基于单元探测器的激光跟踪技术研究

在激光通信、激光制导和交会对接的过程中,为了实现对远距离目标的捕获和跟踪,提出了 一种基于单元探测器的激光跟踪技术,该技术以单元探测器测量距离信息,通过快反镜使光束螺旋扫描视场,并反馈角度信息,由此得到三维图像.信号处理端通过处理三维图像可以获取目标相对视场中心的脱靶量,控制端根据脱靶量驱动快反镜偏转,使目标一直处于扫...     

激光主动照明光学系统设计

为提高跟踪测量系统对暗弱目标的探测能力,设计一套自动化激光主动照明光学系统,对跟踪测量视场范围进行主动辅助照明。该系统在0.2~5 km距离处的照明直径均为10 m,计算出其在-20℃及+45℃的温度调焦量,照明仿真结果表明系统照明不均匀性15%。通过研究系统像差对照明均匀性的影响,以及对设计的调光组进行分析,得到调光组移动量与照明距离之间的理论关系,表明自动调节调光组位置即可实现不同照明距离处的均匀照明。设计和分析结果表明,该主动照明系统能够自动调节调光组位置,实现跟踪测量视场内的均匀照明,有利于跟踪测量系统对于暗弱目标的探测。     

纯距离法激光跟踪坐标测量系统的布局与仿真

一般激光跟踪测量系统通过测量距离变化量和跟踪镜转角来确定目标的位置坐标。而纯距离法激光跟踪测量系统只测量距离和距离变化量 ,而不用测量角度量 ,即可进行坐标测量 ,因此可得到较高的测量精度。其系统几何参数可以不借助外界实物标准尺进行自标定 ,并建立虚拟坐标测量参考系。多站测量系统的布局、测量点选择、计算的收敛性与误差等必须进行分析。从激光跟踪测量系统自标定的数学模型出发 ,分析其方程组的雅可比矩阵 ,推导出在自标定时测量系统中各站点和测量点的布局限制 ,并用计算机进行了仿真验证。     

基于大地坐标的目标脱靶量交汇测量方法

为提高目标的交汇测量精度,提出了一种基于大地经纬度坐标的数据交汇方法。在交汇测量系统中,根据靶心和电视经纬仪的大地经纬度和高程,建立了空间直角坐标系。当目标进入电视经纬仪视场时,电视经纬仪从视频图像中捕获目标,提取目标方位角和俯仰角;根据交汇测量模型,计算出了目标在靶心坐标系下任意时刻的空间位置坐标。该方法已应用到了试验靶场飞行目标脱靶量测量系统中。实测结果表明,该方法可实时测量目标脱靶量,相对测量误差<10-4,具有较高的测量精度。     

方位角预测目标跟踪系统的研究

为了实现目标被遮挡条件下的自动预测跟踪,研究了跟踪机动目标过程中的自适应卡尔曼预测算法,建立了目标遮挡预测跟踪测试系统;首先,根据算法推导了导引头方位角位置预测方法,接着,测试对比了自适应预测算法采样周期对预测精度的影响,最后,设计多种不同的目标运动形式,并通过转台实现,测试自适应算法在典型测试条件下的有效性和准确程度;实验结果表明:目标被遮挡时,预测角增量指令相比图像角增量跟踪指令降低67%;仅需要导引头框架的角位置数据,无须脱靶量数据和弹目距离,满足遮挡条件下目标预测跟踪的功能要求。     

动态几何量多站法激光跟踪测量自标定

采用激光跟踪控制系统实现工业几何量动态测量,提出了实现动态几何量测量的基本目标和任务。重点分析了采用多个激光跟踪测量系统实现动态几何量测量的基本原理,以及多站法完成自标定的方法。分析了自标定的仿真算法并给出实验结果,仿真结果表明影响自标定精度的主要因素为标准尺的精度     

微靶装配中靶球几何量的高精度测量

为满足微靶装配过程中靶球和靶腔相对位置的严格的要求,保障惯性约束聚变实验的成功,针对机器视觉的几何量测量精度很难达到5 m以下的不足,设计了利用具有亚m级精度的激光共焦测头对装配中的靶球进行采点扫描以获取其尺寸和位置的非接触测量方法,借助于在线监测系统运动轴的高精度定位,通过上下两个激光共焦测头的组合测量,并采用一种快速而准确的基于点阵插值细分和目标两级提取的测量算法,使在线监测系统的球体几何量测量精度达到了2 m。     

一种快速高精度激光CCD自准直仪圆目标中心的定位方法

为满足高精度测量和瞄准跟踪系统中对激光CCD自准直仪的测量精度和实时性的要求,提出一种快速高精度激光CCD自准直仪圆目标中心的定位方法。首先利用变结构元广义形态学边缘检测算法,充分提取图像边缘细节信息的同时抑制图像噪声的影响,然后采用多项式插值算法对圆目标轮廓进行快速亚像素定位,最后利用最小二乘拟合方法实现了圆目标中心的精确定位。实验结果表明,该定位方法稳定性好,定位精度高且实时性强,应用该方法改进后激光CCD自准直仪的测量精度由2″提高到±0.25″,且单次测量时间小于0.23s,可满足激光CCD自准直仪在小角度测量和瞄准跟踪等领域的高精度实时测量需求。     

Mean-shift跟踪算法及其在光电跟踪系统中的应用

针对光电跟踪系统中实时提取运动目标脱靶量的应用需求,设计了一种基于灰度直方图的Mean-shift 图像跟踪算法,对算法中目标模型与候选模型的建立进行了改进,抑制了背景像素对目标跟踪产生的影响。算法在系统上位机Visual C+ + 6.0平台上实现,当光电跟踪系统捕获到运动目标后,利用Mean-shift图像跟踪算法跟踪运动目标,并实时将运动目标脱靶量作为伺服控制系统的输入信号,驱动跟踪器跟踪目标。实验结果表明：设计的算法可以实时、准确、有效地跟踪运动目标,使稳定后的脱靶量换算得到的角偏差量控制在30"之内。     

一种新型相位-图像复合被动检测调焦机构设计

光学系统调焦是保证光电测量系统获取高质量图像的重要步骤之一。当对目标跟踪成像时光电测量系统不能及时调焦,获得的模糊图像对目标姿态、跟踪、识别和辐射特性测量造成很大的影响。在总结地基靶场检测调焦方法的基础上,设计了一种新型的相位-图像复合被动检测调焦结构。检测调焦系统对获取的图像信息进行处理,采用自动搜索算法,计算出需要的调焦量,最终找到最佳焦面位置。检测调焦样机的调焦对比试验发现,该系统的相位调焦精度优于0.08 mm,复合调焦精度优于0.02 mm,可以有效提高系统的调焦效率。     

Infrared/laser multi-sensor fusion and tracking based on the multi-scale model

The state estimation problem of targets detected by infrared/laser composite detection system with different sampling rates was studied in this paper. An effective state estimation algorithm based on data fusion is presented. Because sampling rate of infrared detection system is much higher than that of the laser detection system, the theory of multi-scale analysis is used to establish multi-scale model in this algorithm. At the fine scale, angle information provided by infrared detection system is used to estimate the target state through the unscented Kalman filter. It makes full use of the high frequency characteristic of infrared detection system to improve target state estimation accuracy. At the coarse scale, due to the sampling ratio of infrared and laser detection systems is an integer multiple, the angle information can be fused directly with the distance information of laser detection system to determine the target location. The fused information is served as observation, while the converted measurement Kalman filter (CMKF) is used to estimate the target state, which greatly reduces the complexity of filtering process and gets the optimal fusion estimation. The simulation results of tracking a target in 3-D space by infrared and laser detection systems demonstrate that the proposed algorithm in this paper is efficient and can obtain better performance than traditional algorithm.     

基于哈特曼法球差自动测量系统的图像处理

从基于哈特曼法自动测量球差所需解决的CCD图像传感和数字图像处理技术出发，提出将哈特曼光阑图像用于存储器中的目标识别与测量时，图像映像区搜索算法和哈特曼光阑图像中测量光斑距离的中心重叠算法，解决了在一维图像存储器中准确寻找二维图像目标，随后进行相关目标计算的技术。其中利用所有光斑的质心求解哈特曼光阑图像的中心,再由光斑质心关于光阑图像中心的对称性确定光斑质心距离的中心重叠算法可减少计算次数，大大降低了算法的时间复杂度和计算复杂度。     

基于嵌入式平台的猫眼效应目标实时探测系统研究

在安保工作中,为快速发现狙击手,构建了利用狙击镜的猫眼效应原理来发现目标的系统。该系统不同于传统的采用连续激光扫描视场,而采用可调制半导体激光器为探测光源,在调制信号的控制下照射视场,CCD接收相应的主被动回波图像。并根据目标距离不同所成图像特征不同的特点,提出了分别针对远近目标的识别算法,最终在嵌入式DSP高速处理平台上进行图像处理实现。外场实验结果表明,主被动图像相结合,且利用远近目标不同的识别算法,有效提高了探测率,降低了虚警率,系统准确探测到了300m近目标和800m远目标,并达到10frames/s的实时处理速度。     

一种新型光电侦察系统目标数据观测方法

针对在主要作战方向上工作的光电侦察系统，提出一种低成本的光电搜索设备获取目标数据的方法。采用光电探测器持续以固定角速度周转扫描的方法，多次连续捕获目标，不断迭代刷新目标方位和时间数据，完成对来袭目标相对侦察设备的角位置和水平距离的解算。推导出观测目标数据的数学模型，通过设计仿真软件，实验程序可在目标进入侦察设备观测边界范围后解算出其方位角，得出目标在不同时间的方位角、俯仰角和水平距离等信息，能够满足在侦察距离不小于20 km的状态下实现对速度不大于500 m/s、高度不超过5 km的目标进行跟踪，完成了对光电侦察设备的仿真验证，为后续火控计算提供了可靠数据。     

直升机防撞激光雷达综合信息处理系统

设计了一种新型直升机载防撞激光雷达综合信息处理系统。通过对直升机姿态信息的捕获和修正、目标提取与识别、数据三维空间转换等技术,设计并实现了直升机载激光雷达的改进综合信息处理及显示,并且采用扫描成像激光雷达的探测试验对以上技术进行了实际验证。试验结果表明：该系统有效减小了直升机机动飞行时激光雷达探测画面的畸变,在横滚角30°时仍可有效修正探测图像;另外,在600 m处完成了对电力线等不易观察高危目标的迅速提取;实现了探测画面的三维综合高效显示,综合处理时间〈10 ms。本文提出的新的直升机载激光雷达综合信息处理方式有效改良了人机界面。     

水中单光束扫描激光引信捕获率建模与仿真

为了提高反鱼雷鱼雷(ATT)激光近炸引信对来袭鱼雷的捕获率,首先根据鱼雷目标的激光反射特性,分析了鱼雷目标回波功率随激光束入射角度和入射位置的变化规律。采用空间解析几何方法描述了ATT与来袭鱼雷的交会模型,给出了任意交会距离和姿态时目标回波功率计算方法。根据系统最小探测功率,建立了水中单光束扫描激光引信捕获率蒙特卡罗仿真模型,仿真了系统捕获率随激光脉冲频率的变化关系,获得了探测不同距离目标的最大捕获率和相应的激光扫描频率和脉冲频率。结果表明:当激光扫描频率为15Hz,脉冲频率为4kHz,系统能可靠捕获距离9m内目标。所得系统捕获率仿真模型和结果可为ATT单光束扫描激光引信系统设计提供理论参考。     

激光跟踪虚拟坐标测量系统与自标定方法的实验研究

激光跟踪虚拟坐标测量系统满足了工业领域大型工件和空间形位测量所提出的要求。这些要求包括 :高精度、无导轨测量、动态实时跟踪测量、全姿态测量等。在实验室建立了基于角度 距离法的激光跟踪测量系统和基于纯距离法的多站跟踪测量系统 ,分别在三坐标测量机、光学平台光栅位移系统下进行了实际跟踪测量和精度比对实验。并运用虚拟坐标自标定算法在虚拟坐标系下确定了初始点位置、目标点坐标及各点间距离。最后 ,对两种方法的特点进行了分析比较     

基于高速面阵像机扫描成像的弹丸攻角测量方法

攻角是指飞行中弹丸的轴线与其质心运动方向的夹角,是描述弹丸飞行姿态的重要参数,以往都是采用狭缝相机来进行测量。提出了一种基于高速面阵像机测量弹丸攻角的方法。该方法是从面阵序列图像每帧中提取出固定列像元,然后按时序拼接形成一幅图像,等同于线阵扫描的图像;对于扫描速度同影像运动速度不同步时,建立了攻角计算修正模型。采用2台像机从非正交方向进行拍摄,基于面面交会原理,得到三维攻角。实测结果表明:该方法能完成弹速达到1 000 m/s的目标测试,攻角测量精度优于0.1。     

透过散射介质对直线运动目标的全光成像及追踪技术

光散射是限制光传输以及降低和破坏光学成像性能的主要因素,透过复杂散射介质对运动目标的全光成像是光学领域极具挑战性的技术之一.本文提出一种利用散斑差值自相关透过散射介质对运动目标进行实时追踪的方法.采用赝热光照明,基于光学记忆效应理论,通过对运动目标采集的两帧散斑做差值,然后做自相关运算,计算目标移动的距离,实现对目标的实时追踪,并且利用相位恢复算法进行简单处理就可以重建隐藏目标.对该方法进行了实验验证,成功地对隐藏的运动目标实现了成像与追踪.这种透过散射介质对运动目标的全光成像及实时追踪技术,在生物医学等领域具有重要应用潜力.