作者 李釗 孫健 上海航天控制技術研究所(上海 201109)

李釗(1986-)，男，博士生，工程師，研究方向：機電一體化; 孫健，男，碩士生，工程師，研究方向：仿真轉臺控制器研究。

摘要：為滿足武器系統外場試驗對目標、背景及干擾的數據采集及其它制導系統的性能驗證，本文設計了一種隨動式車載光電搜跟系統。利用光學跟蹤平臺實現對動態目標的搜索和跟蹤，同時控制車載轉臺隨動，車載轉臺可搭載導引頭等其它光學探測設備，提高了系統的負載能力。針對系統延時帶來的跟蹤誤差，采用卡爾曼濾波算法對目標位置進行預測。試驗結果表明，加入預測算法后，跟蹤平臺運動更加平穩，跟蹤精度得到提高。針對設備間由于坐標不一致及安裝精度和零位偏差帶來隨動誤差，通過位置補償對隨動控制指令進行修正，改善了隨動觀測精度。系統采用模塊化設計，可靠性高，可用于武器系統的外場試驗。

引言

　　光電搜跟系統作為一種現代化探測和偵查手段，廣泛應用于無人機、偵察車、船舶等軍事和民用領域^[1-3]。利用紅外、微光、可見光、激光等光學探測設備，光電跟蹤系統可對空中及地面目標進行搜索和捕獲，同時通過計算脫靶量控制伺服系統運動，實現對目標的實時跟蹤。為了方便攜帶、增加搭載設備的有效載荷及隱蔽偵查等方面的需要，光電搜跟系統逐步向著小型化和輕量化方向發展^[4-5]。為了提高搜跟精度和機動性能，光電搜跟系統的搭載能力受到了一定的制約，通常僅能搭載有限的光學設備。

　　武器系統外場試驗時，導引頭等精密制導設備由于視場較小而難于發現動態目標，其它探測設備，如紅外熱像儀、紫外成像儀等由于設備較重，通常需要放置在云臺上由人工手動推動實現動態目標觀測，因而對于機動性較大的目標觀測極為不便。本文提出一種隨動式車載光電搜跟系統，滿足對目標搜索和跟蹤的同時，提高了系統的負載能力。系統跟蹤精度高，性能穩定。此外，系統集成在測試車上，可方便外場試驗對目標、背景及干擾彈的各波段輻射能量進行采集，并完成相應的試驗任務。

1 系統組成

　　系統由光電跟蹤平臺、車載轉臺系統和控制采集系統三大部分組成。光電跟蹤平臺包含紅外探測器、激光測距機和伺服運動機構。工作時，平臺升出車廂頂部，實現360°對空搜索。可搭載導引頭及其它光學探測設備(長波紅外熱像儀、紅外成像光譜儀、光譜輻射計等)，并在跟蹤模式下隨光學跟蹤平臺運動，實現搭載設備對動態目標的觀測，車載轉臺負載能力大于50kg。

　　控制采集系統由存儲顯示計算機和控制采集計算機組成。存儲顯示計算機用于進行試驗參數設置、試驗過程監控、數據存儲及數據回放分析;控制采集計算機用于采集試驗過程中產生的各種數據，如導引頭數據、光學設備探測數據、轉臺運動數據、雷達數據和GPS等數據，并將試驗數據發送至存儲顯示計算機進行監控和存儲。系統工作原理如圖1所示，系統實物如圖2所示。

2 系統軟硬件設計

　　為實現動態目標的高精度搜索和跟蹤，減少數據傳輸和信號處理帶來的系統延時，對系統性能和實時性提出了較高的要求。

　　系統采用模塊化設計，各分系統采用上下位機模式，實現控制與讀顯操作分離。上位機主要用于人機交互，硬件平臺基于工業控制計算機架構，軟件平臺基于windows平臺，程序采用模塊化設計，具備用戶管理、參數設定、數據監控、錯誤處理等功能。下位機主要用于各分系統之間數據傳輸、圖像處理、目標解算、伺服控制等，要求實時性高、數據處理能力強，本系統中各分系統控制周期統一為1ms，各下位機之間采用千兆以太網進行數據交互。光電搜跟平臺下位機采用DSP設計，芯片選用TMS320F28335，主要用于光電搜跟平臺伺服控制、跟蹤預測及位置信息發送;采集控制系統下位機采用PXI架構，軟件編寫基于LabVIEW RT實時操作系統，用于實現光電跟蹤平臺位置信號采集、目標位置預測和補償、車載轉臺控制指令解算和發送、其它分系統信號和系統狀態采集等;車載轉臺下位機采用PCI架構，軟件編寫基于Vxworks實時操作系統，用于實現車載轉臺閉環控制，控制指令接收及實時運動狀態反饋。

　　光電搜跟平臺技術指標：俯仰跟蹤范圍為﹣15°~﹢75°，方位跟蹤范圍為﹣135°~﹢135°，最大跟蹤角速度不小于60°/s，軸線誤差不大于0.2°，標準能見度下，紅外熱像儀探測距離大于15km，激光測距大于10km。

3 系統精度分析

3.1 跟蹤預測

　　為保證隨動系統的跟蹤精度，要求光電跟蹤平臺伺服機構運動平穩且對大機動目標能夠快速響應、精確跟蹤。然而由于測量噪聲及系統滯后等因素的影響，系統跟蹤能力受到了一定的制約。本系統中紅外圖像跟蹤器主頻是25Hz，從而由圖像處理帶來40ms的系統延時，當目標機動性較大時，該延時足以使目標脫離視場范圍，造成目標丟失。試驗時發現，平臺跟蹤過程中激光中靶率不足80%，目標機動性大時跟蹤能力不足，伺服平臺運動曲線不夠平滑，目標丟失現象時有發生。

　　為消除系統滯后，提高跟蹤精度，需要對目標的運動特性進行預測。常用的預測算法包括最小二乘濾波[6]、維納濾波[7]、卡爾曼濾波[8]等，本系統采用卡爾曼濾波算法對目標進行預測。

3.1.1 卡爾曼濾波[9]

　　離散系統動態方程由運動方程(1)和觀測方程(2)構成，具體表述如下：

　　根據系統方程，可由卡爾曼濾波器對脫靶量即目標位置信息進行預測

3.1.2 試驗分析

　　對某民航飛機進行觀測，光電跟蹤平臺跟蹤過程中實時圖像如圖3所示，目標飛機位于跟蹤框內，圖像上方顯示目標的距離、高度，以及伺服機構的位置信息。