微型导弹捷联光学制导信息提取方法研究

訚胜利

(上海机电工程研究所，上海 201109)

·技术前沿·

微型导弹捷联光学制导信息提取方法研究

訚胜利

(上海机电工程研究所，上海 201109)

微型导弹体积小、成本低、精度高，可用于近距离攻击低小慢目标和地面人员车辆，采用捷联可见光导引头制导是比较合理的方案，因此高精度捷联制导信息的提取成为关键。为获取更高精度的制导信息，需要改进提取方法。匹配滤波理论是在考虑传感器不同的动力学特性情况下的一种信息融合方法，依据传感器动态特性进行信息匹配的方法提高制导信息提取精度。首先建立捷联光学成像导引头及其在制导控制系统中的简化模型，依据导引头上各种传感器主要指标，及匹配滤波的原则，推导出相位匹配器。最后，对匹配后的系统提取制导信息，并参与制导系统半实物测试，对比传统惯性滤波器与相位匹配滤波器的效果。结果说明在相位匹配滤波的提取方法获得的视线角速率精度比传统惯性滤波提取方法提高了1倍。

光学成像导引头；捷联；制导信息；相位匹配

0 引言

对于近距微小型威胁目标，大型的防空导弹效费比不高，因此低成本、轻便携的微型导弹已成为各国近程武器的热点，可以作为低空近距离安防，打击低小慢目标，还可以在反恐战场上攻击敌方人员和车辆。红外成像制导以其精度高、抗干扰能力强的特点在现代精确打击武器中广泛应用，但普通的红外成像制导系统需要复杂的制冷系统，导致导引头的体积大、笨重、可靠性差，而且价格昂贵。光学成像系统成本低、体积小、可靠性高，因此越来越受到青睐。美海军研发的微小型“长钉”导弹，就采用可见光成像制导方式。

国外的成像制导武器系统，最初有采用追踪法导引，而现在绝大部分都采用比例导引，有些先进的导弹还采用改进比例导引，充分利用了制导信息。早期红外成像导引头一般采用陀螺稳定系统，导引头与弹体的关系相对独立，单纯在总体指标下完成稳定跟踪测量的功能。而导弹要微小型化，探测系统捷联化是必然要求，这样导引头需要将弹体信息合成后才能用于制导；但导引头捷联化后，提取视线角速率的精度直接决定着制导精度，也决定着武器系统的作战范围，目前防空作战视线角速率变化较大且对精度要求较高。在陀螺稳定平台式红外成像导引头制导信息的提取方面，导弹总体要求提供惯性空间的视线角速率以进行比例导引，并且视线角速率精度越高越好。传统导引头分系统一般是送出陀螺信息、位置传感器信息或图像跟踪误差，经过坐标变换后作为视线角速率送出。本文提出了一种微型导弹捷联光学制导信息提取方法，即结合导引头图像偏差信息及其惯性传感器误差，在联系弹体稳定控制的情况下，采用相位匹配的方法合成提取制导信息。在理论分析的基础上，通过数字仿真验证了该方法能够有效提高制导信息的精度。

1 捷联光学成像导引头及其制导信息提取问题

1.1 捷联可见光成像导引系统及其制导控制模型

典型捷联可见光制导导弹如图1所示。捷联光学成像导引头主要由头罩、可见光镜头、成像探测器、图像跟踪器组成。光学系统及探测器固定在弹体上，与弹体捷联的三轴陀螺将弹体运动信息结合图像跟踪器偏差角进行数字解算，将解算得到的制导信息送到弹体进行制导控制。捷联光学成像导引头传递函数如图2所示。

分析导引头对整个弹体的影响需要将导引头各个环节进行简化分析，最终简化结果如图3所示。

1.2 捷联成像制导信息的提取问题

攻击地面车辆或空中直升机目标时，导弹成像导引头一般采用比例导引，这样能够使过载合理分配并实现高精度打击。而比例导引所需的视线角速率的物理意义是弹目连线在惯性坐标系中的转动速度。弹目运动关系如图4所示。

图4中ε是图像跟踪偏差量，通过图像跟踪器直接送出，ϑ是弹体运动角度，可以通过弹体陀螺直接测量，q是弹目视线角：

q=ε+ϑ

(1)

比例导引的制导信息就是弹目视线角速度，捷联式导引头不能直接获得光轴角速率，但是可以直接获得ε及ϑ，可以通过微分的方法获得视线角速率。

但是考虑实际的图像跟踪器、陀螺的硬件水平，且是在弹体扰动下的跟踪，可以对各个传感器的误差及微分情况作估算分析：对于720像素10°视场的非制冷红外系统来说，像元分辨率0.0138°，采用25Hz帧频时，最小速度误差达到0.312°/s；而陀螺的零偏及比例因子非线性会引约起0.1°/s的测速误差。根据上述数据分析，若直接微分获取，必然会造成很大的视线角速率误差，因此必须采用更加合理的提取方法，将信号合理配置才能够达到更高的视线角速率精度。

2 捷联方式制导信息误差分析

2.1 制导信息误差源的确定

将全捷联图像传感器与陀螺固连，目标运动q0是幅值A0、频率ω0的正弦运动，施加弹体扰动ϑ后，经过光学及图像处理系统获得偏离中心位置的角度：

ε=ϑe-τs/(τS+1)+q0e-τs/(τS+1)

(2)

而陀螺直接感受出偏角速度：

(3)

获取的角速度经过解算后得到角位置：

(4)

而根据式(1) 可得：

ϑe-τs/(τS+1)-q0e-τs/(τS+1)=

q0e-τs/(τS+1)

(5)

(τS+1)-q0ω0e-τs/(τS+1)

(6)

2.2 相位匹配法的原理

D(s)e-τs/(τS+1))ϑ=0

(7)

3 捷联视线角速率提取仿真分析

在全捷联成像系统上提取视线角速率，采用扰动测试的方法来进行相位匹配原理数字仿真验证。光学成像探测系统与三轴微机械陀螺固联，成像探测系统探测到目标后产生的图像信号传输到处理机，陀螺信号经过动力学延迟产生角速率信号。最后经过相位匹配算法，加入延迟同步将2路传感器的信号进行相位匹配，运行上述推导的算法，经过空间转换后再进行微分滤波获取视线角速率信号。

主要仿真参数设置：可见光面阵成像探测器，分辨率720×576，帧频25Hz，像元尺寸6.8μm，采用50mm焦距；三轴MEMS陀螺，综合漂移10°/h以内，采样率1kHz，带宽200Hz；人在回路捕获目标，采用相关自动跟踪算法，算法跟踪时间20ms以内，输出脱靶量间隔40ms。设置目标以1°、2Hz的正弦运动。根据2.2节中的分析，由式(7)最终求出相位匹配器，姿态角与图像跟踪偏差量合成(连线)以及其微分(点线)的曲线：对跟踪偏差加10.05s+1的滤波器，微分完后与陀螺速度合成加入10.3s+1的滤波器。如图6所示。

未采用相位匹配时合成视线角速率的标准差为0.365°/s，采用相位匹配后合成视线角速率均方值为0.201°/s。由上述实验得到的结果可以看出，采用相位匹配算法对提高捷联视线角速率有明显的效果，因此在针对全捷联方案中，提取视线角速率时必须重点考虑各传感器的动力学以改善系统提取的效果。

4 结束语

提高视线角速率精度对全捷联导引头具有重要意义。本文采用连续信号的傅里叶变换方法，把时域中难以分析的问题转化到频域，从而明显地分析信号响应的相位差异，对于相位超前的传感器，人为添加一个滞后环节，使2个传感器的响应速度一致，从而使2个传感器的信号反映的是同一时刻的输入信号，以得到最接近真实的视线角速率信息，最大限度地提高制导精度。从本文推导的相位匹配环节的仿真实验结果可以看出，该方法能够明显改善合成精度。本文实验为了简化问题，做的是单轴、单频率点、低速运动目标的视线角速率提取，还可以进一步仿真弹体在俯仰偏航2个方向、不同频点运动，并且目标机动的情况下提取视线角速率，这样最接近捷联导引头弹目相对运动的真实条件。■

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Guidanceinformationextractivemethodofmini-missileopticalimagingstrapdownseeker

Yin Shengli

(Shanghai Institute of Mechanics and Electricity Engineering, Shanghai 201109,China)

For its small bulk,low price and high degree of accuracy, the mini-missile can be used to attack person and vehicle,and the strapdown seeker is a good choice for guidance.The key point is to refine the seeker guidance information. The way of getting guidarne message should be improved. Phase matching filter is a way of intelligence fusion considering the dynamics of different sensor.It increases the accuracy by matching the dynamic of sensor.The guidance and control model of optical imaging strapdown seeker is built firstly,and then the phase matching filter is derived.The giudance information of matched system is extracted at last,and the guidance system using the Hardware-in-loop system is tested.Comparing the matched filtor improved system and the traditional lag compensation sysytem,the line-of-sight rate dloubles.

optical imaging seeker;strapdown;guidance information;phase matching

2017-06-29；2017-09-07修回。

訚胜利(1981-)，男，高工，博士，主要研究方向为光电成像探测。

TJ765.3;TN97

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