Оптико-электронная система сопровождения

Полезная модель относится к области оптико-электронных систем (ОЭС) управления, предназначенных для автоматического сопровождения подвижных объектов с перемещающегося основания. Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является увеличение помехоустойчивости и удержание линии визирования на одновременно сопровождаемых объектах при маневре носителя и объектов. Технический результат заключается в значительном увеличении допустимой длительности естественных и организованных помех, на фоне которых производится обнаружение и сопровождение объектов, а также в увеличении количества одновременно сопровождаемых объектов. В отличие от существующих аналогов предлагаемая модель позволяет за счет дополнительного введения датчика движения носителя, дополнительных связей между блоками контура управления ОЭС и соответствующего программного обеспечения, которое дает возможность экстраполировать измеряемые координаты объекта при кратковременном отсутствии его оптической видимости, значительно уменьшить путем внутрикадровой и межкадровой обработки сигналов как флуктуационную, так и динамическую ошибки контура управления.

Полезная модель относится к области оптико-электронных систем управления, предназначенных для автоматического сопровождения подвижных объектов с перемещающегося основания.

Аналогом предлагаемому решению является контур оптико-электронных систем (ОЭС) (авторское свидетельство СССР 1107340, публ. 07.08.1984 г.). ОЭС содержит оптико-электронный прибор (ОЭП), формирующий видеосигнал от объекта, соединенный с блоком определения координат в стробе (БОКС), который определяет сигнал рассогласования изображения объекта относительно центра растра. С выхода БОКС сигнал поступает в блок формирования координат в растре (БФКР). Выход БФКР соединен со вторым входом БОКС для формирования координаты объекта к следующему кадру (полукадру). Выход БФКР подключен также ко входу устройства наведения и стабилизации (УНС), которое включает блок корректирующих фильтров (БКФ) и устройство стабилизации поля зрения (УС) (фиг.1). В случае прерывания оптической видимости на выходе БОКС формируется нулевой сигнал, а на выходе БФКР, который обычно представляет собой сумматор, «замораживаются» координаты строба (фиг.2).

Недостатком такой экстраполяции координат является «замораживание» их оценок, на время отсутствия достоверно измеренных координат, что увеличивает их флюкт уационную ошибку измерения. Это неэффективно, особенно при длительном отсутствии видимости.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является оптико-электронная система сопровождения, содержащая последовательно соединенные ОЭП, БОКС, первый коммутатор (Ком1), БФКР, второй коммутатор (Ком2) и УНС, а также последовательно соединенные датчик возмущения (ДВ), формирователь логики инерционного сопровождения (ФЛИС) и устройство прогнозирования координат (УПК) При этом первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы БОКС соединены с первым, вторым входами блока задания программного перемещения (БЗПП), вторым и третьим входами Ком1 и вторым входом ФЛИС. Третий вход ФЛИС является входом внешнего управления, а второй и третий выходы ФЛИС соединены со вторым входом БОКС и вторым входом Ком2. Выход БФКР соединен с третьим входом БОКС и вторым входом УПК. Третий вход УПК соединен со вторым выходом УНС, а выход УПК соединен с третьим входом Ком2, чьи первый и второй выходы соединены с первым и вторым входами УНС (патент РФ 2191407, публ. 20.09.1998 г.).

Введение блоков ДВ, ФЛИС, УПК, а также Ком1 и Ком 2 позволяет учитывать априорную информацию о потере оптической видимости. При этом ДВ, формирующий признак перехода на экстраполяцию по априорным данным, соединен с ФЛИС. ФЛИС соединен со входом БОКС и осуществляет принудительное прерывание измерения координат, а также соединен со входом УПК, обеспечивая в режиме экстраполяции формирование на входе УНС экстраполированных сигналов управления. Коммутаторы Ком1 и Ком2 соответственно по сигналам от БЗПП и ФЛИС осуществляют переход с режима автосопровождения на режим экстраполяции, при этом на выходе БФКР сигналы управления «замораживаются», а сигналы управления на УНС подаются с УПК. Например, если с ДВ не поступает информация о переходе в режим экстраполяции, но критериальная функция в БОКС не превышает пороговый уровень, то с БЗПП на Ком1 поступает сигнал на прерывание связи с БОКС, что эквивалентно «замораживанию» сигналов с выхода БФКР.

Недостатком наиболее близкого аналога является, как и в аналоге, «замораживание» координат в режиме редких (коротких по длительности) прерываний оптической видимости, что не является эффективным способом экстраполяции и приводит к дополнительной флюктуационной ошибке сопровождения. Это может уменьшать точность сопровождения, особенно в режиме длительной экстраполяции траектории.

Другим недостатком такого решения задачи синтеза контура управления ОЭС в режиме прерывания оптической видимости является то, что недостаточно полно учитывается информация от других датчиков движения, например, от носителя ОЭС. Так, входное возмущение _вх(t) контура управления ОЭС можно представить как сумму углового перемещения объекта _o(t) и носителя _н(t), произвольно перемещающихся в пространстве, в виде

При этом второе слагаемое (1), обусловленное движением носителя, может измеряться независимо от оптической видимости объекта. Кроме того, второе слагаемое выражения (1) имеет более широкий спектр возмущений. Например, даже если сопровождаемый объект - маневрирующий воздушный, то максимальная ширина спектра входного возмущения _o(t) (см. Зингер Р. Оценка характеристик оптимального фильтра для слежения за пилотируемой целью // Зарубежная радиоэлектроника. - 1971. - 8) равна

Максимальная ширина спектра входного возмущения _н(t), обусловленная движением воздушного носителя (см. с.232, Барсуков Ф.И., Величкин А.И., Сухарев А.Д. Телевизионные системы летательных аппаратов. - М: Сов. радио, 1979), с учетом (см. с.44, с.74 Михалев И.А. и др. Системы автоматического управления самолетом. - М: Машиностроение, 1971), равна

что намного шире спектра возмущений траектории воздушного объекта (2).

Если же объект наземный, то спектр возмущений его траектории не превышает спектра возмущений траектории воздушного объекта (2). В простейшем случае объект может быть вообще неподвижным, и при учете собственного движения носителя вообще не понадобилась бы оптическая видимость.

Таким образом, в решении наиболее близкого аналога используются «замороженные» значения отсчетов выборки, что приводит к существенному увеличению флуктуационной ошибки сопровождения целей. Кроме того, не учитывается информация о собственном движении носителя, что приводит к большой динамической ошибке сопровождения объектов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является увеличение помехоустойчивости и удержание линии визирования на одновременно сопровождаемых объектах при маневре носителя и объектов.

Технический результат заключается в значительном увеличении допустимой длительности естественных и организованных помех, на фоне которых производится обнаружение и сопровождение объектов, а также в увеличении количества одновременно сопровождаемых объектов.

Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что оптико-электронная система сопровождения содержит последовательно соединенные ОЭП, БОКС, Ком, БФКР, УПК и УНС, а также последовательно соединенные ДВ и ФЛИС. При этом первый выход БЗПП соединен со вторым входом Ком. Выход БФКР соединен со вторым входом БОКС и первым входом УПК. Выход ФЛИС соединен с третьим входом БОКС.

Новизна состоит в том, что дополнительно введен датчик движения носителя (ДДН). При этом БЗПП дополнительно соединен со вторым входом УПК. Выход ДДН соединен с третьим выходом УПК, выход которого соединен с входом УНС.

Сущность предлагаемого решения заключается в том, что

- во-первых, УПК обеспечивает замкнутому контуру ОЭС коэффициент передачи оптимального траекторного фильтра как в режиме коротких, так и длительных прерываний оптической видимости, что обеспечивает значительное уменьшение флуктуационной ошибки контура автосопровождения;

- во-вторых, датчик движения носителя (ДДН) позволяет значительно уменьшить диапазон входных возмущений контура ОЭС и, как следствие, значительно уменьшить динамическую ошибку сопровождения целей.

При использовании предлагаемых решений значительно уменьшается суммарная динамическая и флуктуационная ошибка сопровождения объекта, что особенно существенно в режиме экстраполяции траектории движения объектов.

Предлагаемое техническое решение поясняется следующими графическими материалами:

Система содержит последовательно соединенные ОЭП, БОКС, Ком, БФКР, УПК и УНС, а также последовательно соединенные ДВ и ФЛИС. Система также содержит БЗПП и ДДН. При этом первый выход БЗПП соединен со вторым входом Ком. Выход БФКР соединен со вторым входом БОКС и первым входом УПК. Выход ФЛИС соединен с третьим входом БОКС. Выход ДДН соединен с третьим входом УПК, второй вход которого соединен со вторым выходом БЗПП, а первый вход УПК соединен с выходом БФКР. Выход УПК соединен с входом УНС (фиг.3).

Устройство прогнозирование координат (УПК) содержит последовательно соединенные Сум1, ТФ, Сум2 и ФНЧ. Вход УПК соединен со вторым входом Сум1. Выход Сум1 соединен с входом ТФ. Выход ТФ через блок задержки БЗ1 соединен с первым входом Сум1. Третий инвертирующий вход Сум1 через блок задержки БЗ2 подключен к третьему входу УПК. При этом третий вход УПК подключен также ко второму входу Сум2, первый вход которого соединен с выходом ТФ. Выход Сум2 соединен с входом ФНЧ, выход которого, как указывалось ранее, соединен с входом УНС (фиг.4). УПК выполнено с возможностью установки длительности задержки блоками БЗ1 и БЗ2 и длительности эктраполяции в ТФ на время Т_эк по сигналам, поступающим на второй вход УПК.

Работа оптико-электронной системы осуществляется следующим образом (для простоты, как и в наиболее близком аналоге, описание приведено для одной координаты). При автосопровождении объекта оптико-электронный прибор (ОЭП) формирует видеосигнал, который поступает на вход БОКС. БОКС определяет функционал соответствия между эталонным изображением, записанным в его памяти, и текущими изображениями в стробе. Наиболее близкое к эталонному изображение принимается за изображение объекта, координаты которого поступают через коммутатор Ком на БФКР. Выходная координата БФКР, полученная, например, путем суммирования предыдущей координаты БФКР с текущей координатой БОКС (см патент РФ 2191407, публ. 20.09.1998 г.), подается в БОКС для задания координат в следующем кадре (полукадре). Этот же сигнал подается на УПК, на выходе которого формируется сигнал, соответствующий экстраполированному сигналу управления УНС. В случае, если контур находится в режиме автосопровождения, то сигнал экстраполируется на время измерения координат в БОКС Т_эк=T_з . Если контур ОЭС находится в режиме экстраполяции, то на втором выходе БЗПП формируются сигналы управления в соответствии со временем экстраполяции T_эк>T_з. Переключение длительностей экстраполяции в УПК осуществляется со второго выхода БЗПП.

В отличие от наиболее близкого аналога, в УПК сигналы управления формируются оптимально не только в режиме экстраполяции, но и в режиме автосопровождения в соответствии с выбранным критерием оптимальности (например, наименьших квадратов, максимума правдоподобия и пр.). Например, в работе (см. с.148-152, Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. - М: Радио и связь, 1986.) рассмотрен квазиоптимальный траекторный фильтр по критерию максимально правдоподобной оценки.

В отличие от наиболее близкого аналога в режиме редких прерываний оптической видимости на первом входе УПК принимается не «замороженный» сигнал с выхода БФКР, а формируется свое значение координаты, экстраполированное по предыдущим значениям. Как отмечалось ранее, для уменьшения динамической ошибки сопровождения входное возмущение на входе УПК уменьшается на величину возмущения, обусловленного носителем.

Для пояснения процессов в ОЭС можно рассмотреть эквивалентные структурные схемы системы (фиг.5, фиг.6). На фиг.5 представлен ФНЧ с коэффициентом передачи УПК , значение которого определяется с учетом (см. с.691, 692 Цыпкин Я.З. Теория линейных импульсных систем. - М: ФИЗМАТГИЗ, 1963) соотношением

Сигналы _н(t) от ДДН уменьшают диапазон входного сигнала _вх(t) (1), изменяя полосу возмущения с (3) до (2) (фиг.5). С учетом вышеизложенного и выражения (4), структурная схема контура ОЭС преобразуется к схеме траекторного фильтра (фиг.6). При этом сигнал на выходе траекторного фильтра, оптимального, например, по критерию максимального правдоподобия, формируется следующим образом:

где N_o - размер выборки траекторного фильтра, оптимально учитывающего динамику возмущения и ошибки измерения координат, например, в минимаксном случае; - количество экстраполируемых отсчетов траектории движения объекта; T_эк и Т_д - время экстраполяции и дискретизации соответственно; h(k,N_эк) - импульсная характеристика оптимального траекторного фильтра, осуществляющая экстраполяцию траектории движения (см. с.148-152, Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. - М: Радио и связь, 1986).

Обычно длительность импульсной характеристики N_o траекторного фильтра (5) выбирается обратно пропорционально ширине полосы входного возмущения (см. Зингер Р. Оценка характеристик оптимального фильтра для слежения за пилотируемой целью // Зарубежная радиоэлектроника. - 1971. - 8). Поэтому выигрыш по флуктуационной ошибке предлагаемой траекторией фильтрации по сравнению с прототипом можно оценить как

Для типового соотношения полос возмущения (2) и (3) выигрыш составляет

В простейшем же случае, когда объект неподвижен, то , а выигрыш по флюктуационной ошибке (6) асимптотически бесконечен. Практически это означает, что для устойчивого сопровождения неподвижного объекта необходимы лишь крайне редкие наблюдения объекта, которые могут быть использованы даже при очень редком появлении его оптической видимости.

Уменьшение динамической ошибки в предлагаемом решении достигается с помощью ДДН. В ДДН может быть использована информация, например, от дальномера, гироскопа и акселерометра, измеряющего скорость перемещения носителя. Обычно дальность до объекта большая, поэтому практически без ущерба в точности измерения не требуется частого измерения дальности.

Кроме того, выигрыш по точности сопровождения может быть значительно больше, если на носителе нет системы гиростабилизации. Тогда ДДН должен выдавать информацию, учитывающую не только плоскопараллельное перемещение носителя относительно цели, но и угловые колебания носителя в инерциальной системе координат (например, с использованием гиродатчиков).

Рассмотрим пример, показывающий значительный выигрыш предлагаемого решения по сравнению с наиболее близким аналогом как по флуктуационной, так и по динамической ошибке.

Флуктуационная ошибка на выходе ОЭС определяется по формуле

где ₀ - среднеквадратическое отклонение некоррелированной ошибки измерения координат (t) в БОКС-е; f_д - частота дискретизации.

Как в наиболее близком аналоге, так и в предлагаемом решении коэффициент передачи K_зам.ж(f,T_эк ) замкнутого контура управления ОЭС в режиме автосопровождения в (8) представляют в виде

где K_р.ж - желаемый коэффициент передачи разомкнутого контура. В наиболее близком аналоге этот коэффициент обычно выбирается (см с.933, Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - М: Энергия, 1966 г.) в виде

В предлагаемом техническом решении с учетом (см с.691, 692 Цыпкин Я.З. Теория линейных импульсных систем. - М: ФИЗМАТГИЗ, 1963) этот коэффициент равен

Здесь K_тр(р,Т_эк ) - коэффициент передачи оптимального траекторного фильтра, который для случая максимально правдоподобной оценки траектории (5) можно представить как

Величина D(h(k,N_эк)) представляет собой дискретное преобразование Лапласа. С учетом выражений (9) и (10) для наиболее близкого аналога получаем

а для предлагаемого решения имеем

Для T_эк=T_д=0,04 с на фиг.7 штриховой линией представлена частотная зависимость модуля коэффициента передачи (12) оптимального коэффициента передачи (14) для предлагаемого решения, а сплошной линией - для наиболее близкого аналога, у которого параметры в (10) выбраны, исходя из равенства нулю СКО флуктуационных ошибок (8).

Редкие потери оптической видимости могут увеличивать эквивалентную задержку в контуре управления, в предельном случае до значений Т_эк=2·T_д=0,08 с. В этом случае флуктуационная ошибка (8) почти не увеличивается в контуре управления предлагаемой ОЭС (штриховая линия на фиг.8), и, наоборот, резко увеличивается в контуре наиболее близкого аналога (пунктирная линия на фиг.8). Кроме того, в аналоге может даже произойти потеря устойчивости (а ошибка может увеличиться до бесконечности) из-за уменьшения запаса по фазе на частоте среза контура управления с коэффициентом передачи (13).

Таким образом, «замораживание» координат в наиболее близком аналоге приводит к росту фазовой задержки, резкому увеличению флуктуационной ошибки, особенно на частоте среза, и может даже приводить к потере устойчивости при вполне вероятном соотношении T_эк>2·T _д. В то же время увеличение времени задержки практически не увеличивает флуктуационную ошибку и почти не уменьшает запасов по фазе в предлагаемом контуре с коэффициентом передачи оптимального фильтра (14).

Для моделирования процессов уменьшения динамической ошибки было рассмотрено с учетом значений (2) и (3) входное возмущение (1) вида

где А_o, f_o, A _н, f_н - амплитуды и частоты входных возмущений, обусловленных объектом и носителем, соответственно; при этом с учетом (2) выбрано f_o=0,2 Гц, а с учетом (3) f _н=1,0 Гц. В момент времени t=t₀ контура управления переходили из режима автосопровождения в режим экстраполяции. Результаты моделирования представлены на фиг.9, на которой сплошная линия соответствует входному возмущению (15), а мелкий пунктир и крупный пунктир - возмущению на выходе контура наиболее близкого аналога и предлагаемой ОЭС соответственно.

Как видно из Фиг.9, и в режиме автосопровождения, и в режиме экстраполяции динамическая ошибка сопровождения в предлагаемом решении намного меньше из-за того, что на входе эквивалентного траекторного фильтра предлагаемого решения - узкополосный процесс, соответствующий первому слагаемому выражения (15.

Таким образом, точность предлагаемого контура сопровождения ОЭС, во-первых, эквивалентна точности оптимального траекторного фильтра как в режиме сопровождения, так и в режиме экстраполяции, что обеспечивает малую флуктуационную ошибку сопровождения; во-вторых, учет априорной информации о собственном движении носителя позволяет значительно уменьшить динамическую ошибку сопровождения, особенно в режиме экстраполяции. Предложенное техническое решение позволяет значительно повысить точность сопровождения объектов, что может обеспечить как увеличение количества одновременно сопровождаемых объектов, так и устойчивость перехода с режима экстраполяции на режим автосопровождения. Кроме того, при сопровождении заведомо малоподвижных (неподвижных) объектов может быть значительно повышена чувствительность ОЭС путем межкадровой фильтрации сигналов изображений.

1. Оптико-электронная система сопровождения, содержащая блок задания программного перемещения, устройство прогнозирования координат, последовательно соединенные оптико-электронный блок, блок определения координат в стробе, коммутатор, блок формирования координат в растре и устройство наведения и стабилизации, а также последовательно соединенные датчик возмущения и формирователь логики инерционного сопровождения, при этом первый выход блока задания программного перемещения соединен со вторым входом коммутатора, выход блока формирования координат в растре соединен со вторым входом блока определения координат в стробе и первым входом устройства прогнозирования координат, выход формирователя логики инерционного сопровождения соединен с третьим входом блока определения координат в стробе, отличающаяся тем, что дополнительно введен датчик движения носителя, при этом блок задания программного перемещения дополнительно соединен со вторым входом устройства прогнозирования координат, выход датчика движения носителя соединен с третьим входом устройства прогнозирования координат, выход которого соединен с входом устройства наведения и стабилизации.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство прогнозирования координат выполнено на основе последовательно соединенных первого сумматора, траекторного фильтра, второго сумматора и фильтра неизменяемой части, первый вход устройства прогнозирования координат соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с входом траекторного фильтра, выход последнего через первый блок задержки соединен с первым входом первого сумматора, третий инвертирующий вход которого через второй блок задержки подключен к третьему входу устройства прогнозирования координат, при этом третий вход устройства прогнозирования координат подключен также ко второму входу второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом траекторного фильтра, выход второго сумматора соединен с входом фильтра неизменной части, выход которого соединен с входом устройства наведения и стабилизации.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что устройство прогнозирования координат выполнено с возможностью установки длительности экстраполяции по внешним сигналам, поступающим на его второй вход.