导弹成像导引系统 课程实验指导书卢晓东 刘光辉于晓洲 葛致磊（著）西北工业大学航天学院精确制导与控制研究所2007第一章 电视成像制导系统原理§ 1.1 电视成像系统组成电视图像制导或者电视成像制导是一门将图像处理、自动控制、信息科学有机地结合起来，形成了一种能从图像信号中实时的自动识别目标，提取目标位置信息，自动跟踪目标运动的技术。
电视跟踪的实用性很强，它的发展是和现代高速计算机的发展紧密相连的。
据有关资料记载。
控制无人驾驶飞行物体的电视系统早在第二次世界大战中就已得到了一定的使用。
1944年8月，美国人使用了带“电视眼”的哥伦布—4型制导鱼雷向日本军舰进攻。
但那时的应用中，在很大程度上取决于人工干预，还不是电视跟踪系统，只能算是电视监视或电视监控系统。
1991年美军在海湾战争中大量使用了电视图像制导和武器控制系统从电视台播放的美军飞机攻击地面目标的画面中常常可以看到带有十字线和小方框标志的黑白电视图像，这正是电视跟踪系统的监视器上的图像。
一旦操纵员用小方框（叫做“跟踪窗”）套住了目标，按下跟踪开关，则跟踪系统就自动跟踪瞄准目标，把目标的位置数据输出给火控计算机，操纵员随时可以向目标进行攻击。
§ 1.2 电视成像系统组成如图1-1电视摄像机安装在跟踪转台上。
摄像机输出的全电视信号（含有图像和同步、消隐信号）送到电视信息处理器，电视信息处理器能从全电视信号中识别、提取出目标图像信号并解算出目标位置数据（相对于摄像机瞄准线的误差角）送到控制器、控制器输出控制信号加到跟踪转台的控制电机上，使跟踪转台带着摄像机自动跟踪目标运动。
如果把电视摄像机安装到导弹上，把电视信息处理器的输出加到控制导弹航机的控制器上，则就成了电视制导导弹。
图1-1 电视跟踪系统为了观察和操作控制，电视信息处理器还把混有电十字线、电子窗口等标志信号的全电视信号送到电机监视器去进行显示。
弹上的电视摄像机和地面电视摄像机一样对目标及背景的光影像是利用电子束进行逐行扫描而形成电信号的。
图1-2 电视摄像机结构弹上的电视摄像机的摄像管要求灵敏度高，构造简单，尺寸小，目前一般采用光电导型摄像管。
但是这种光电导型摄像管的缺点是惰性较大，不大适用于运动速度较大的目标。
弹上摄像机的光学系统一般要求能自动调节焦距。
在目标较远时要求焦距较大；在目标较近时希望焦距变得较小。
因为当目标远而焦距小时，目标通过光学系统在摄像管的靶面上成的像很小，当摄像机的电子束作扫描时可能会漏掉目标。
反之，当目标近而焦距较大时，则目标在靶面上成的像可能会过大，以致可能会充满整个靶面，这样应会使电子来扫描时根本无法形成误差信号。
电视自动寻的制导系统具有被动式自动寻的系统的优点，抗干扰性较强，隐蔽性好。
它也便于驾驶员识别和选择目标、但是它和红外系统一样，易受天气影响日夜间不能工作。
§1.3 电视成像系统实例美制AGM—65A“幼畜”是较早采用电视制导的空地导弹，其导引头由装在头部的电视摄像机与电子组件组成。
为了保护易碎的光电器件，在镜头与显像管之间涂有保护层，在镜头上装有灵敏元件。
AGM—65B改进了镜头支架与电子设备。
采用新的镜头，精度有所提高。
增大了坐舱显示屏上的目标图像，使驾驶员在较远距离就能发现和锁定目标，因此减少了载机在目标区域暴露的时间。
图1-4 AGM —65A “幼畜”空地导弹攻击过程图1-4所示为美国的空地反坦克导弹“幼畜”的电视制导系统工作过程。
携带这种导弹的飞机在战斗中，首先由驾驶员通过雷达或光学系统发现目标。
发现目标后驾驶员操纵飞机使之对准目标。
与此同时，摄像机就将目标及背景的电视图像送至驾驶员座舱的显示屏上，驾驶员可以看到目标相对电视摄像机轴线的偏离情况。
若目标处于摄像机的轴线上时，显示屏幕上的目标正好在十字线中央；若目标偏离摄像机的轴线，显示屏幕上目标就偏离十字线的中央。
此时驾驶员操纵调节旋钮，使摄像机的轴线转动，以使它对准目标、同时驾驶员可调节摄像机光学系统的焦距，使目标影像的尺寸合适、在满足导弹其它发射条件的情况下。
此时驾驶员可按下“锁定”按钮，摄像机便可自动跟踪目标，导弹就可以发射。
导弹发射后，它能自动跟踪目标。
§1.4电视成像系统的跟踪原理图1-5 成像跟踪系统图1-5为成像跟踪系统原理图。
图中预处理器对图像信号做预处理，如去噪、图像校正、数据压缩、图像增强与补偿等，以改善图像质量或减少运算量。
特征提取是从场景灰度图像中提取目标的形体特征（面积、周长、圆度、高宽比等）或灰度矩（形心及高阶矩、不变矩等），以供目标识别与跟踪之用；而特征选择是从上述特征中挑选若干有用的特征来做进一步运算，以达到压缩特征维数，简化计算的目的。
目标分类是为了识别目标，通常用统计识别方法，根据形状特征判定。
跟踪处理器完成有关跟踪模式、跟踪状态估计及滤波预测等运算输出目标的误差信号。
伺服机构把目标误差信号变成控制信号，实施对目标的跟踪。
由目标图像提取目标在物空间的角位置信息是问题的关键。
在成像跟踪与制导系统中，最常用的是波门跟踪与相关跟踪。
波门跟踪主要是利用模拟图像，跟踪机理有边缘跟踪、矩心跟踪、面积平衡等；而相关跟踪则要利用数字图像，算法有基本相关、平均绝对差分、积相关运算等。
§1.5 成像系统的波门跟踪原理因为热成像系统的空间分辨力有限，当目标很远时，其像是一个不大的光点；在导弹接近目标的过程中，目标的热图像逐渐充满视场，甚至超出视场范围。
故要求图像处理系统能兼顾这种变化。
“波门跟踪”便是一种简单可行的办法。
当摄像机送来的视频信号中出现目标信号时，处理电路输出相应的触发信号至波门形成电路，生成电子窗口，此窗口即称“波门”。
它套住目标图像，尺寸“波门”把信号处理的范围从整个视场缩小至门内区域，摒弃了大量无用的信息，且允许目标与背景间视频信息比值在较大范围内变化。
同时，波门能适应目标图像尺寸随距离的变化。
当目标图像增大时，波门也相应变大。
1)边缘跟踪技术：因为波门跟踪主要应用模拟图像，故采用模拟电子技术揭示目标图像的边缘。
基本思想是借助于微分检出视频信号的上升沿和下降2)矩心跟踪技术矩心跟踪系基于对目标图像能量矩的计算。
其特点之一是阈值的大小随目标与背景之对比度高低而变化；二是在整个目标图像面积上对于高于阈值的信息做积分运算。
对于模拟图像的光能密度分布为(,)f x y ，目标图像面积为A ，则目标图像区域内的总能量为：(,)AE f x y dxdy =∫∫分别对x ，y 轴计算能量矩x M ，y M ，则(,)x AM y f x y dxdy =∫∫i(,)y AM x f x y dxdy =∫∫i于是目标图像的矩心坐标为/y x M E =/x y M E =对于数字图像来说，只是将积分换为求和。
矩心算法充分反映了目标图像的能量分布，在对付某些目标时，算出的矩心就是最好的攻击点，使之在较早的制导武器中得到较多的应用。
其缺点是抗干扰能力不强。
3) 面积平衡技术面积平衡跟踪是认为：当目标图像中心与波门中心重合时，波门中心线左右两侧面积的目标信息积分量应相等。
这种方法考虑了目标图像面积上的全体信息，较之边缘跟踪方法更为合理，但它受目标图像大小的形状影响较大，加之波门中心本身在不断变化，使系统跟踪精度和时间响应较差。
4) 相关跟踪原理若预先获取的图像灰度矩阵为12(,)F n n ，而由跟踪系统拍摄的场景图像灰度矩阵为12(,)G N N ，且11N n >，22N n >。
通常把前者叫样板图像，后者叫现场图像，其像素灰度矩阵各为(,)f i j 和(,)g i j ，如图1-7所示。
图1-7 相关跟踪原理图相关跟踪的出发点就是要在12(,)G N N 中寻找与12(,)F n n 最相似的子阵。
如果有，则该子阵的位置就代表了目标图像的位置。
而判断这个子阵是否存在的依据，就是逐个计算12(,)F n n 与12(,)G N N 中各个子阵的相关测度，其中使相关测度取得最大值的子阵即被认为是现场目标图像矩阵。
在数学上，相关或相似的度量方法有很多种，对于场景图像中的任意待匹配位置(,)x y ，常用的计算相关测度的定义有如下几种： a) 直接相关测度：1211(,)(,)n n D i j R f i j g i x j y ===++∑∑直接相关测度对现场图像的局部状况比较敏感，容易因为光照等原因造成错误的结论。
例如，由于外来干扰使现场图像的某一个小的局部出现很高的灰度，就可能导致在非配准点出现D R 的最大值。
b) 直接归一化相关测度:12121211221/21111(,)(,)[(,)(,)]n n i j D n n n n i j i j f i j g x i y j R f i j g x i y j ======++=⋅++∑∑∑∑∑∑c) 方差归一化相关测度：12121211221/21111[(,)(,)][(,)(,)]{[(,)(,)][(,)(,)]}n n i j V n n n n i j i j f i j f i j g x i y j g x i y j R f i j f i j g x i y j g x i y j ======−++−++=−⋅++−++∑∑∑∑∑∑其中1211121(,)(,)n n i j f i j f i j n n ===∑∑，1211121(,)(,)n n i j g i x j y g i x j y n n ==++=++∑∑d) 均值相关测度：(,){[(,)(,)][(,)(,)]}M ijR x y f i j f i j g i x j y g i x j y =−++−++∑∑但这几种测度准则的共同缺点是只注重目标图像的能量，而忽视了对其空间结构和轮廓的考察，因此人们还引入了微分机制的相关测度模型，例如Laplace 相关测度、二值相关测度等。
第二章 电视仿真实验系统硬件原理§2.1 仿真实验系统结构及工作原理成像制导物理仿真远程实验系统总体结构框架如图所示：图 2-1系统总体框架该仿真实验系统主要由图像处理与控制计算机组、三自由度行走架控制系统、双轴转台控制系统以及视频采集部分四个模块组成。
视频采集部分由CCD摄像头和视频采集卡构成，作用是捕捉目标图像数据信号并将数据信号进行数字化处理，然后将数据信息传送给计算机，以进行图像处理。
三自由度行走架控制系统由坐标框架、行走底座和控制盒组成，可对目标的进行三维模拟运动，突破了以往目标模拟只能二维运动，更加真实的反映了目标实际运动情况。
系统提供了两种控制方式：手动和计算机直接控制，通过伺服电路能够较好实现控制指令。
