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航天器和導彈製導、導航與控製
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內容簡介
《航天器和導彈製導、導航與控製:飛行器光學尋的製導信息處理技術》總結瞭作者及其研究團隊過去10餘年在光學尋的製導信息處理領域做的部分研究工作,並在國內外有關該領域研究進展的框架內闡述瞭這些研究成果,每章後都給齣瞭相關的參考文獻。《航天器和導彈製導、導航與控製:飛行器光學尋的製導信息處理技術》重點論述瞭基於被動光學成像傳感器(可見光/紅外綫)和主動光學成像傳感器(激光)的製導信息處理若乾問題。
內頁插圖
目錄
第1章 概論
1.1 基本概念
1.2 信息處理在飛行器製導中的地位
1.3 光學尋的製導信息處理技術現狀與趨勢
1.3.1 國內外製導信息處理技術的發展曆程
1.3.2 國內外製導信息處理技術的發展趨勢
1.3.3 製導信息處理技術發展與總體、分係統的關係
參考文獻
第2章 光學尋的製導信息處理的理論模型
2.1 難點和科學問題
2.2 模型、準則和方法
2.2.1 多維動態空間映射與求逆過程模型
2.2.2 動平颱擾動模型
2.2.3 氣動光學效應機理模型
2.2.4 目標、背景與平颱的時間—空間-波譜動態特性錶達
2.2.5 探測識彆目標的可計算準則
2.3 光學成像直接尋的與定位
2.4 目標-地標關聯尋的與定位
2.5 子空間協同的遞推探測定位
參考文獻
第3章 平颱、目標、背景空間特性建模與錶達
3.1 平颱、目標、背景的空間坐標係
3.2 目標的幾何建模與多尺度錶達
3.2.1 構建三維模型
3.2.2 不同視點下三維目標特性視圖的獲取
3.2.3 目標輪廓加噪畸變模型
3.2.4 輪廓圖像模糊降分辨率
3.3 目標與背景空間關係建模
3.3.1 目標幾何形態分析
3.3.2 目標場景分層結構及其拓撲關係
參考文獻
第4章 動平颱目標成像探測去擾動方法
4.1 動平颱激光主動成像運動補償
4.2 氣動光學效應自適應數字校正
4.3 紅外焦平麵非均勻性校正
4.3.1 基於紅外焦平麵探測器非均勻性指紋模式的校正方法
4.3.2 去僞像的自適應非均勻性校正
4.4 紅外成像時相自適應增強
4.4.1 直方圖的類型判決
4.4.2 一種圖像自適應增強算法
參考文獻
第5章 固定目標光學成像尋的信息處理方法
5.1 地麵建築物多尺度自動識彆定位
5.1.1 地麵建築三維建模及特徵分析
5.1.2 基於形態學的紅外圖像背景抑製
5.1.3 特徵反饋控製的迭代分割
5.1.4 基於特徵庫的紅外地麵建築目標識彆
5.1.5 基於竪條特徵的紅外地麵建築識彆
5.1.6 基於圖像統計特性的目標可分割性評估
5.2 典型地物目標檢測識彆與定位
5.2.1 湖心小島檢測識彆定位
5.2.2 橋梁交叉點檢測識彆定位
5.2.3 機場檢測識彆定位
5.2.4 河流交叉口檢測識彆定位
5.2.5 公路交叉口檢測識彆定位
5.2.6 改進的Hausdorff距離港口匹配定位
5.3 基於部件的目標探測定位
5.4 目標/地標群關聯探測定位
5.4.1 平麵地標導引的相對定位目標檢測識彆
5.4.2 立體地標導引的相對定位地麵目標檢測識彆
5.5 光學尋的導引參考圖製備
5.5.1 前視平麵地標選擇和參考圖製備
5.5.2 前視立體地標選擇與參考圖製備
參考文獻
第6章 動目標光學成像尋的信息處理方法
6.1 空中動目標多尺度探測定位
6.2 空中動目標抗乾擾檢測跟蹤
6.3 混閤人工神經網絡動目標識彆(MUSSER)
6.3.1 反嚮傳播學習神經網絡(BP網絡)
6.3.2 徑嚮基函數神經網絡(RBF網絡)
6.3.3 多尺度模型下的混閤神經網絡識彆算法
6.3.4 試驗結果
6.4 海麵動目標多尺度探測定位
6.4.1 基於生物視覺注意機製的海麵目標實時檢測方法
6.4.2 天水區約束的海麵船舶目標識彆定位方法
6.5 地麵動目標變尺度探測定位
6.5.1 概念與模型
6.5.2 多尺度檢測與分析方法
6.5.3 時一空三維八叉樹遞推檢測算法
6.5.4 試驗結果
參考文獻
第7章 實時信息處理係統設計與實現
7.1 模塊化、異構、規模可伸縮的處理結構
7.1.1 模塊化、可在綫重構、規模可伸縮的實時識彆處理機結構
7.1.2 實現模塊化、通用化的關鍵技術
7.1.3 尋的製導信息處理係統的模塊化、標準化、係列化設計
7.2 麵嚮尋的信息處理係統的共用算法V15I設計
7.2.1 多目標多尺度遞推濾波檢測算法ASIC實現
7.2.2 多目標輪廓跟蹤與標記算法的ASIC實現
7.2.3 優化流水機製實現快速圖像鏇轉
7.2.4 基於運動檢測指導的組閤非均勻性自適應校正SOC
7.2.5 圖像連通域標記和輪廓跟蹤的VLSI實現
7.3 嵌入式數據庫係統
7.4 嵌入式係統軟件
7.5 加載和測試用串行口控製颱技術
7.5.1 物理層
7.5.2 鏈路層
7.5.3 應用層
7.6 軟件模塊化設計
7.6.1 模塊外部設計規範
7.6.2 模塊內部設計規範
7.7 模塊化信息處理機綜閤集成
參考文獻
第8章 光學成像尋的信息處理仿真與性能評價
8.1 仿真環境設計
8.1.1 仿真環境組成
8.1.2 仿真功能
8.1.3 仿真平颱環境
8.1.4 仿真處理流程
8.2 動平颱飛行場景仿真
8.2.1 多波段場景生成係統
8.2.2 係統功能
8.2.3 係統組成
8.3 尋的圖像序列仿真
8.3.1 模型數據庫的建立
8.3.2 大氣模型數據庫的建立
8.3.3 飛行器視點運動模型的建立
8.3.4 傳感器模型的建立
8.3.5 多波段仿真圖像動態生成
8.3.6 多波段序列仿真試驗結果
8.4 尋的處理算法性能評價
8.4.1 尋的算法性能評價的關係模型
8.4.2 尋的處理算法性能評價模型
8.4.3 綜閤評價的最優試驗設計方法
8.4.4 尋的性能評價指標體係
參考文獻
前言/序言
《航天器與導彈製導、導航與控製:飛行器光學尋的製導信息處理技術》 簡介 本書深度聚焦於航天器與導彈在復雜環境中精確製導、可靠導航以及高效控製的核心技術,尤其側重於飛行器光學尋的製導過程中至關重要的信息處理環節。本書旨在為航空航天工程、自動控製、計算機科學等領域的科研人員、工程師以及高等院校師生提供一本全麵、深入的技術參考,助力其在現代飛行器設計與開發中掌握前沿理論與實踐方法。 第一部分:製導、導航與控製係統基礎 在現代飛行器設計中,製導、導航與控製(Guidance, Navigation, and Control, GNC)係統是實現飛行任務目標的核心。本部分將從基礎概念齣發,係統闡述GNC係統的構成、工作原理以及相互之間的關係。 1. 製導係統(Guidance System): 定義與目標: 製導係統的核心在於根據預設的任務目標和飛行器的當前狀態,生成一係列指令,指導飛行器沿著最優軌跡飛行。這包括瞭目標跟蹤、航路規劃、彈道修正等功能。 製導律: 介紹不同類型的製導律,如比例導航(Proportional Navigation, PN)、比例導航與積分(Proportional Navigation with Integration, PNI)等,分析其數學模型、適用場景以及性能優劣。深入探討比例導航的變種,如廣義比例導航,以及其在復雜機動目標跟蹤中的應用。 製導係統架構: 闡述典型的製導係統組成,包括目標數據輸入、飛行器狀態估算、製導指令生成、以及執行機構指令輸齣等環節。分析閉環製導與開環製導的區彆與聯係。 製導誤差分析: 探討製導過程中可能齣現的各類誤差來源,如傳感器誤差、模型誤差、執行機構誤差等,並分析這些誤差對製導精度的影響。 2. 導航係統(Navigation System): 定義與目標: 導航係統的作用是實時、準確地確定飛行器的位置、速度和姿態等信息,為製導係統提供精確的狀態反饋。 導航傳感器: 詳細介紹各種導航傳感器的工作原理、精度指標和優缺點。 慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU): 包括陀螺儀(Gyroscope)和加速度計(Accelerometer)的工作原理,介紹不同類型的IMU(如撓性、率環、光縴、MEMS)及其性能特點。 全球導航衛星係統(Global Navigation Satellite System, GNSS): 如GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou等,介紹其信號體製、定位原理、誤差源及修正方法。 地麵導航係統: 如遙測遙控、雷達信標等,分析其在特定場景下的應用。 星敏感器(Star Tracker): 介紹其工作原理、精度以及在深空探測和高精度姿態確定中的作用。 地形匹配導航(Terrain Contour Matching, TERCOM): 分析其原理、對地形數據依賴性以及在GPS受限環境下的應用。 其他導航方式: 如視覺裏程計(Visual Odometry)、磁力計(Magnetometer)等。 導航濾波: 介紹如何利用各種濾波器(如卡爾曼濾波、擴展卡爾曼濾波、無跡卡爾曼濾波、粒子濾波等)融閤多源導航信息,實現高精度、高可靠性的狀態估計。詳細闡述卡爾曼濾波的遞推過程、狀態方程和觀測方程的建立,以及不同類型濾波器的適用條件與性能比較。 導航誤差分析: 分析導航係統中存在的各類誤差,包括傳感器測量誤差、模型誤差、數據融閤誤差等,以及這些誤差如何傳播和纍積。 3. 控製係統(Control System): 定義與目標: 控製係統的任務是根據製導係統生成的指令和導航係統提供的狀態信息,操縱飛行器的執行機構(如舵麵、發動機推力矢量等),使飛行器按照期望的軌跡和姿態飛行。 飛行器動力學模型: 建立不同類型飛行器的動力學模型,包括空氣動力學模型、推力模型、質心與力矩平衡方程等。重點分析氣動導數、推力導數等參數對控製性能的影響。 控製律設計: 介紹經典的控製理論,如PID控製、狀態空間反饋控製、模型預測控製(MPC)等,分析其在飛行器控製中的應用。深入探討魯棒控製、自適應控製等先進控製方法在應對模型不確定性和外部擾動時的優勢。 執行機構與舵麵動力學: 分析舵麵、發動機噴口擺動等執行機構的動態特性,包括響應時間、精度、飽和度等,以及這些因素如何影響控製係統的性能。 穩定性與魯棒性: 探討控製係統的穩定性和魯棒性分析方法,如何保證飛行器在各種工況下都能保持穩定飛行。 第二部分:飛行器光學尋的製導信息處理技術 本部分將聚焦於飛行器光學尋的製導中的核心技術,即如何從光學傳感器獲取的信息中提取齣導航和製導所需的數據,並進行高效處理。 1. 光學尋的器(Optical Seeker)的原理與組成: 定義與作用: 光學尋的器是一種利用光學傳感器主動或被動地探測目標,並為其提供精確的製導信息的核心部件。 成像原理: 介紹不同類型光學成像係統的工作原理,如可見光相機、紅外成像儀、激光雷達等。分析其光學設計、焦距、視場角、探測器類型(CCD, CMOS, 紅外探測器陣列)等關鍵參數。 傳感器類型: 被動式尋的器: 如紅外成像尋的器(IR Seeker)、紫外成像尋的器(UV Seeker),介紹其探測目標輻射源的原理,分析背景乾擾、掠地效應等對探測性能的影響。 主動式尋的器: 如激光雷達尋的器(Lidar Seeker)、雷達尋的器(Radar Seeker),介紹其發射探測信號並接收目標迴波的原理,分析其作用距離、分辨率、抗乾擾能力等。 半主動式尋的器: 如激光製導,介紹其通過外部照射目標,尋的器接收反射激光信號的原理。 尋的器組成: 介紹光學尋的器的典型組成部分,包括光學鏡頭、紅外/可見光/紫外探測器、信號處理電路、伺服機構等。 2. 圖像采集與預處理: 圖像獲取: 闡述光學傳感器如何將目標信息轉化為數字圖像信號。 噪聲抑製: 介紹圖像去噪算法,如高斯濾波、中值濾波、雙邊濾波等,用於去除圖像中的隨機噪聲,提高圖像質量。 對比度增強: 介紹直方圖均衡化、自適應對比度增強等方法,以提高圖像中目標與背景的區分度。 圖像畸變校正: 分析鏡頭畸變(徑嚮畸變、切嚮畸變)及其對目標定位精度的影響,並介紹校正方法。 多幀圖像融閤: 探討如何融閤多幀圖像以提高信噪比、改善圖像質量,或者實現目標在復雜背景下的穩定跟蹤。 3. 目標檢測與識彆: 基於閾值的檢測: 介紹簡易的閾值分割方法,適用於目標與背景對比度明顯的情況。 基於邊緣檢測的算法: 如Canny邊緣檢測、Roberts邊緣檢測等,用於提取圖像中的目標輪廓。 基於區域分割的算法: 如K-Means聚類、Watershed算法等,用於將圖像劃分為不同的區域。 特徵提取: 介紹用於描述目標形狀、紋理、顔色等特徵的方法,如SIFT、SURF、HOG等特徵描述符。 模闆匹配: 介紹如何使用預先存儲的目標模闆在圖像中搜索匹配的目標。 機器學習與深度學習方法: 監督學習: 介紹捲積神經網絡(CNN)在目標檢測和識彆中的應用,如R-CNN係列、YOLO係列、SSD等。分析如何訓練模型,以及其在實時性、精度方麵的優勢。 無監督/半監督學習: 探討在目標特徵不完全已知或訓練數據不足情況下的目標檢測方法。 目標跟蹤: 基於特徵的跟蹤: 如Meanshift、卡爾曼濾波與特徵點結閤的跟蹤方法。 基於模型(生成式/判彆式)的跟蹤: 如粒子濾波跟蹤、DCF(Discriminative Correlation Filter)跟蹤。 深度學習在跟蹤中的應用: 如SiamFC, SiamRPN等。 多目標跟蹤: 介紹如何同時跟蹤多個目標,並處理目標的遮擋、齣現、消失等情況。 4. 目標信息提取與製導信息生成: 目標位置估計: 二維圖像坐標: 從圖像中提取目標的中心點、質心或關鍵點,得到其在成像平麵上的二維坐標。 三維空間位置: 結閤光學成像模型、相機標定參數以及深度信息(如果可用,如立體視覺、激光雷達),估算目標在三維空間中的精確位置。 視綫角計算: 基於目標在圖像中的位置和飛行器的姿態信息,計算齣目標相對於飛行器的視綫角(Angle of Arrival, AOA),這是製導律計算的基礎。 目標速度估算: 基於圖像流(Optical Flow): 通過分析連續幀圖像中像素的運動軌跡來估算目標在圖像平麵上的速度,進而推導目標相對速度。 基於多普勒效應: 對於主動式尋的器,利用目標迴波的多普勒頻移來直接測量目標的徑嚮速度。 基於目標運動模型: 結閤目標運動模型和位置信息,預測和估計目標的速度。 目標相對距離測量: 立體視覺: 利用雙目或多目成像係統,通過視差原理測量目標距離。 激光測距: 利用激光測距儀直接測量目標距離。 基於已知尺寸的目標: 在已知目標尺寸的情況下,通過目標在圖像中的大小來估算距離。 製導信息融閤與轉換: 將提取齣的目標相對位置、速度等信息,與飛行器自身的導航信息進行融閤,計算齣製導律所需的輸入參數,並生成控製指令。 抗乾擾與魯棒性: 重點分析在復雜電磁環境、光學乾擾(如炫光、遮擋、雜波)下,如何通過算法增強目標檢測與跟蹤的魯棒性,保證製導的有效性。例如,介紹對抗遮擋、對抗動態背景、對抗欺騙乾擾的技術。 第三部分:高級應用與未來發展 1. GNC係統集成與仿真: 係統集成: 探討如何將獨立的製導、導航和控製模塊有效地集成到飛行器平颱上,實現協同工作。 高精度仿真平颱: 介紹飛行器GNC係統仿真平颱的構建方法,包括環境建模、傳感器建模、飛行器動力學建模、執行機構建模等,以及仿真在設計驗證、性能評估和算法優化中的重要性。 硬件在環(Hardware-in-the-Loop, HIL)仿真: 強調HIL仿真在驗證真實硬件接口和實時性能方麵的作用。 2. 先進GNC技術: 智能GNC: 探討人工智能和機器學習在GNC係統中的應用,如自學習製導律、智能導航路徑規劃、自適應控製等。 協同GNC: 研究多飛行器協同作戰中的GNC問題,包括協同導航、協同製導、協同編隊控製等。 高超聲速飛行器GNC: 分析高超聲速飛行器獨特的空氣動力學特性、高速氣動熱效應對GNC係統的挑戰,以及相應的解決策略。 無人係統GNC: 探討無人機、無人車等自主係統的GNC技術,包括自主起降、自主避障、路徑規劃等。 3. 工程化實現與挑戰: 計算資源限製: 分析嵌入式係統對GNC算法的計算量、功耗和實時性的要求,以及如何在資源受限的條件下優化算法。 傳感器融閤的挑戰: 討論多傳感器信息融閤中的數據對齊、時鍾同步、異構數據處理等問題。 可靠性與安全性: 強調GNC係統在關鍵任務中的高可靠性和安全性要求,以及相關的設計和測試方法。 本書通過由淺入深、循序漸進的論述,旨在幫助讀者建立起對航天器和導彈GNC係統,特彆是光學尋的製導信息處理技術的係統性認識。書中理論與實例相結閤,既有嚴謹的數學推導,也有對實際工程問題的探討,希望能為相關領域的研究與實踐提供有益的參考。