗应低于2-3dB。2）插损变化量：插损随着耦合条件的不同会有一些变化，然而变化量达到一定程度，信噪比会下降。0.5dB是最大容许值。3）回损：所有的激光光源尤其是DFB激光器对反射光十分敏感，可引起光谱波动和功率下降。光学系统标志反射程度的指标。在单模光纤系统中，无源器件保证系统正常运行的行业标准45-50dB。4）光学带宽：和其它无源器件一样，光纤旋转头也有谱宽，在1310nm和1550nm的谱宽是200nm， 5）封装型式：一般包含SC、FC、尾纤、ST接口。尾纤封装的光纤旋转接头能够保证它的光学特性和寿命。插口型的光纤旋转接头的光学特性和连接器的关系很大，灰尘和潮湿是光学特性劣化的主要原因。（2）光电、电光转换器的选择光电转换：由光电探测器、放大电路、量化器组成。光电探测器在需要波长对光波有响应，输出电流与输入光功率呈线性关系、频带宽、噪声低、可靠性高、体积小。PIN光电探测器具宽频带和低噪声优点，而且放大能力强、动态范围大。APD雪崩二极管检测灵敏度高，但引入了较大随机噪声。光电转换器输出PECL电信号与后面的数字信号兼容。电光转换：由驱动电路、光源组成。驱动电路一是接收高速串行的电信号（PECL），并把该电信号转换为电流驱动光源发光；二是提供必需的驱动电流。光源一般选LD半导体激光器或LED发光二极管。激光器一般选DFB激光器或FP(法布里-珀罗)激光器，DFB激光器的工作波长内光纤衰减最小（0.2到0.25db/km），适合长距离大容量传输，但成本偏高。采用FP激光器作光源，其辐射波长为1310nm，位于光纤的第二个低损耗窗口，光纤衰减为0.3到0.35db/km2332。（3）PECL信号布线注意事项布线时PECL接口要注意严格的按照PECL结构设计传输线阻抗匹配。3.1.5 光纤传输试验结果实际系统测试数字图像通过光纤传输通信误码率达到10-12，传输延时为240ns。完全满足光电搜索跟踪系统的系统应用要求。3.2 光电稳定系统分析针对车载应用光电稳定系统的要求进行分析，从惯性空间姿态控制问题入手，分析影响隔离度的要素，分析地球自转的对惯性空间的影响，分析光电稳定控制系统环路，给出陀螺的选型方法及采集信号电路设计思路。3.2.1 系统稳定功能任务（1）稳定跟踪：基本功能是隔离载体运动及外部扰动对目标视线在惯性空间指向的影响，同时，平台框架伺服系统能快速平稳地跟踪输入指令，并能与输入指令构成跟踪闭环而输出所需要的目标信息。两轴陀螺稳定系统一般有陀螺稳定和前馈稳定两种方法。陀螺稳定的原理是在光电系统俯仰轴上安装两个敏感轴相互垂直的陀螺，分别敏感光电系统在方位和俯仰方向上相对于惯性空间的运动，并将此信号作为速度反馈，以此实现回路稳定。而前馈稳定则是利用车载导航系统（惯导模块）提供的车体姿态变化信息，进行实时变换求出补偿信号，以实现对伺服系统的开环补偿控制，从而达到隔离车体姿态变化扰动的目的。当车体运动以及存在外部扰动的情况下，当目标跟踪角误差信号为0时，目标视线在惯性空间的角速度为0或使目标视线的电轴指向在惯性空间里保持不变；而当目标跟踪角误差信号不为0时，平台能快速跟随，使目标视线在惯性空间的角速度与视线角速度保持一致或使目标视线光轴无扰动地跟踪目标视线。（2）稳定搜索：基本功能是在较长时间内，在航向搜索时保持航向搜索速度的均匀性及航向姿态在惯性空间的稳定。稳定俯仰轴系在惯性空间的指向，保证在某一段时间内探测空域的固定性。3.2.2 车载光电陀螺姿态控制问题从控制的角度来说，控制主要分为稳速控制、零角度稳定控制和非零角度（预定指向）稳定控制。零角度稳定控制不需要额外的控制命令，利用伺服系统闭环稳定原理就可以实现零角度稳定。非零角度稳定控制可以看成是在绝对偏差的基础上的稳定控制。但是，需要注意一点的是方位和俯仰陀螺都是装在俯仰轴转动空间里的，那么俯仰轴的运动必然会耦合到方位陀螺的敏感姿态上的，所以在对方位轴进行非零角度的稳定控制时，必须解耦俯仰轴的运动。其解耦关系为： (3.1)其中分别为方位陀螺和俯仰陀螺敏感的光电系统的姿态（通过对陀螺速度信号输出进行积分得到）；通过上式算得的即为光电系统的绝对方位位置。3.2.3 车载光电空间角位置关系及隔离度影响分析（1）空间角位置关系车载系统中各种空间角位置关系如图3-6所示41。其中为平台相对惯性空间的夹角；b为车体（即基座）相对惯性空间的转角；r为平台相对基座的转角；为目标偏离光轴的误差角；q为目标视线角。可见，光轴在惯性空间的运动主要由两部分组成：一是基座自身的运动，一是光轴相对基座的运动，光电搜跟系统的光轴在惯性空间的实际转角=r+b。角速度方面分析与空间角分析相同。假定车体相对惯性基准的运动角速度为w，光轴相对惯性基准运动速度为w2，光轴相对车体运动速度为w1，则光轴相对惯性空间的运动速度w2=w+w1。图3-6 空间角位置关系（2）隔离度影响分析衡量稳定系统对车体扰动的去耦能力通常采用扰动隔离度的概念，其定义为车体姿态角变化量与其所引起的光轴空间指向角变化量之比r=b/(目标视线固定时)。隔离度数值越小，表明稳定系统对车体扰动能力越强。稳定系统对不同频率车体扰动的隔离能力是不同的，隔离度最高点对应的频率称为转折频率，一般为1020Hz。影响隔离度的主要因素38：1）扰动频率。稳定系统的隔离度与车体扰动频率直接相关，一般对稳定系统的技术指标要求都是指某一频率下的扰动隔离度（例如：2.5Hz时的隔离度为5%）。2）扰动幅值。同一频率不同幅度的车体扰动，系统的隔离度并不同，幅度越大，隔离度越差。稳定系统一般是型系统，对于速度信号和加速度信号的跟踪误差随输入量增加而变大，所以扰动隔离度变差。3）摩擦。车体扰动是通过摩擦力矩作用于稳定平台的。摩擦力越大，车体扰动对平台的影响越明显，同一频率下的扰动隔离度越差，同时扰动隔离度曲线的转折频率越高。4）探测器信号处理延迟。探测器的延迟约为20ms。纯延迟环节会降低系统的稳定裕度和带宽，引起超调和振荡，还会降低其扰动隔离能力。5）稳定系统带宽。稳定系统对车体扰动的隔离能力是通过电机带动平台作相反方向的补偿运动来实现的。快速的车体扰动同样要求快速的响应来予以补偿，而稳定系统位置回路的带宽一般很低（约23Hz），对于高频扰动无法响应。要提高扰动隔离度，必需提高稳定系统的带宽，而带宽则取决于电机、负载特性、控制校正算法、采样频率、开环增益等因素。6）稳定系统最大加速度。提高增益可以加快系统的响应时间，从而改善系统的带宽和扰动隔离能力。但快速性具有一定的上限值，这个上限值由系统的最大加速度决定，本质上是由电机的功率和负载特性决定的。当扰动的加速度超过这个极限时，无论如何控制也无法消除这种车体扰动。在选择电机时，需要全面考虑跟踪加速度的要求并留有足够的力矩和功率裕量，以确保系统的加速能力。3.2.4 系统陀螺应用分析（1）光电稳定平台基本实现方式光电系统工作模式主要分为半自动搜索、自动搜索、手动搜索；半自动跟踪、自动跟踪、手动跟踪。光电系统稳定平台要求能抑制外部扰动的影响，具备对各种环境条件和试验条件的鲁棒性、适应性。本系统是一个两轴速率陀螺稳定平台，即角速度稳定系统，或者说是一个力矩平衡系统。当存在外界干扰时，稳定平台可以为平台台体提供一个与干扰相隔离的工作环境；同时，它又是一个角度跟踪系统，当信号产生器通过控制电路向力矩电机输出一个有规律的控制信号时，平台将会按预先设定的规律运动。一般采用两种稳定方式进行稳定，一是速率陀螺反馈，利用陀螺输出信号实现反馈闭环控制来抑制姿态扰动；二是角位置稳定，即自跟踪环43。（2）车载光电稳定控制分析研究的系统采用目前比较普遍的结构形式两框架稳定结构，将光电传感器置于由方位和俯仰框架组成的两框架平台上，利用速率陀螺的性能测量视线轴在方位和俯仰方向上的惯性角速度输出，并直接反馈到力矩器控制视线反向偏转来实现视线稳定，即经控制回路驱动框架力矩电机以克服外界干扰。按工作状态来分，车载光电搜索跟踪系统控制回路如图3-7,包括以下几个工作回路。图3-7 车载光电稳定控制结构图1）K3（S3）闭合时，系统输入锁定信号，此时不需保证光轴在惯性