论文题目: 红外单站被动定位技术研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 物理电子学
作者: 付小宁
导师: 刘上乾
关键词: 红外被动测距,单站,性能,机动目标,特征线度,半实物仿真
文献来源: 西安电子科技大学
发表年度: 2005
论文摘要: 随着现代军事技术的迅速发展,光电对抗技术在现代战争中也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)几乎都毫无例外地需要配备先进的光电对抗装备。为了有效地发挥光电对抗装备的效能,必须对来袭目标进行准确定位。由于红外单站无源(或被动)定位技术具有体积小、自身隐蔽性好和机动性高等诸多的优点,因此它在现代战争中具有重要的应用前景。定位包含定向和测距两个方面,其中定向技术在制导跟踪中研究甚多,且比较成熟；而测距、尤其光电单站被动测距技术是实现光电定位的关键,也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。本文结合“十五”武器装备预研项目“机动目标红外单站被动定位技术”进行,并就空中高价值机动测量平台对机动目标的红外单站被动定位的具体问题和其中的关键技术进行了深入的研究。本文在分析国外国内多年来红外被动定位研究动态的基础上,深入地研究了基于交叉定位原理的被动测距和基于红外光学成像的被动测距。在基于交叉定位原理的被动测距研究中,导出了机动测站对静止目标测距的误差分析表达式,完善了基于测角及测时的对运动目标定位方案。重点研究和分析了一种基于短基线的准单目视觉被动定位方案,该方案对运动目标和静止目标均有效,但该方案系统所占空间较大不宜用于机载或弹载平台。在基于红外光学成像的被动测距研究中,针对几何光学成像,具体分析了聚焦法被动测距、离焦法被动测距、基于OTF函数或MTF函数的被动测距的原理,并统一用点扩散函数对其进行描述；对目标运动状态及投影关系,论述了相关的被动测距,如小平面运动分析、膨胀测距、外标法测距；对目标红外辐射的传输特性,进行了基于连续观测目标辐射强度的被动测距的研究。重点开展了为IRSTS(红外警戒系统)装备单波段红外被动测距功能的研究,结合角度信息和美国海军红外传输模型,得到了一个综合性的被动测距公式。该公式适用于工作于灵敏度受限模式下的系统、且要求有关参数选择正确。针对上述现有各种被动定位方案的不足或局限性,本项目研究并提出了基于图像序列测量的红外成像单站被动定位方案,并结合光电单站定位工程使用中的实际问题,本文研究了一种基于目标特征线度和角度测量的红外成像单站被动定位实施方案。论证了其原理,推导了相应的定位算法。针对定位方程在实际应用中的唯一性、稳定性和可解性问题,开展了对定位算法方程之解的研究,证明了定位算法的唯一性和稳定性,通过仿真分析进一步证明了定位方程的可解性。本文以定位算法的工程适用性为导向,开展了相关研究,包括(1)被动测距的性能分析,指出目标特征线度的测量误差是影响定位精度的主要因素,给出了在不同情况下,保精度定位对目标特征线度尺寸测量误差的要求；(2)为了使算法能够有效地适应机动目标姿态和运动状态的变化,讨论了特征线度的选取,研究并优化了目标特征线度和定位方程的关系；(3)序列图像处理算法对环境适应性的研究,实现了了云、雨等复杂环境下目标图像的平滑、增强,结合目标图像的边缘检测及特征匹配获得了目标的特征线度,最后获得了亚像素级的目标特征线度。(4)设计并组建了计算机控制的半实物缩比仿真系统,进行了大量的试验研究,其中包括目标运动状态和姿态、观测站机动状况对定位性能影响的研究,并在半实物仿真实验的基础上验证和完善了定位算法。计算机仿真和大量半实物缩比仿真实验表明,在现有系统的图像和角度等参数的测量精度范围内,其定位误差不大于5%斜距,满足技术指标要求,验证了本文所提定位算法的正确性和有效性。文章最后总结了本论文的工作,对红外单站被动定位技术的进一步研究和应用给出了个人的观点。
论文目录:
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 红外单站被动定位的技术要求
1.3 国内外红外单站被动定位的进展和现状
1.4 本文主要研究内容或贡献
1.5 本文的安排
第二章 基于交叉定位原理的被动测距性能分析
2.1 引言
2.2 对静止目标的被动定位
2.3 对运动目标的被动定位
2.4 基于扫描时差的基线被动测距
2.5 交叉定位的应用与发展
2.5.1 交叉定位的特点和问题
2.5.2 当前测角精度下所需要的最短基线尺寸
2.5.3 同步测时交叉定位作用距离
2.6 基于短基线的准单目被动测距
2.6.1 双目视觉测距原理
2.6.2 双目视觉测距误差分析
2.6.3 从双目视觉到准单目视觉测距
2.7 小结
第三章 基于光学成像的单站被动测距研究
3.1 引言
3.2 光学成像系统与成像约束
3.2.1 点扩散函数和透镜成像公式
3.2.2 聚焦法测距和离焦法测距
3.2.3 基于OTF函数或MTF函数的测距
3.3 小孔成像系统与成像约束
3.3.1 小孔成像模型
3.3.2 外标法测距
3.3.3 基于仿射变换的相对测距
3.4 基于目标辐射传输特性的被动测距
3.4.1 目标辐射在大气中的传输
3.4.2 基于双波段探测器的被动测距
3.4.3 基于单波段探测器的被动测距
3.5 红外成像系统中影响测距的若干因素
3.6 小结
第四章 基于图像序列的红外单站被动定位技术研究
4.1 引言
4.2 基于目标特征提取的被动测距
4.2.1 借助特征线度单站定位的提出
4.2.2 定位原理
4.2.3 定位算法
4.3 定位方程求解的研究
4.3.1 解的唯一性研究
4.3.2 实际应用中定位方程可解的边界条件研究
4.3.3 观测平台静止情况下的定位算法
4.4 目标特征线度及特征线度的选取
4.5 基于特征线度测距的性能分析
4.5.1 观测平台静止情况下的测距性能
4.5.2 观测平台运动时的测距性能
4.5.2.1 只存在目标特征线度投影测量误差式的测距性能分析
4.5.2.2 只存目标角度信息测量误差的测距性能分析
4.5.2.3 同时存在角度和特征线度投影测量误差的测距性能分析
4.5.2.4 观测站自身定位误差对测距性能影响的研究
4.5.2.5 目标初始距离误差对测距性能影响的研究
4.6 基于特征线度测距的半实物仿真试验
4.6.1 基于特征线度测距的半实物仿真系统
4.6.2 半实物仿真试验示例
4.6.2.1 观测站静止时的半实物仿真试验
4.6.2.2 对径向运动目标的半实物仿真试验
4.6.2.3 目标相对观测站切向运动时的半实物仿真试验
4.7 小结
第五章 目标图像处理与测量的研究
5.1 引言
5.2 图像预处理
5.2.1 图像平滑
5.2.2 图像增强
5.2.2.1 图像增强算法的研究现状
5.2.2.2 现有图像增强算法的比较及本文的增强算法
5.3 目标特征线度提取
5.3.1 图像边缘检测的研究现状
5.3.2 现有图像检测算法比较及边缘亚像素化
5.3.3 本文采用的图像亚像素边缘检测算法
5.4 小结
第六章 总结与展望
6.1 本文工作的总结
6.2 研究工作的展望
致谢
参考文献
攻读博士期间完成的论文和科研工作
发布时间: 2010-08-25
参考文献
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