浅析光学制导及其稳像技术
崔洪源 林娟
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崔洪源 林娟,. 浅析光学制导及其稳像技术[J]. 光电子进展,2021.8. DOI:10.12721/ccn.2021.160125.
摘要: 当今时代的飞速发展,信息技术不断的升级,越来越多的先进技术应用到了制导武器方面,这这些高科技技术中光学占据了主要的地位,在光学制导技术中,导弹光学寻的器稳像技术和发射导弹时导弹瞄准系统的稳像技术是最重要的两个问题。
关键词: 精准制导;导弹;光学制导;稳像技术
DOI:10.12721/ccn.2021.160125
基金资助:

在武器装备中,采用光学技术设备,接收对方军事目标反射及辐射的光学信息,通过光电转换,将目标的光学信息转化为包含有目标形体的图像信息、目标位置信息和目标运动信息的电子信号,对该信号进行电子学处理,用处理后的信号控制、制导武器装备,对对方军事目标实施有效拦裁、摧毁和杀伤的技术,称之为光学制导技术。这种导弹的原理很简单就是用光学成像技术来捕获无隐身功能的目标并使用人工操作跟踪部标或者用封闭不授电磁干扰的图象特征识别软件来跟丛并摧毁目标的导弹。 优点适合复杂电磁环境,可攻击目前隐型技术覆盖的目标,但对真隐型无效。

在军用和民用的测绘仪器中,最主要的就是稳像技术。稳像技术的主要作用就是为得到一个稳定的测量基准,在测量仪器的测量面上存在一个稳定的标准,这样才能让测量的结果更加准确,减少失误的出现。当在船舶,飞机,车辆等运动物体上用望远镜观察时,因为这些运动的载体一旦运动起来就会非常颠簸,导致所观察的像极其不稳定,同时让观察的人产生极大的疲劳感,大幅度的降低准度。随着近几十年的发展,所有的武器系统都装备了稳像技术,无论是大型的导弹还是小的引线头,稳像系统存在于任何角落,正是稳像系统的应用,像才会更加稳定,提高武器的精准度。

1.光学制导技术

在信号的调节过程中,将会把所有的红外射线汇聚到一个点,前提是产生的像误差较小,满足需求就可以。因此我们最普遍的做法就是把整个光学系统变成陀螺转子的一个部分,用陀螺的定轴性来解决光轴的稳定,通过陀螺的进动来实现对目标的跟踪。因为在陀螺三轴的交点处汇聚成目标像点,同时会在这里将光电探测器转变成电信号并通过电路传输出去。

在图象信号制导时,图像的模糊与光轴和陀螺转子轴不重合运转的抖动有着直接的联系,同时也起着至关重要的作用,影响着制导信息的获得。为了提高图像的稳定性,我们的首要任务就是解决光学系统与陀螺转子的旋转这一问题,正常我们是将光学系统和探测器装在内环上,然而不管是扫描式还是凝视式, 还得将探测器制冷,都会导致陀螺内环上的引线增加,使得陀螺的旋转受到干扰,其次陀螺极轴转动惯量与赤道轴转动惯量之比急剧下降。

在正常的使用过程中,我们对以上的问题有很多解决的办法,但是对于扫描式和凝视系统而言,解决的办法不太一样,以最有发展前途的凝视系统而言,主要办法是使探测器与内环脱离放到弹体上去, 而图象可以通过传像光纤束或光学较链耦台。当采用光纤束时仍存在对陀螺进动的影响。当采用多面反射镜光学较链时则存在图象的旋转。为了弥补图象的旋转需要采用补偿稳像技术,包括电子学、光学和机械的补偿技术。采用装在内外环上的透镜组成可变光楔的方案不存在图象旋转的问题,因而不用补偿,但该系统主要光学元件仍然参与陀螺转子的旋转,没有解决图象模糊的问题。

导弹对目标踏准误差和跟踪畅动是限制某些导弹(如光学视线指令制导导弹、激光半主动寻的制导导弹等)制导精度的主要因素。因此稳定视线、平稳跟踪以及跟踪中操动跳动和超调的消除是必须解决的问题。这对干在活动体上发射的导弹尤其重要。对于光轴系统,例如既有可见光瞄准具激光照射器又有热像瞄准具的系统、有人从精度、重量、风险、成本、全天候等十个方面对三十多种可能的组合进行了理论分析和实验比较,认为以共用框架系统为最佳。

2.稳像装置及系统分类

常用的稳像装置及系统主要分类方法是按照稳像作用原理来分,稳像装置可以分为三类:机械式稳像,光学稳像和电子稳像。

通过对稳像方法的比较和分析,我们可以看出,电子稳像技术不仅可以稳定光学系统的移动,也可以对目标进行跟踪,同时也可以补偿任何形式的作用量,且不依靠任何支撑。现阶段,在国外的一些国家,如美国、法国、俄罗斯、英国、以色列等技术发达国家都对电子稳像系统进行了较深入的研究,日本、韩国也在家用摄录机图像稳定技术进行了研究和开发,越来越多的民用方面也应用电子稳像技术。

近年来新的传感技术和计算技术得到飞速的发展,,稳像系统慢慢的成为应用光、机、电、算等一系列的综合性系统。但实际上的电子稳像技术就是应用图像处理的方法来直接确定像偏移并进行补偿的技术。

无论是机械式稳像、光学稳像,还是电子稳像都是首先确定图像偏移量,然后对其图像偏移量进行补偿来达到稳像的目的。机械式稳像、光学稳像方法在确定像偏移量时可以采用专门装置,比如应用各种陀螺或其他角速度测量传感器等。传感器给出的只是关于光学系统的运动信息。为了得出关于传感器空间的偏移量,需要建立基准坐标系,比如应用导航卫星、陀螺平台等。当计算出光学系统运动分量后,需要使其转换为图像的偏移量。这样,就有三个自由度的分量,这势必使向量传感器复杂化,并使整个系统的价格更昂贵。

而电子稳像方法就是采用直接从像面上来确定像偏移,并进行补偿的方法。这时被摄对象和摄像系统之间的相互运动向量决定于图像偏移测量系统,图像偏移测量系统可以是这样或那样的算法,该算法就是对图像进行处理来分离出运动向量。可以看得出来, 这样能采用直接稳像方法的系统主要是采用电荷耦合器件和变像管作为光电转换器件的系统。进入90年代后,随着计算机技术和大规模集成电路技术的迅猛发展,计算机产品的性能迅速提高,图像处理设备的价格持续下降,这些变化为数字图像处理的发展提供了良好的条件。人们研究的重点开始从传统的光学稳像、机械稳像,转向利用计算机来进行电子稳像技术的研究。从整个稳像技术研究的历史来看,利用纯数字图像处理的方法进行图像稳定的研究是当前稳像研究发展的趋势,稳像方面的纯数字图像处理方法本质上是数字化的电子稳像。与传统的光学稳像、机电结合的稳像方法相比,电子稳像具有易于操作,更精确,更灵活,体积小以及价格低,能耗小等特点,同时由于大规模集成电路技术的不断提高,又便于实现设备的小型化。可见电子稳像方法将是观瞄或摄像系统中的更新换代的稳像方法。

参考文献

[1]邓仁亮.光学制导技术.北京:国防工业出版社.1992

[2]杨树谦.精确制导技术发展现状与展望[J].航天控制,2004,22(4):17-20

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