CN110864587B - 导引头瞄准定位方法及瞄准定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种导引头瞄准定位方法及瞄准定位系统，其中的方法包括：通过激光器发出的激光经导引头的光学窗口射入光学系统；接收光学系统返回的猫眼回波信号，通过离轴压缩单元压缩视场后进入光电探测成像单元进行成像并输出至信号处理单元；其中，通过控制激光器与光电探测成像单元的工作时序，使光电探测成像单元所成的相邻两帧的原始图像分别对应激光器的发射状态与未发射状态，以获得相邻两帧的差分图像，将其输出至信号处理单元；信号处理单元采用质心捕获算法对差分图像进行计算，获得差分图像的灰度值质心位置，输出目标信息。本发明整体结构紧凑，通过改进工作方式和计算方法，可输出精度高于单像元对应精度的目标位置信息。

Description

导引头瞄准定位方法及瞄准定位系统
技术领域
本发明涉及光电瞄准定位系统技术领域，特别涉及一种导引头瞄准定位方法及瞄准定位系统。
背景技术
目前机载光电对抗装备的主要针对目标为空空制导导弹。此类制导导弹主要基于光学制导方式，当制导导弹发射并锁定我方飞行目标后，其光学系统视场正对我方目标。机载光电对抗装备的工作方式便是在制导导弹飞行阶段将其锁定，当飞机红外告警系统侦测到来袭目标后给出目标大致方位，调转机载光电对抗装备至目标所处方位，之后目标进行高精度捕获和跟瞄，同时使用高能激光照射制导导弹的导引头的光学系统，对其造成致眩、致盲等效果，使其丧失制导功能，达到自卫的功能。
机载光电对抗装备的主要工作参数包括跟踪精度、作用距离、到靶激光面功率密度。为了保证激光在指定距离内有足够的致眩、致盲效果，会严格控制高能激光的发散角，保证到靶激光面功率密度。但高能激光的发散角小，对应激光的覆盖空间区域同样小，而导引头的光学窗口尺寸相对于导弹整体较小，在迎头情况下为保证高能激光进入导引头的光学窗口，激光的覆盖区域又不宜过小，导致激光的发散角不能充分压缩，有效工作距离受到了限制。
在目前的机载光电对抗装备中，一般会通过机械结构保证观测系统光轴与高能激光系统光轴的同向精度，因此在出射激光参数不变的前提下，跟瞄精度直接决定了整个系统的工作性能。跟瞄的实现过程为先通过对目标图像的捕获给出目标位置信息，并由伺服系统根据目标位置信息进行控制电机调转，因此伺服系统的性能取决于瞄准定位系统输出的目标位置精度。由于机载环境工作情况十分复杂，自身与观测目标均处于高速运动状态且伴有高频随机振动，给跟踪捕获系统额外带来了一定的误差。
另一方面，传统的跟踪系统目标为整个制导导弹的红外图像，当制导导弹处于迎头状态时，虽然导引头的光学窗口近似位于目标图像中心，但此工作方式不仅限制了高能激光发散角，同时存在一定的隐患，此外被动探测的方式容易受到外界背景环境的干扰，对实际的跟踪过程带来了大量的误差因素。
目前，在机载环境下的瞄准定位系统中，由于受到空间尺寸以及技术条件的限制，并要兼顾到前一级指示精度，相机的性能目前基本固定，而光学系统的视场大小与CCD的单像元对应精度相互制约，因此有必要提出一种新的瞄准定位系统，来提供更高的探测精度。
发明内容
本发明旨在解决目前对导引头瞄准精度不够，进而导致机载光电对抗过程难以实施的技术问题，提供一种导引头瞄准定位方法及瞄准定位系统。本发明可以对导引头的光学系统进行精准捕获，并输出高精度目标位置信息。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供导引头瞄准定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过激光器发出的激光经导引头的光学窗口射入光学系统；
S2、接收光学系统返回的猫眼回波信号，通过离轴压缩单元压缩视场后进入光电探测成像单元进行成像并输出至信号处理单元；其中，通过控制激光器与光电探测成像单元的工作时序，使光电探测成像单元所成的相邻两帧的原始图像分别对应激光器的发射状态与未发射状态，以获得相邻两帧的差分图像，将其输出至信号处理单元；
S3、信号处理单元采用质心捕获算法对差分图像进行计算，获得差分图像的灰度值质心位置。
优选地，激光器发出的激光经过可变激光扩束器的扩束后射向导引头的光学窗口。
优选地，通过反馈原始图像中的灰度值对可变激光扩束器与光电探测成像单元的积分时间进行适应性调节，控制原始图像的灰度值低于光电探测成像单元的最大阈值。
优选地，光电探测成像单元包括红外面阵CCD组件，激光器为红外激光器；以及，
通过控制激光器与红外面阵CCD组件的工作时序，使红外面阵CCD组件所成的相邻两帧的原始图像分别对应激光器的发射状态与未发射状态；
通过反馈差分图像中的灰度值对可变激光扩束器与红外面阵CCD组件的积分时间进行适应性调节，控制原始图像的灰度值低于红外面阵CCD组件的最大阈值。
本发明还提供一种导引头瞄准定位系统，包括激光发射单元、时序控制单元、离轴压缩单元、光电探测成像单元和信号处理单元；其中，
激光发射单元包括激光器，激光器用于向导向头的光学窗口内的光学系统发射激光；
离轴压缩单元用于对光学系统返回的猫眼回波信号进行视场压缩；
光电探测成像单元用于接收压缩视场后的猫眼回波信号，并对其进行成像输出至信号处理单元；
时序控制单元用于控制激光器与光电探测成像单元的工作时序，使光电探测成像单元所成的相邻两帧的原始图像分别对应激光器的发射状态与未发射状态，以获得相邻两帧的差分图像，并通过光电探测成像单元进行输出；
信号处理单元用于根据质心捕获算法对差分图像进行计算，获得差分图像的灰度值质心位置。
优选地，离轴压缩单元包括主镜、次镜、快反镜和透射镜组，光学窗口返回的猫眼回波信号依次经过主镜、次镜和透射镜组的反射后进入光电探测成像单元。
优选地，光电探测成像单元包括成像前置镜组和面阵成像组件，面阵成像组件设置在成像前置镜组的焦平面上，经透射镜组扩束后的猫眼回波信号通过成像前置镜组汇聚到面阵成像组件的感光元器件上。
优选地，离轴压缩单元还包括调焦镜，调焦镜设置在透射镜组与成像前置镜组之间。
优选地，激光器为红外激光器、可见光激光器或紫外激光器，面阵成像组件为红外面阵成像组件、可见光面阵成像组件或紫外面阵成像组件，红外面阵成像组件为红外面阵CCD或红外面阵CMOS，可见光面阵成像组件为可见光面阵CCD或可见光面阵CMOS，紫外面阵成像组件为紫外面阵CCD或紫外面阵CMOS。
优选地，激光发射单元还包括可变激光扩束器，用于对激光器发出的激光进行扩束。
本发明能够取得以下技术效果：
1、相较于传统的跟踪系统以迎头导弹整体作为目标，本发明根据猫眼效应的原理，以主动探测的方式，发射激光并接收导引头的光学系统反射的猫眼回波，可准确从图像中判断出目标的光学系统，因此从目标对象的选择上，可以缩小高能激光所需覆盖的角度范围，可以将激光发散角进一步压缩，在到靶激光功率相同的前提下获得更远的作用距离。
2、通过控制激光器与光电探测成像单元的工作时序，可以使相邻两帧的原始图像分别对应激光器的发射状态与激光非发射状态，此时根据原始图像输出相邻两帧的差分图像，便可过滤掉图像中的常值点，进一步排除周围目标对图像的影响，获得单纯由激光反射回波引起的图像。
3、通过对可变激光扩束器和光电探测成像单元的积分时间的自适应调节，可以控制所输出的差分图像的灰度值在光电探测成像单元合适的工作范围内，避免灰度值过大或过小，使图像传输过程中失真或是误差过大淹没数据值。
4、经过处理的差分图像，目标形状规则，尺寸较小，灰度均匀，对比度明显，采用质心捕获算法，可充分利用目标图像的位置和灰度信息，大幅度提升输出的目标位置精度，改善整机工作性能。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的导引头瞄准定位系统的逻辑结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的导引头瞄准定位系统的光路结构示意图。
图3是根据本发明一个实施例的导引头瞄准定位系统的工作时序示意图。
图4是根据本发明一个实施例的导引头瞄准定位方法的流程示意图。
其中的附图标记包括：激光发射单元1、激光器1-1、可变激光扩束器1-2、时序控制单元2、离轴压缩单元3、主镜3-1、次镜3-2、快反镜3-3、透射镜组3-4、调焦镜3-5、光电探测成像单元4、成像前置镜组4-1、面阵成像组件4-2、信号处理单元5。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
参考图1所示，本发明实施例提供了一种导引头瞄准定位系统，包括：激光发射单元1、时序控制单元2、离轴压缩单元3、光电探测成像单元4、信号处理单元5，激光发射单元1用于向导向头的光学窗口内的光学系统发射激光；离轴压缩单元3用于对光学系统返回的猫眼回波信号进行视场压缩，离轴压缩单元3的入射光轴方向要与激光出射方向保持一致；光电探测成像单元4用于接收视场压缩后的猫眼回波信号，并对其进行成像输出至信号处理单元5进行信号处理；时序控制单元2用于控制激光发射单元1与光电探测成像单元4的工作时序，使光电探测成像单元4所成的相邻两帧的原始图像分别对应激光发射单元1的发射状态与未发射状态，以获得相邻两帧的差分图像，并通过光电探测成像单元4输出至信号处理单元5；信号处理单元5用于根据质心捕获算法对差分图像进行计算，获得差分图像的灰度值质心位置，该差分图像的灰度值质心位置即为导引头的光学系统位置，将差分图像的灰度值质心位置作为目标位置，输出至高能激光照射制导武器导引头光学系统，通过高能激光照射制导武器导引头光学系统对制导导弹的光学系统造成致眩、致盲等效果，使其丧失制导功能，达到自卫的功能。
质心捕获算法为现有技术，故在本发明中不再赘述。
本系统根据猫眼效应的原理，以主动探测的方式，向导引头的光学系统发射激光并接收光学系统反射的猫眼回波，可准确从图像中判断出目标光学系统，因此从目标对象的选择上，缩小了高能激光所需覆盖角度范围，可以将激光发散角进一步压缩，在到靶激光功率相同的前提下获得更远的作用距离。
参考图3所示，通过时序控制单元2对激光发射单元1与光电探测成像单元4的工作时序的控制，使光电探测成像单元4所成的相邻两帧的原始图像分别对应激光发射单元1的发射状态与未发射状态。
控制激光发射单元1与光电探测成像单元4的工作时序的目的是为了使光电探测成像单元4所成的相邻两帧的原始图像分别对应激光发射单元1的发射状态与未发射状态，从而获得相邻两帧的差分图像，以便过滤掉原始图像中的常值点，进一步排除周围目标对原始图像的影响，获得单纯由激光反射回波引起的差分图像。
现有的系统通常采用形心捕获算法作为目标工作方式，以捕获目标导引头的光学系统，而本系统采用质心捕获算法作为目标工作方式，是为了配合猫眼回波信号，具体原因如下：
在主动探测的工作方式下，光学系统的猫眼回波能量远大于其他区域回波能量，且在光电探测成像单元4上显示的图像为规则的圆形，能量分布集中且均匀，故可将猫眼回波获得的差分图像的理论灰度质心看作形心。由于质心捕获算法相较于形心捕获算法，计算中利用了目标像元的灰度值信息，而当目标的中心处最大灰度值未达到光电探测成像单元4的最大阈值时，图像边缘区域会因为进光量少于中心处而灰度较小，且当目标发生微小位移时，其位移会直接影响图像边缘区域的进光量，使边缘区域的灰度值变化，从而体现在算法结果中，因此质心捕获算法与猫眼瞄准定位系统的工作匹配性更好，而形心捕获算法中灰度值只作为判定跟踪区域的依据，灰度值变化并不会直接影响算法输出结果。故对于均匀规则图形的灰度质心捕获算法精度高于形心捕获算法。
参考图2并结合图1所示，激光发射单元1包括激光器1，激光器1用于向导引头的光学窗口发射激光，激光经过光学窗口后射入光学系统，激光器1可以为红外激光器、紫外激光器或可见光激光器，优选为红外激光器。
在一个实施例中，激光发射单元1还可以包括可变激光扩束器1-2，用于对激光器1发出的激光进行扩束，改变激光的发散角，进而改变照射到光学系统上的单位面积激光功率。
离轴压缩单元3包括主镜3-1、次镜3-2、快反镜3-3和透射镜组3-4，光学窗口返回的猫眼回波信号依次经过主镜3-1、次镜3-2、快反镜3-3和透射镜组3-4的反射后进入光电探测成像单元4。
主镜3-1和次镜3-2均为反射镜，且面型为抛物面，可以增大光学系统的口径，压缩视场角度，提高系统整体分辨率，相较于透射式扩束器的优势为：大幅度地减小轴向尺寸，有利于减小系统的尺寸。
快反镜3-3为快速控制反射镜，其响应快，可更好地跟踪运动情况快速变化的目标。
透射镜组3-4配合主镜3-1、次镜3-2和快反镜3-3可增大光学系统的口径，压缩光电探测成像单元4的视场角度，增大发散角，提高系统整体分辨率，进而提高探测精度。
在另一个实施例中，离轴压缩单元3还可以包括调焦镜3-5，调焦镜3-5设置在透射镜组3-4与光电探测成像单元4之间，通过前后移动调焦镜3-5来获得清晰的目标图像，同时补偿温度对成像的影响。
光电探测成像单元4包括成像前置镜组4-1和面阵成像组件4-2，面阵成像组件4-2设置在成像前置镜组4-1的焦平面上，成像前置镜组4-1与面阵成像组件4-2内置的镜头组配合工作，经透射镜组3-4扩束后的猫眼回波信号通过成像前置镜组4-1经面阵成像组件4-2内置的镜头汇聚到面阵成像组件4-2的感光元器件上。
面阵成像组件4-2的类型要与激光器1的类型相配套，当激光器1为红外激光器时，面阵成像组件4-2为红外面阵成像组件4-2，具体可以为红外面阵CCD或红外面阵CMOS；当激光器1为紫外激光器时，面阵成像组件4-2为紫外面阵成像组件4-2，具体可以为紫外面阵CCD或紫外面阵CMOS；当激光器1为可见光激光器时，面阵成像组件4-2为可见光面阵成像组件4-2，具体可以为可见光面阵CCD或可见光面阵CMOS。
作为优选的实施方式，激光器1选用红外激光器，面阵成像组件4-2选用红外面阵CCD。
离轴压缩单元3和成像前置镜组4-1构成光学系统，整个光学系统多处采用反射式结构，包括离轴压缩单元3和成像前置镜组4-1内的平面反射镜，目的是改变光路的空间排布，获得紧凑的结构。光路在光学系统内传输时，光轴始终保持在单一平面内，这样可将光学系统整体固定到同一平面内，确定统一的安装定位基准。
通过在所有反射镜的表面镀金膜，在透射镜的表面镀增透膜，以增加整个光学系统的传输效率，提高瞄准定位系统的整体灵敏度。
上述内容详细说明了本发明实施例提供的导引头瞄准定位系统结构，与上述瞄准定位系统相对应，本发明还提供一种利用瞄准定位系统对导引头进行高精度瞄准定位的方法。
参考图4所示，本发明实施例提供的导引头瞄准定位方法，包括如下步骤：
步骤1、通过激光器发出的激光经导引头的光学窗口射入光学系统。
作为优选的实施方式，激光器发出的激光先通过可变激光扩束器扩束后射入导引头的光学系统。通过可变激光扩束器改变激光的发散角，进而改变照射到光学系统上的单位面积激光功率。
步骤2、接收光学系统返回的猫眼回波信号，通过离轴压缩单元压缩视场后进入光电探测成像单元进行成像并输出至信号处理单元。
在步骤2中，通过控制激光器与光电探测成像单元的工作时序，使光电探测成像单元所成的相邻两帧的原始图像分别对应激光器的发射状态与未发射状态，以获得相邻两帧的差分图像，将其输出至信号处理单元。
获得差分图像的目的是为了过滤掉原始图像中的常值点，进一步排除周围目标对原始图像的影响，得到光学系统区域对激光的反射回波的差分图像，且灰度均匀，对比度明显。
激光器可以选取输出不同波段波长的激光器，例如红外激光器、紫外激光器或可见光激光器，对应地，光电探测成像单元选取红外面阵成像组件、紫外面阵成像组件或面阵成像组件，红外面阵成像组件可以为红外面阵CCD或红外面阵CMOS，紫外面阵成像组件可以为紫外面阵CCD或紫外面阵CMOS，可见光面阵成像组件可以为可见光面阵CCD或可见光面阵CMOS。
通过根据原始图像灰度值的反馈对可变激光扩束器与光电探测成像单元的积分时间进行适应性调节，控制原始图像的灰度值在阈值之下，控制差分图像的灰度值在光电探测成像单元合适的工作范围内，避免图像失真，同时使差分图像拥有较高的对比度，防止图像灰度较低被误差淹没。
步骤3、信号处理单元采用质心捕获算法对差分图像进行计算，获得差分图像的灰度值质心位置。
本方法以质心捕获算法为目标工作方式，其考虑因素如下：
在主动探测的工作方式下，导引头光学系统的猫眼回波能量远大于其他区域回波能量，且在探测器上显示图像为规则的圆形，能量分布集中且均匀，故可将猫眼回波图像的理论灰度质心看作形心。由于质心捕获算法相较于形心捕获算法，计算中利用了目标像元的灰度值信息，而当目标的中心处最大灰度值未达到光电探测成像单元的最大阈值时，图像边缘区域会因为进光量少于中心处而灰度较小，且当目标发生微小位移时，其位移会直接影响图像边缘区域的进光量，使边缘区域的灰度值变化，从而体现在算法结果中，因此质心捕获算法与猫眼瞄准定位系统的工作匹配性更好，而形心捕获算法中灰度值只作为判定跟踪区域的依据，灰度值变化并不会直接影响算法输出结果。故对于均匀规则图形的灰度质心捕获算法精度高于形心捕获算法。
本方法使用质心捕获算法，通过控制激光器与光电探测成像单元的工作时序，输出差分图像，再根据差分图像计算差分图像的灰度值质心位置(即目标灰度质心位置)，作为系统的最终输出值，输出至高能激光照射制导武器导引头光学系统，通过高能激光照射制导武器导引头光学系统对制导导弹的光学系统造成致眩、致盲等效果，使其丧失制导功能，达到自卫的功能。在此工作方式下，系统输出数值精度高于CCD单像元对应精度，从而在CCD系统、光学参数相对不变的情况下提高了整体的性能，提高了机载光电对抗设备的跟瞄性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种导引头瞄准定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、激光器发出激光，经导引头的光学窗口射入光学系统；
S2、接收所述光学系统返回的猫眼回波信号，通过离轴压缩单元压缩视场后进入光电探测成像单元进行成像并输出至信号处理单元；
其中，通过控制所述激光器与所述光电探测成像单元的工作时序，使所述光电探测成像单元所成的相邻两帧的原始图像分别对应所述激光器的发射状态与未发射状态，以获得相邻两帧的差分图像，将其输出至所述信号处理单元；
S3、所述信号处理单元采用质心捕获算法对所述差分图像进行计算，获得所述差分图像的灰度值质心位置。
2.根据权利要求1所述的导引头瞄准定位方法，其特征在于，所述激光器发出的激光经过可变激光扩束器的扩束后射向所述导引头的光学窗口。
3.根据权利要求2所述的导引头瞄准定位方法，其特征在于，通过反馈所述原始图像中的灰度值对所述可变激光扩束器与所述光电探测成像单元的积分时间进行适应性调节，控制所述原始图像的灰度值低于所述光电探测成像单元的最大阈值。
4.根据权利要求3所述的导引头瞄准定位方法，其特征在于，所述光电探测成像单元包括红外面阵CCD组件，所述激光器为红外激光器；以及，
通过控制所述激光器与所述红外面阵CCD组件的工作时序，使所述红外面阵CCD组件所成的相邻两帧的原始图像分别对应所述激光器的发射状态与未发射状态；
通过反馈所述差分图像中的灰度值对所述可变激光扩束器与所述红外面阵CCD组件的积分时间进行适应性调节，控制所述原始图像的灰度值低于所述红外面阵CCD组件的最大阈值。
5.一种导引头瞄准定位系统，其特征在于，包括：激光发射单元、时序控制单元、离轴压缩单元、光电探测成像单元和信号处理单元；其中，
所述激光发射单元包括激光器，所述激光器用于向导向头的光学窗口内的光学系统发射激光；
所述离轴压缩单元用于对所述光学系统返回的猫眼回波信号进行视场压缩，所述离轴压缩单元包括主镜、次镜、快反镜和透射镜组，所述光学窗口返回的猫眼回波信号依次经过所述主镜、所述次镜和所述透射镜组的反射后进入所述光电探测成像单元；
所述光电探测成像单元用于接收压缩视场后的猫眼回波信号，并对其进行成像输出至所述信号处理单元，所述光电探测成像单元包括成像前置镜组和面阵成像组件，所述面阵成像组件设置在所述成像前置镜组的焦平面上，经所述透射镜组扩束后的猫眼回波信号通过所述成像前置镜组汇聚到所述面阵成像组件的感光元器件上；
所述时序控制单元用于控制所述激光器与所述光电探测成像单元的工作时序，使所述光电探测成像单元所成的相邻两帧的原始图像分别对应所述激光器的发射状态与未发射状态，以获得相邻两帧的差分图像，并通过所述光电探测成像单元进行输出；
所述信号处理单元用于根据质心捕获算法对所述差分图像进行计算，获得所述差分图像的灰度值质心位置。
6.根据权利要求5所述的导引头瞄准定位系统，其特征在于，所述离轴压缩单元还包括调焦镜，所述调焦镜设置在所述透射镜组与所述成像前置镜组之间。
7.根据权利要求5所述的导引头瞄准定位系统，其特征在于，所述激光器为红外激光器、可见光激光器或紫外激光器，所述面阵成像组件为红外面阵成像组件、可见光面阵成像组件或紫外面阵成像组件，所述红外面阵成像组件为红外面阵CCD或红外面阵CMOS，所述可见光面阵成像组件为可见光面阵CCD或可见光面阵CMOS，所述紫外面阵成像组件为紫外面阵CCD或紫外面阵CMOS。
8.根据权利要求5所述的导引头瞄准定位系统，其特征在于，所述激光发射单元还包括可变激光扩束器，用于对所述激光器发出的激光进行扩束。
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