末敏弹简易红外成像起爆控制系统研究

论文摘要

在现代地面战争中，为了使常规火炮能在远距离用一至两发弹就能命中并毁伤装甲车辆，就要求炮弹能自动探测、搜索装甲目标。因此，近年来敏感起爆类型的引信—SADARM(sense and destroy Armour)获得了巨大的发展。 本文以“十五”重点预研项目“末敏弹简易红外成像起爆控制技术”为背景，针对其中的主要内容进行研究，研制出了满足152mm末敏弹结构要求的简易红外成像试验样机，样机采用多元长波与单元中波相复合的红外探测体制，此样机能够达到在复杂背景中对地面目标(冷目标)探测距离≥150m，定位精度≤0.5m，识别率≥80％。无论从性能、体积上，作为应用于152mm或155mm末敏弹的原理样机的关键技术已经突破。通过本项目的研制，解决了我国在研制末敏弹时红外敏感器的性能一直达不到要求的问题，它的研究成果可直接应用于新一代末敏子弹武器系统中，使我国在末敏弹自行研制的实用化方面更进一步。具体研究内容如下： (1) 根据系统应用背景，首先用红外测温仪和热像仪等仪器，从高空对目标的顶甲及背景进行了测试，其次从理论上对目标和背景的红外辐射特性进行了分析，从而为系统的设计提供了理论依据和实验数据。 (2) 对简易红外成像起爆控制系统进行了总体分析，并对各部件进行了设计，使之满足152mm末敏弹的体积要求和性能要求。研制了适于弹上应用的新型杜瓦结构双色多元红外探测器，通过使用特殊的材料把光学系统的遮光罩与探测器的冷屏巧妙地结合在一起，解决了探测器窗口结霜及光学系统杂散光的问题。针对探测系统的视线方向在旋转方向稍微向前偏置一定角度的要求，以完成目标的实时识别与炸点控制，本系统采用探测器灵敏面偏离光学系统中心一定距离的设计方法，简化了系统的结构，提高了系统的强度。对微型高压气瓶、光学系统、探测器及致冷器进行了一体化设计，实现了红外敏感器的小型化和实用化。 (3) 本文对最佳起爆点的控制进行了理论研究，确定了弹轴与光轴之间的夹角，提出了在近距离时采用二次扫描，在远距离时采用一次扫描的方法，从而提高了系统的毁伤效果。基于低分辨率的红外目标特征描述和提取、目标分类和识别等方面的研究是末敏子弹红外目标识别一个重要研究方向。它对目标识别的实时性要求非常苛刻。我们选用了片内具有丰富外设资源的高速DSP芯片TMS320F240作为本系统的图像微处理器，研制了基于TMS320F240DSP的红外目标实时识别系统，目标的实时处理识别时间小于0.1ms。给出了本系统的红外目标实时识别算法。 (4) 试验方法研究。构建了一套模拟弹目交会条件下的扫描平台。这样只需

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 末敏弹国外研究现状
• 1.3 国内外相关技术研究状况
• 1.3.1 国内红外探测器的发展
• 1.3.2 相关电子信息技术发展动态
• 1.3.3 其它相关技术研究现状
• 1.4 课题的来源及意义
• 1.5 本文主要研究内容
• 2 目标和背景红外辐射特性
• 2.1 热辐射理论
• 2.1.1 基尔霍夫定律
• 2.1.2 普朗克定律
• 2.1.3 斯忒藩-玻耳兹曼定律
• 2.1.4 维恩位移定律
• 2.2 红外辐射在大气中的传输
• 2.3 辐射对比度
• 2.4 红外辐射强度计算
• 2.5 坦克与地物背景红外辐射特性
• 2.5.1 目标与背景的关系
• 2.5.2 影响坦克目标与地物背景红外辐射特性的因素
• 2.5.3 坦克的红外辐射特性
• 2.5.4 典型地物背景的红外辐射特性
• 2.6 红外图像的主要特点
• 3. 简易红外成像起爆控制系统分析与总体设计
• 3.1 末敏弹工作原理及工作过程
• 3.2 红外成像器件的设计
• 3.2.1 探测器基本特性参数的描述
• 3.2.2 探测器元数的确定
• 3.2.3 波段的选择
• 3.2.4 探测器与致冷器的考虑
• 3.3 微型高压气瓶的设计
• 3.4 光学系统设计
• 3.4.1 光学系统结构参数的设计
• 3.4.2 消杂散光设计
• 3.4.3 光学结构件设计
• 3.4.4 主要性能测试与结果
• 3.5 放大电路的设计
• 3.5.1 光电导探测器的偏置电路
• 3.5.2 低噪声放大电路的设计
• 3.6 系统性能分析与计算
• 3.7 系统的结构设计
• 3.7.1 气瓶开启电路及拔销器控制电路
• 4. 简易红外图像实时处理系统设计
• 4.1 TMS320F240DSP数字信号处理器的特点
• 4.1.1 TMS320F240DSP总体结构
• 4.1.2 TMS320F240DSP总线结构
• 4.1.3 中央处理单元 CPU
• 4.1.4 存储器和I/O空间
• 4.2 TMS320F240DSP片内外设
• 4.2.1 模拟/数字转换（ADC）模块
• 4.2.2 数字I/O端口
• 4.2.3 串行外设接口（SPI）模块
• 4.3 本系统信号处理电路的硬件设计
• 4.3.1 时钟电路设计
• 4.3.2 复位电路设计
• 4.3.3 数字I/O端口的设定
• 4.3.4 串行外设接口（SPI）的设定
• 4.4 简易红外图像的信号处理
• 4.4.1 信号的获取
• 4.4.2 红外目标图像实时处理方法
• 4.4.3 红外目标图像识别算法研究
• 4.4.4 低分辨率红外目标的特征描述与提取
• 4.4.5 目标类型识别
• 4.5 最佳起爆点的控制研究
• 4.5.1 弹轴与光轴夹角β与其在地面上投影夹角Δφ之间的关系
• 4.5.2 起爆时间的确定
• 4.5.3 弹轴与光轴之间夹角β的确定
• 4.6 信号处理软件的设计
• 5 系统扫描平台
• 5.1 系统扫描平台的构成
• 5.2 小型数据采集与回放测量系统
• 5.2.1 PC/104的特点
• 5.2.2 基于 PC/104架构的数据采集与回放测量系统设计
• 5.2.3 数据采集与回放测量系统工作过程
• 5.2.4 数据采集与回放测量系统软件设计及功能简介
• 5.3 室内试验系统的建立及系统性能的验证
• 6 系统性能验证与结论
• 6.1 外场试验数据的采集及目标模型库的建立
• 6.2 实验结果分析
• 7 结束语
• 7.1 工作总结
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 进一步技术研究
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文情况