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捷联平台成像末制导关键技术研究

张路  
【摘要】:随着现代红外成像探测技术和制导控制技术的发展,红外成像末制导技术在动能拦截武器和精确制导武器中越来越多地得到应用。利用捷联安装的惯性设备获取成像平台实时姿态信息,并与成像器采集的图像信息复合,以提取目标在惯性空间中的运动信息,并据此进行检测、跟踪等制导信息处理的做法,是一种新的思路,可能成为未来成像末制导信息处理的重要发展方向。 本文以捷联平台红外成像末制导信息处理系统为主要研究对象,围绕系统设计中的“凝视成像惯性解耦技术”、“杂波背景中运动平台成像小目标检测技术”、“近距离成像复合跟踪技术”、“实时信息处理系统设计技术”四大内容展开研究。 成像平台自身运动常使目标成像偏离理论位置,形成不规律的运动轨迹,使后续信息处理系统无法有效分析和利用目标运动信息。通过分析目标图像与成像平台运动的耦合关系,提出了对成像平台姿态运动的精确解耦算法;针对精确解耦算法计算量较大的问题,在小姿态转角的前提下,提出了一种简化解耦算法,并对解耦算法的误差构成和传播特性进行了分析。惯性解耦算法具有精度高,可靠性强的特点,其简化算法还具有结构简单、易于硬件加速的优点。 背景杂波抑制和对弱小目标的积累关联是末制导系统小目标检测的关键问题。针对传统空域自适应滤波算法仅利用单方向背景相关性进行背景预测的不足,从多个方向对图像背景进行自适应预测和加权融合,得到了一种基于二维自适应最小均方滤波器(TDLMS)的邻域滤波融合背景预测算法,改善了传统空域滤波算法在杂波边缘虚警率较高的问题。针对成像平台运动导致的无法对目标进行有效关联积累的问题,提出了一种基于递推解耦和最小二乘(LS)预测轨迹关联的小目标检测算法,算法利用两帧图像之间的姿态转角解耦,在保持目标图像运动相关性的同时避免了进行大角度解耦,保证了关联检测算法的精度和实时性。 当目标与成像器距离较近时,目标像的轨迹呈现出较强的非线性特性。针对线性跟踪算法在近距离跟踪时失效的问题,论文提出了一种纯角度跟踪的系统模型,并分别采用扩展卡尔曼滤波(EKF)算法和无味卡尔曼滤波(UKF)算法进行了滤波跟踪,能有效地跟踪近距离成像的目标视线角;目标距离较近时,图像特征信息是一种有效的跟踪信息,针对红外图像特征单一、易受干扰的问题,通过对目标区域图像的非线性再量化和多核级联、核窗尺度自适应更新技术,得到了一种改进的均值位移跟踪算法;结合两种算法的优势,在惯性空间将目标观测角滤波结果和二维图像跟踪结果相结合,得到了一种“纯角度滤波预测”+“特征匹配跟踪”的复合跟踪方案。 结合某重大项目中“XX红外导引头信息处理机”的研制,讨论了成像末制导信息处理系统的软硬件结构划分,设计了核心任务的调度方法以及关键算法的硬件加速逻辑。实验结果表明,系统具有精度高、响应快的特点。


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