远程岸基光电系统探测传感器的发展

远程岸基光电系统探测传感器的发展

1远程岸基光电系统目标探测的探测方法中国有数千公里的海岸和许多岛屿。保护中国沿海地区的主权，维护中国的政治、经济和军事利益，是中国海军的神圣任务。及时、准确、直观地为上级机关提供我国沿海领空、领海各类运动目标的数据和直观图像是当务之急。以往,设立在各国沿海及岛屿上的各观通站,其主要的探测手段则是岸基警戒雷达并辅以普通光学望远镜及微光电视等,这些设备的最大缺陷在于:普通光学系统受大气能见度制约很大,而警戒雷达则在电子对抗环境下不能有效探测及分辨目标,对超低空快速飞行的目标,更是不能进行有效的探测。所以采用单一的雷达警戒方式已不能满足现代战争的需要。因此,沿海前沿观通站迫切需要一种新型的岸基光电系统,该系统能昼夜、低能见度条件下工作,能够远距、快速、准确探测空中和海上各类运动目标,并可实时观察、监视和提供拦截目标的各种数据。远程岸基光电系统可装在沿海前沿和各种岛屿的观通站,与岸基对海警戒雷达一起组成警戒探测系统,对高空、低空、水面目标进行监视、观察和录像。从远程岸基光电系统的组成来看,完成角度探测的主要传感器是红外热成像系统。近年来,由于红外探测器件和致冷技术的发展,再加上专门设计的红外光学系统,使红外热成像系统迈上新的台阶,这就为远程岸基光电系统进行远距离探测目标成为可能。我们知道,对目标的探测不仅要知道它的方位坐标,同时还要知道它的距离数据,这就为远程岸基光电系统提出了新要求,即对目标应进行远距离测距。由于要求探测目标距离远,用以往普通激光测距仪已达不到要求。因此,远程岸基光电系统对目标的测距必须寻求新的测距方法。本文将对激光线光束测距法、被动测距法、海面三角测距法和对空三角测距法进行探讨和研究,目的在于寻求远程岸基光电系统的最好测距方法。2单独测距的优缺点激光测距属于主动测距,主要测距的方法也很多,如激光测距、微波测距、超声测距等。这些主动测距具有很高的精度,对应用环境适应也很好,但由于事先要发射大功率脉冲波,因此设备比较复杂。激光测距又可分为窄光束单点测距和线光束扫描测距。单点测距技术已比较成熟,它只要对扫描视场内的多目标分别进行单独测距,获取的距离数据比较直观。缺点是:对视场内的每个目标都要进行单独测距,所以对多目标测距实现起来比较麻烦,且速度也慢。激光线光束测距是将激光发散角在垂直方向设计成线状。在工作时,可以对扫描视场内的多目标进行扫描测距,能同时测出各目标的距离,因此测距速度快。但是由于线光束测距,垂直方向的光束发散角大,要求激光发射功率也大,所以难以实现远距离测距。此外,激光线光束测距虽然测距精度高,测距速度快,但由于是主动测距,事先要发射大功率的脉冲波,在军事上容易暴露自己。同时,这种线光束测距还不能满足岸基光电系统的远距离的测距要求。当然,随着激光技术的发展、大功率激光器件的出现、弱信号处理技术的提高,大功率远距离激光测距器一定能研制成功,那时将远距离激光测距器应用于岸基光电,作为距离探测手段是最为理想的。3外基线测距法则被动测距是一种新颖的图像像素高频振动测距方法。传统被动测距方法主要有双目视差测距、焦点测距、三角测距等。双目视差测距在生物系统中处处存在,但在机器系统中难以实现,因为在立体图像中对应点的自动识别很困难。焦点测距由于要求景深小,而景深小又与探测要求图像有一定灰度等级相矛盾。外基线测距法则要求已知被测目标的高度,实测其成像高度和像距,再用相似三角形法计算目标距离,而目标高度往往是未知的或不能精确已知的。这种测距方法通常是操作人员现场查阅表格或熟背各种艇船高度,然后进行近似计算目标距离,这不仅影响操作速度,而且不可避免导入操作人员的判断误差,因此精度较差,特别是对远距离的目标难以实现测距离。被动测距实际上是用正弦高频振动驱动透镜与传感器,振动后基频和倍频信号功率之比与探测器与实际像面的偏离量成线性比例关系,利用透镜方程精确地求出物距。3.1测距灵敏度分析(1)测距自动化程度高(测距过程不需要人工参与,直接测取像距,进而显示物距);(2)测距灵敏度高,对于10km的目标相对误差在0.01%以内;(3)抗干扰性能好;(4)不要求探测器必须准确地装在像平面上,可装在传感器外,因而结构容易实现,便于装调和维修;(5)测距速度快,在0.1秒内给出测距数据;(6)体积小,重量轻。3.2薄透镜成像公式用透镜成像的傅立叶分析方法建立测距模型,说明被动测距的原理。在图1中,中间是无像差的薄透镜,孔径为2R,透镜X向左d0处为物平面,透镜X向右di和d′i分别为像平面和传感器平面。(xo,yo)——物面平面坐标;(ζ,η)——透镜面坐标;(xi,yi)——探测面坐标。(xo,yo)和(xi,yi)方向相反,透镜的成像过程实际上是经过两次傅立叶变换过程。对于漫反射的目标而言,由于目标上各点发出的光不相干,因此最好的方法是将整个物面分解成许多个点光源的集合,这样,观察物面上一点,其物面上的光场分布Vo(xo,yo)可表示如下:Vo(xo‚yo)=δ(xo−a‚yo−b)(1)Vo(xo‚yo)=δ(xo-a‚yo-b)(1)这就是薄透镜成像公式。由式(1)可得探测面上的光场分布:式(1)和(2)经过繁杂的公式推导,最后得到二次谐波与基波信号之比:I2bIb=−a4ζo(3)Ι2bΙb=-a4ζo(3)Δ=ζo+asinωt以频率ω,振幅a进行振动。从式(3)可知,随ζo趋于零而变得任意大,即越趋于像点这个比值越大,这个比率提供了高灵敏度,高精度的聚焦依据。只要测出ζo,则精确的像距可知,根据透镜方程求出物距do。4动态绿色扫描指向器l在同一观通站,同时安装两台相同的岸基光电系统,两台扫描指向器安装点分别为A和B,它们距离为L。L越大,测距越精确,但随L的增大,两指向器共同扫描覆盖的面积会变小,就是说共同监视的范围要缩小,所以L的大小要与监视范围统筹考虑。两台扫描指向器对同一海区或空域进行扫描,如图2所示,当同时扫到同一个目标时,设目标所在点为C,则ABC为一个任意三角形。已知AB间距离为L,A设备指向目标C的光轴与AB的夹角为α,B设备指向目标C的光轴与BA的夹角为β,AC的距离为R1,BC的距离为R2,然后按下列公式求出A、B两台设备分别到目标的距离R1和R2。R1=Ltgβcosα(tgα+tgβ)R2=Ltgαcosβ(tgα+tgβ)R1=Ltgβcosα(tgα+tgβ)R2=Ltgαcosβ(tgα+tgβ)这种测距方法,目标不论在海面或在空中均可以测距。5目标距离法b岸基光电系统一般都架设在沿海的山头上,距海平面都有一定的高度h(如图3所示),岸基光电系统工作时,对所要监视的海域进行扫描搜索,当搜索到某一个目标C时,则指向器安装点A、指向器与海平面的垂点B与目标所在点C构成直角三角形ΔABC。已知指向器架设的海拔高度AB(常数)和指向器指向目标的光轴与海平面的夹角α,可用下式求出目标距离R。则R=BC=ABtgαR=BC=ABtgα这种测距方法简单,也不用增加测距设备。缺点是只能对海面目标测距,空中目标无法测距。6测距数学模型由于飞机在海面上空飞行时,飞机对海面的高度是变化的,且飞机的高度也不得知,因此第五节的测距方法不适用于空中目标。而且由于飞机的尺寸比舰艇小得多,在远距离探测时,飞机在显示器上的像点接近于斑点。因此,利用“外基线”测距,精度很低,或者根本就测不出距离。我们可以从有关资料查阅到,对于当前在役的敌我方的飞机,其飞行速度在一定的战况下,可以认为只会在某种范围内变化,也就是说其速度在一定程度上可以认为是已知的。在已知速度的前提下可建立起测量图形,就如已知目标高度可建立起测量三角形一样。当然,由于假定的速度与真实的速度有差异,所以测距会有一定的误差。已知目标速度求距离,可有三种情况:(1)飞机在测量平面内作习速直线水平飞行当飞机在这种运动状态时,要测量飞机的距离,需进行两次测量。第一次测量得的高度角为α1,第二次测量得的高度角为α2,其时间间隔为Δt0,若已知飞机的速度为V,则在第二次测量时刻,飞机的距离为R,则测距数学模型为:R=V⋅Δt0tgα1tgα2−tgα1/cosα2R=V⋅Δt0tgα1tgα2-tgα1/cosα2(2)当飞机在测量平面内作匀速直线不等高飞行当飞机在第二种状态飞行时,需对目标进行三次测量。三次测量测得的高度角分别为α1、α2、α3。第三次与第一次的时间间隔为Δt1;第三次与第二次的时间间隔为Δt2,同样已知飞机的速度为V,则在第三次测量时刻,飞机的距离为R,则测距数学模型为:R=V⋅Δt1(cosβ⋅tgα1−sinβ)tgα3−tgα1/cosα3R=V⋅Δt1(cosβ⋅tgα1-sinβ)tgα3-tgα1/cosα3其中,β为飞机航线与水平面的夹角,其计算式为:tgβ=Δt1tgα1(tgα3−tgα2)−Δt2tgα2(tgα3−tgα1)Δt1(tgα3−tgα2)−Δt2(tgα3−tgα1)tgβ=Δt1tgα1(tgα3-tgα2)-Δt2tgα2(tgα3-tgα1)Δt1(tgα3-tgα2)-Δt2(tgα3-tgα1)(3)飞机斜交测量平面作匀速直线不等高飞行当飞机在第三种飞行状态时,需对飞行目标进行四次测量,才能测出飞机的距离(其计算公式从略)。根据上述三种数学模型,通过对飞行目标的二次、三次和四次坐标测量,对于给定的飞机航速,可以单独或综合地求出飞机距离。7几种测距方法的比较岸基光电系统是沿海国家必须发展的一种装备,在国外已有相当的发展,如英国已在重要海岸线上将岸基光电系统进行联网,设立中央控制站,对海岸线进行集中监视。但由于对岸基光电系统要求既要监视海面目标,又要搜索空中目标,因此,它对目标的测距问题是一个难点,从本文讨论的几项测距方法来看:(1)激光测距,技术成熟,测距精度高,但对远距离测距难以实现,然而在20km以内场合仍然可以应用。(2)双台交会测距,虽然可以解决海上、空中目标的测距问题,但要多装一台岸基光电系统。因此,投资大,成本高。单台岸基光电系统对海面目标测距不成问题,但对空中目标实现起来较为困难,且精度很差。(3)被动测距技术,是图像像素高频振动方法实现测距的,它不需改变原传感器的结构,且测距精度高,速度快,自动化程度高,易于调校