一种自动对消测角误差的防空导弹的外弹道监测系统的制作方法

1.本发明涉及装备检测技术领域，尤其涉及一种自动对消测角误差的防空导弹的外弹道监测系统。


背景技术：

2.传统近程防空导弹主要用于对付从低空、超低空入侵的近程轻型战术武器，具备机动灵活、精确制导、发射后不管、操作简便、费效比高等优点。
3.外弹道监测设备的核心组成部分探测跟踪系统通常采用红外和可见光探测相结合的探测方法，以往的光测系统存在以下问题：
4.1)结构复杂。光测设备所用转台一般在吨级以上，必须有载车或拖车承载才能工作。2)支撑调平操作复杂，可靠性差。为了在水平条件下测量，需要对转台甚至时拖车整体支撑起来。物理调平操作难度很大，调平时间长。调平后，稍有风吹或人员影响，平台会有几十秒晃动，影响测量精度。调平机构多采用液压方式或机械方式，机构复杂，故障率高，可靠性降低。


技术实现要素：

5.本发明为了解决以上问题，提供了一种自动对消测角误差的防空导弹的外弹道监测系统。
6.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种自动对消测角误差的防空导弹的外弹道监测系统，包括：
8.探测跟踪系统，所述探测跟踪系统用于完成对目标的红外信号和可见光信号的采集，形成目标信号，并将所述目标信号发送至电子操控系统；电子操控系统，所述电子操控系统根据所述目标信号用于完成目标脱靶量的计算以及目标航迹的估算和显示；
9.其中：所述探测跟踪系统包括伺服系统、红外热成像仪、可见光成像器以及第一电源模块，所述电子操控系统包括显示控制计算机、时统模块、无线模块、信号处理器、伺服控制器以及第二电源模块。
10.可选的，所述红外热成像仪用于获取目标的红外图像，所述可见光成像器用于获取目标的可见光图像，所述红外热成像和所述可见光成像器分别将所述红外图像和所述可见光图像发送至所述信号处理器，所述信号处理器根据所述红外图像和所述可见光图像计算出目标信号的方位信息。
11.可选的，所述伺服系统包括俯仰驱动电机、俯仰随动框架、俯仰角位置传感器、方位驱动电机、方位随动框架以及方位角位置传感器，其中，所述俯仰驱动电机和所述方位驱动电机在所述伺服控制器发出的驱动信号的控制下分别带动所述俯仰随动框架和所述方位随动框架，所述俯仰角位置传感器和所述方位角位置传感器计算角数据，并将角数据发送至所述显示控制计算机。
12.可选的，所述角数据包括分别由所述俯仰角位置传感器和所述方位角位置传感器
生成的俯仰角数据和方位角数据。
13.可选的，所述显示控制计算机将所述俯仰角数据和所述方位角数据发送至所述信号处理器，所述信号处理器结合目标信号的方位信息以及所述俯仰角数据和所述方位角数据计算出角误差信号。
14.可选的，所述信号处理器将所述角误差信号发送至所述伺服控制器，所述伺服控制器根据所述角误差信号生成用于驱动所述俯仰驱动电机和所述方位驱动电机的驱动信号。
15.可选的，所述时统模块用于定位授时，其利用外部的卫星导航数据同步系统时钟并发送系统时间信号至所述显示控制计算机。
16.本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
17.在探测跟踪系统中，本发明设计了集成化的转台，创新采用实时测量转台倾角的方法，在系统计算时进行自动数据补偿，通过对消算法的应用，滤除系统中由于转台固定误差，减小了测量精度对结构刚度的依赖，无需繁琐的支撑与调平，大大减轻了本体重量。系统的简化，功耗也随之降低，使得以往必须车载的设备，变成了便携式设备，机动性更好。
附图说明
18.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
19.在附图中：
20.图1为本发明的a站和b监测量示意图。
21.图2为本发明工作原理方框图。
22.图3为本发明初始检测示意图。
23.图4为本发明自动跟踪的原理图。
24.图5为本发明以b点为原点建立和a平行的坐标系b示意图。
25.图6为本发明跟踪点修正示意图。
26.图7为本发明亚象元处理示意图。
27.图8为本发明亚象元处理示例示意图。
28.图中：
[0029]1‑
探测跟踪系统；2
‑
电子操控系统。
具体实施方式
[0030]
下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
[0031]
如图1和图2所示，本发明公开了一种自动对消测角误差的防空导弹的外弹道监测系统，包括a站和b站两个，其中a站为主站，b站为从站，a站和b站均包括探测跟踪系统1和电子操控系统2。探测跟踪系统1及电子操控系统2采用模块化设计，分别置于便携式包装箱内。探测跟踪系统1的支撑架采用可调平三脚架。探测跟踪系统1及三脚架重量控制在60kg以内，电子操控系统2及其便携式箱体控制在20kg以内，方便两人运输及展开。a站和b站分别对目标进行测量，b站负责获取并存储红外图像和可见光图像和检测跟踪目标，测量目标
角度信息并通过无线方式目标测量数据(角度、时间等)通过无线方式发送给a站，a站同样具有b站以上功能，同时，a站综合两站测量数据后计算出目标在相对坐标系中的位置、脱靶量，同时绘制出目标的航迹并显示。
[0032]
具体的，探测跟踪系统1包括伺服系统、红外热成像仪、可见光成像器以及第一电源模块，电子操控系统2包括显示控制计算机、时统模块、无线模块、信号处理器、伺服控制器以及第二电源模块。
[0033]
探测跟踪系统1工作过程包含初始检测和自动跟踪两个步骤，其中，如图3所示的，初始检测包括：利用红外热像仪视场大、检测跟踪稳定的特点，用其检测输出数据控制伺服系统进行闭环跟踪。采用自适应阈值进行目标检测，导弹出筒前跟踪弹射部分，导弹出筒后由于导弹尾焰温度更高，算法会自动将跟踪点切换到导弹尾焰部分，并对导弹进行稳定跟踪。以某导弹为例，导弹出筒的前弹速约为30m/s，红外热像仪视场为4.5
°×
3.4
°
，当本系统距发射点1.5km时，红外热像仪可观测范围为120
×
90m，导弹可在视场内存在2s以上。在目标信号较强(信噪比大于5)的情况下，信号处理软件一般可在5帧以内捕获目标，对本案50hz的红外热像仪来说，进行目标截获时间应在0.1s以内。因此本方案所设计布站距离及视场大小可满足稳定捕获的要求。
[0034]
如图4所示的，自动跟踪包括：红外热成像仪或可见光成像器对目标成像，获得图像数据；图像数据交由信号处理器进行处理，判别确认目标并获得目标的角误差；目标的角误差驱动伺服系统，伺服系统包括俯仰驱动电机、俯仰随动框架、俯仰角位置传感器、方位驱动电机、方位随动框架以及方位角位置传感器，其中，俯仰驱动电机和方位驱动电机在伺服控制器发出的驱动信号的控制下分别带动俯仰随动框架和方位随动框架，使与成像系统视轴重合，目标像回到图像中心，完成对目标的自动跟踪。
[0035]
在自动跟踪过程中，也可进行人工干预，包括搜索空域预置、跟踪目标指定、人工强制放弃跟踪等。人工干预可帮助光测系统准确识别并快速锁定复杂背景下的目标。此外，在自动跟踪过程进行人工修正，可实现高精度、高速跟踪。
[0036]
首先通过双站定位原理实现目标位置计算。
[0037]
双站为a站和b站，以a为原点，ab在水平方向的投影为x轴，垂直水平面向上为y轴，建立右旋坐标系a。通过激光测距得出ab间距，记为x1，通过测量b站俯仰角，可计算其高程，记为y1。所以b站在a坐标系中的位置坐标(x1,y1,0)。
[0038]
以b点为原点建立和a平行的坐标系b(如图5所示的)，设目标t在a，b两站的方位和俯仰测量值分别为a1、e1和a2、e2。
[0039]
本发明增加了对伺服电机方位俯仰角的测量，测量值为，目标和视场中心的方位俯仰偏差角为a
12
,a
22
,e
12
,e
22
。
[0040]
a1、e1和a2、e2的计算方法为：
[0041][0042]
目标t在a坐标系中的坐标：
[0043][0044]
目标t在b坐标系中的坐标：
[0045][0046]
由于a和b为平行坐标系，所以有：
[0047][0048]
联立以上各式可以解出r1,r2，进而得出目标在相对坐标系a中的三维坐标，实现双站定位。
[0049]
为了更加精确的计算目标质心位置，本发明采用亚象元处理法进行跟踪点修正：
[0050]
目标跟踪时会存在跟踪点偏移的情况，如图6所示的，一般主要跟踪点在靶机的发动机或导弹的尾焰部分，后期处理时要通过拟合的方法将其修正到目标质心位置，以提高测量精度。
[0051]
如图7所示的，采用质心加权算法，对目标检测结果可以达到亚象元级，从而有效提高测量精度
[0052]
以目标识别阶段统计的目标尺寸开窗口，利用质心算法计算目标在像面中亚像元位置，公式如下：
[0053][0054]
式中，x
c
、y
c
是目标质心的坐标，c
m
和r
n
分别是m
×
n子阵的列和与行和信号值，c
i
是最左列的列和，r
j
是最上行的行和。
[0055][0056][0057]
g
mn
是象元输出的灰度信号值；b是背景平均灰度值，在目标识别阶段统计得到。
[0058]
以球形目标为例，假设其在像面上所成像及减去背景后的灰度如图8所示，有亚象元质心计算方法可计算出目标的质心坐标为(2.1，1.9)，由此可以看出采用亚象元质心算
法可以保证将像素分辨率提高3倍。
[0059]
由于脱靶量测量精度与双站间距、双站与目标的相对位置、站点与目标的距离有关，所以站点布局对精度测量至关重要，建议布站：
[0060]
1)双站布在发射区侧前方安全区内；
[0061]
2)当站点距交汇点6～8km时，双站之间的距离不小于2.5km；
[0062]
3)当站点距交汇点不大于6km时，双站之间的距离不小于2km。
[0063]
两个本系统均采用北斗定位授时，采用高性能定位授时模块，接收北斗、irig
‑
b(dc)码定时信号，解调出准确的时间数据，向本系统提供高精度时间同步信号。
[0064]
本系统接收时统模块的秒脉冲信号后，时统模块用于定位授时，其利用外部的卫星导航数据同步系统时钟并发送系统时间信号至显示控制计算机。采用高精度、搞稳定度晶体振荡器进行采样并计数，结合收到的时间报文，便可以得到高精度的时间信息。晶体荡器频率一般为10
‑
50mhz，以10mhz为例，一般本系统内部同步误差不会超过一个时钟周期，即误差小于0.1μs。
[0065]
脱靶量计算
[0066]
当弹目交会时，弹、目双双进入两站可见光视场，可分别测出弹、目角偏差，同视场的弹目角数据伺服角度相同，可分别算出弹目在相同坐标系的三维坐标(x
db1
,y
db1
,z
db1
)和(x
tb1
,y
tb1
,z
tb1
)
[0067]
则弹目距离为：
[0068][0069]
d为时间函数，取交会时刻附近的最小值，则为脱靶量。
[0070]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。