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IRST单站被动定位系统的关键技术研究

李恩科  
【摘要】:本论文“IRST单站被动定位系统的关键技术研究”来源于“十五”和“十一五”预研项目。 随着现代军事高科技的迅速发展,光电对抗技术在现代战争中获得了迅速的发展和广泛的应用,其中高价值机动平台(如战略轰炸机、预警机、洲际导弹、军舰和地面机动指挥系统等)几乎都配备了先进的光电对抗装备。红外搜索与跟踪(Infrared Search and Track,简称IRST)装备是一种宽视场的被动军用红外综合电子战系统,它的任务是可靠探测、精确定位和连续跟踪在背景辐射和其它干扰下的红外辐射目标。由于IRST属于被动探测,具有隐蔽性好等独特的优点,因此,它已成为军事领域中最具发展前途的目标检测与跟踪系统之一。为了有效地发挥光电对抗装备的效能,IRST必须对来袭目标进行准确定位,包括角度和距离的测定。然而目前大多数IRST系统不具备测距功能,必须依靠激光测距机或雷达来测距,这就破坏了系统的隐蔽性能。因此,IRST系统如何实现被动定位,这是现代军事高科技中一个十分重要而又急需解决的技术难题。本文将IRST技术与红外单站被动定位技术相结合,研究IRST单站被动定位系统的关键技术。 本文在综述国内外IRST技术和红外单站被动定位技术研究动态的基础上,论述了IRST单站被动定位的基础理论,研究了IRST单站被动定位(测距)系统中的信息处理技术,分析了IRST单站被动测距的几种典型算法,设计了基于红外成像、序列图像处理和三维运动分析的单站被动定位系统方案,实现了该方案的半实物仿真系统,分析了IRST单站被动定位(测距)系统的误差,提出了减少系统误差的具体措施,展望了IRST单站被动定位技术的发展趋势。本文的主要工作和成果有: 1.从实战的角度论述了对IRST单站被动定位系统的技术性能要求,综述了国内外IRST的研究进展、红外单站被动定位的研究进展以及IRST单站被动定位的研究进展。论述了IRST单站被动定位的基础理论,包括红外成像与目标辐射特性、红外辐射的大气传输、红外图像预处理、红外目标探测、红外成像跟踪以及红外系统作用距离等。 2.重点研究了IRST单站被动定位(测距)系统中的信息处理技术。对IRFPA非均匀性校正算法进行了研究,提出了基于函数拟合的IRFPA非均匀性校正算法,该算法在线计算量较小,运算速度快,校正精度高,可有效满足IRFPA在大动态范围和存在非线性时的非均匀性、非线性校正的要求,适合于工程应用;对序列图像预处理算法进行了研究,在讨论常规的图像去噪与增强算法的基础上,提出了一种保边缘滤波方法,该方法不仅能去除实际噪声,还能保留图像细节;对序列图像分割算法进行了研究,在研究基于边界和基于区域的常用分割算法的基础上,提出了一种基于最大类间方差函数准则的红外图像背景自适应阈值分割算法,满足了目标定位实时性和环境普适性的要求;论述了描述图像特征的有关参量,梳理了图像特征提取与目标探测的方法。 3.深入地分析了IRST单站被动测距系统的几种典型算法,包括单站单波段红外动态测距测速模型、自适应扩展卡尔曼滤波测距模型、单站双波段红外被动测距算法模型、基于辐照度对比度的目标测距模型、三维运动学测距算法模型等,从测距模型的建立、测距公式的推导、仿真实验及其结果等方面进行了系统深入的研究和分析。重点研究并设计了基于红外成像、序列图像处理和三维运动分析的单站被动定位系统方案,根据飞机、导弹等空中高价值机动平台对空中机动目标被动定位的实战情况,建立了机动测量平台对机动目标被动定位的物理模型和空间几何坐标模型;给出了机动平台运动补偿的空间坐标变换关系式;推导出了适应机动目标姿态和运动状态变化的定位算法数学模型。设计并实现了半实物仿真系统,计算机仿真和半实物仿真实验结果验证了系统方案的正确性和有效性。分析了IRST系统的误差、IRST单站被动测距系统的误差,提出了减少系统误差的具体措施。 4.介绍了IRST单站被动定位系统应用于近期研制的高性能综合武器系统——分布孔径红外系统(Distributed Aperture Infrared Sensor System-DAIRS)中的一个实例,这种DAIRS利用一组精心布置在飞机(或其它军用平台)上的传感器阵列实现全方位、全空间敏感,并采用多种信号处理算法实现对空中目标远距离搜索跟踪、导弹威胁逼近告警、战场杀伤效果评定、导航等多种功能,从而能够用一个单一的系统完成以前要用多个单独的专用红外传感器系统(如红外搜索跟踪系统、导弹逼近告警系统、前视红外成像跟踪系统、前视红外夜间导航系统)完成的功能。并且它正朝着高超分辨率、高帧频、多光谱等方向不断发展和完善。


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