一种基于高速摆镜的红外面阵搜索跟踪系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于高速摆镜的红外面阵搜索跟踪系统及方法，系统包括红外头部、方位转台、基座以及伺服控制组件和信息处理组件，其中红外头部包括依次以光路联结的高速摆镜组件、光学系统以及红外面阵探测器。其方法是通过在光学系统前端配置高速摆镜以实现红外告警设备全方位搜索与跟踪，实现在探测器积分时间内采集的空域不变，解决由于转动带来的成像“拖尾”问题，使得设备能够在快速搜索跟踪过程中清晰成像。采用本发明专利技术的技术方案可以解决面阵探测器在红外搜索跟踪系统中应用的“瓶颈”问题，使得红外搜索跟踪系统具有更高的信噪比和搜索效率以及更远的探测距离。

Infrared array searching and tracking system and method based on high speed pendulum mirror

The invention discloses a high-speed surface based on infrared mirror array search and tracking system and method. The system includes infrared head, azimuth turntable, base and servo control module and information processing module, which includes infrared head with high speed swing mirror assembly, optical coupling of the optical system and infrared array detector. The method is based on optical system front-end configuration mirror to achieve high-speed infrared alarm equipment comprehensive search and tracking, realize the acquisition in the integration time of the detector within the airspace unchanged, to solve the \turn tail imaging\, makes the device can fast search in the process of tracking imaging clearly. By using the technical scheme of the invention can solve the array detector in infrared search and tracking system in the application of the \bottleneck\ problem, the infrared search and tracking system has higher SNR and search efficiency and longer detection distance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于高速摆镜的红外面阵搜索跟踪系统及方法
本专利技术涉及被动光学扫描成像告警技术，特别涉及红外面阵搜索跟踪系统和方法。
技术介绍
随着精确制导导弹、炮弹等武器的大量使用，战场地面机动设备(指挥控制车、导弹发射车、坦克、装甲车)的防护已成为现代战争中必须考虑的关键问题之一。在各类告警技术中，雷达、激光等有源技术存在易被敌方察觉并打击的缺点，而红外告警作为一种无源技术，能够做到在发现敌人的同时隐蔽自己，在对付精确制导导弹、炮弹、鱼雷等武器方面具有不可替代的作用。当前，红外搜索跟踪系统主要采用的是扫描成像的线阵列焦平面探测器，这种探测器的积分成像原理很适合于固定角速度的空域搜索工作模式。但是系统积分时间受扫描速率所限，通常花在每个像素的时间都在数十微秒量级。因此，输出的信号强度较弱，信噪比较低。相比较线阵列器件而言，面阵列焦平面器件具备以下三大优势：首先，面阵列焦平面器件积分时间更长，达到1～1000ms的数量级，从而使得面阵列焦平面器件具备更高的热灵敏度，更长的成像积分时间，更有利于系统信噪比及系统的极限作用距离两项核心指标的提升；其次，采用面阵列焦平面探测器的红外搜索跟踪系统工作帧频高，单位时间内获得的图像信息多，更适应高速和超高速武器系统图像信息获取的需求；再次，在分辨率相同的情况下，面阵列器件具备更高的搜索效率。因此，研究面阵列探测器在搜索跟踪系统中的应用技术，可大幅度的提高系统信噪比及搜索效率，进而延长系统的预警探测距离。然而，假如仅仅只是将原有的线列探测器更换为面阵探测器，而仍沿用原系统搜索状态下的工作模式，转台周转时，场景相对于面阵探测器也在周转，在无任何补偿措施的情况下，场景图像无法在面阵列器件的积分时间内相对成像器件保持静止，所形成的搜索图像会存在严重的“拖尾”，使得系统无法对告警目标进行精确定位。
技术实现思路
本专利技术的目的在于设计出一套通用的、适合于实际作战环境的基于面阵探测器的红外搜索跟踪系统。系统同时具有目标告警与目标跟踪的功能，同时具有清晰的成像效果、更低的虚警率以及更远的探测距离。一种基于高速摆镜的红外面阵搜索跟踪系统，包括：红外头部、方位转台、基座以及伺服控制组件和信息处理组件，其特征在于：所述的红外头部与伺服控制组件、信息处理组件安装在方位转台上，方位转台安装在作为系统支架的基座上；外部辐射经高速摆镜组件以平行光的形式反射到光学系统，光学系统将红外辐射汇聚到红外面阵探测器，面阵探测器将光学信号转变为电信号，并输入到信息处理组件，信息处理组件对目标信息进行分析和识别，伺服控制组件根据信息处理组件提供的目标告警信息分别控制高速摆镜组件和方位转台，使系统工作在搜索或者跟踪模式下。所述的信息处理组件包括数据采集模块、信号处理模块和主控及显示模块；所述数据采集模块将电信号转变为数字信号；所述信号处理模块处理所述数字信号，得到目标告警信息；主控及显示模块将目标告警信息上报和显示，形成指令，并输出到伺服控制组件，所述数据采集模块安装于红外头部。进一步，所述的红外头部以来自物方光束经过先后为序，依次由高速摆镜组件、光学系统以及红外面阵探测器构成，所述的光学系统包括第一透镜组、45°反射镜和第二透镜组；所述高速摆镜组件包括平面反射镜、音圈电机、U型支架、反射镜轴系、高精度光栅尺和机械限位装置，采用音圈电机驱动反射镜，采用高精度光栅尺测量反射镜转角，对反射镜驱动形成闭环控制，同时设计机械限位装置对反射镜限位。进一步，所述方位转台包括方位电机、光栅编码器和导流环以及方位转台轴系，方位电机采用圆环形的永磁交流伺服电机，光栅编码器采用中空结构的绝对式编码器，导流环采用精密导电滑环，方位轴系主轴承采用交叉滚子轴承，方位轴系副轴承采用圆柱滚子轴承。本专利技术提供的一种基于高速摆镜的红外面阵搜索跟踪系统的搜索跟踪方法，通过采用红外面阵探测器配合高速摆镜实现告警系统的全方位搜索与跟踪，方法步骤如下：步骤一、红外头部随方位转台快速扫描，高速摆镜组件同步进行“像移补偿”，控制方法上保证反射镜转动方向与方位转台旋转方向相反，反射镜转动角速度为方位转台转动角速度的一半，反射镜转动角范围为光学视场的一半，实现探测器积分时间内采集的空域不变，面阵探测器探测到的信息经导流环输出到信息处理组件，系统工作在搜索模式下；步骤二、信息处理组件对上述信息进行处理，如果认为搜索到目标，系统进入跟踪模式，方位转台快速旋转至目标所在方位角，同时控制高速摆镜组件进行精跟踪；如果认为没有搜索到目标，则系统继续工作在搜索模式下。本专利技术和现有技术相比的有益效果是：(1)解决了面阵探测器由于转动带来的成像“拖尾”问题，使得系统能够在快速搜索跟踪过程中清晰成像，为面阵探测器在红外搜索跟踪系统中的应用奠定了基础；(2)通过面阵探测器在红外搜索跟踪系统中的应用，大幅度地提高了系统的核心指标，使得系统具有更高的信噪比、更高的搜索效率和更远的探测距离。附图说明图1为本专利技术实施例提供的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的红外头部的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的高速摆镜组件的结构示意图，其中：(a)为高速摆镜组件右向等轴测图，(b)为高速摆镜组件左向等轴测图；图4为本专利技术实施例提供的方位转台与高速摆镜组件控制时序图；图5为本专利技术实施例提供的信息处理组件组成示意图；图6为本专利技术实施例提供的信息处理流程框图。图中编号：1为红外头部，2为方位转台，3为基座，4为伺服控制组件，5为信息处理组件；1-1为高速摆镜组件，1-2为光学系统，1-3为面阵探测器；1-1-1为反射镜，1-1-2为音圈电机，1-1-3为U型支架，1-1-4为反射镜轴系，1-1-5为高精度光栅尺，1-1-6为机械限位装置，1-2-1为第一透镜组，1-2-2为45°反射镜，1-2-3为第二透镜组。具体实施方式下文中，结合附图和实施例对本专利技术作进一步阐述。结合参考图1和图2，本专利技术实施例提供的一种基于高速摆镜的红外面阵搜索跟踪系统包括：红外头部1、方位转台2、基座3、伺服控制组件4和信息处理组件5。红外头部1包括依次以光路联结的高速摆镜组件1-1、光学系统1-2和面阵探测器1-3，其中光学系统1-2包括第一透镜组1-2-1、45°反射镜1-2-2和第二透镜组1-2-3。红外头部1、伺服控制组件4和信息处理组件5集成设计，共同安装在方位转台2上，能够绕垂直轴全方位旋转；方位转台2与基座3机械联结；基座3作为系统支架，用于固定和支撑整套系统。参考图3，所述的高速摆镜组件1-1包括：反射镜1-1-1、音圈电机1-1-2、U型支架1-1-3、反射镜轴系1-1-4、高精度光栅尺1-1-5和机械限位装置1-1-6等。反射镜1-1-1为平面反射镜，以硬铝合金为基底经表面复制工艺达到反射镜的动态特性和反射率要求。音圈电机1-1-2持续推力为27.5N、总行程为15mm、侧向间隙为1mm。高精度光栅尺1-1-5最小分辨率50nm。由于反射镜是往复摆动的，而且只有在反射镜转动方向与系统扫描方向相反、积分时间内保持匀速，速度为方位扫描速度的一半，转动角范围为光学视场的一半时，凝视积分过程中采集的空域才不变，因此反射镜的频率及速度应与转台速度和红外探测器积分时间密切配合，方位转台2与高速摆镜组件1-1控制时序参考图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于高速摆镜的红外面阵搜索跟踪系统，包括：红外头部(1)、方位转台(2)、基座(3)以及伺服控制组件(4)和信息处理组件(5)，其特征在于：所述的红外头部(1)与伺服控制组件(4)、信息处理组件(5)安装在方位转台(2)上，方位转台(2)安装在作为系统支架的基座(3)上；外部辐射经高速摆镜组件(1‑1)以平行光的形式反射到光学系统(1‑2)，光学系统(1‑2)将红外辐射汇聚到红外面阵探测器(1‑3)，面阵探测器(1‑3)将光学信号转变为电信号，并输入到信息处理组件(5)，信息处理组件(5)对目标信息进行分析和识别；所述的信息处理组件(5)包括数据采集模块、信号处理模块和主控及显示模块；数据采集模块安装于红外头部，它将电信号转变为数字信号；信号处理模块处理所述数字信号，得到目标告警信息；主控及显示模块将目标告警信息上报和显示，形成指令，并输出到伺服控制组件(4)；伺服控制组件(4)根据信息处理组件(5)提供的目标告警信息分别控制高速摆镜组件(1‑1)和方位转台(2)，使系统工作在搜索或者跟踪模式下。

【技术特征摘要】
1.一种基于高速摆镜的红外面阵搜索跟踪系统，包括：红外头部(1)、方位转台(2)、基座(3)以及伺服控制组件(4)和信息处理组件(5)，其特征在于：所述的红外头部(1)与伺服控制组件(4)、信息处理组件(5)安装在方位转台(2)上，方位转台(2)安装在作为系统支架的基座(3)上；外部辐射经高速摆镜组件(1-1)以平行光的形式反射到光学系统(1-2)，光学系统(1-2)将红外辐射汇聚到红外面阵探测器(1-3)，面阵探测器(1-3)将光学信号转变为电信号，并输入到信息处理组件(5)，信息处理组件(5)对目标信息进行分析和识别；所述的信息处理组件(5)包括数据采集模块、信号处理模块和主控及显示模块；数据采集模块安装于红外头部，它将电信号转变为数字信号；信号处理模块处理所述数字信号，得到目标告警信息；主控及显示模块将目标告警信息上报和显示，形成指令，并输出到伺服控制组件(4)；伺服控制组件(4)根据信息处理组件(5)提供的目标告警信息分别控制高速摆镜组件(1-1)和方位转台(2)，使系统工作在搜索或者跟踪模式下。2.根据权利要求1所述的一种基于高速摆镜的红外面阵搜索跟踪系统，其特征在于：所述的红外头部(1)以来自物方光束经过先后为序，依次由高速摆镜组件(1-1)、光学系统(1-2)以及红外面阵探测器(1-3)构成，所述的光学系统(1-2)包括第一透镜组(1-2-1)、45°反射镜(1-2-2)和第二透镜组(1-2-3)；所述高速摆镜组件(1-1)包...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄姜卿，杨龙，李范鸣，刘士建，蹇毅，施家明，李冰，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31