СИСТЕМА НАВЕДЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОЙ РАКЕТЫ

Предлагаемая система наведения относится к области разработки систем автоматического управления ракетами и может быть использована в ракетных комплексах.
Наиболее близкой к предлагаемой является система наведения управляемой ракеты [1]. Эта система наведения была принята за прототип предлагаемого устройства. Данная система содержит последовательно соединенные объектив, фотоприемник матричного типа, установленный в фокальной плоскости объектива, блок выделения засвеченного пространства, блок расчета центра засвеченного пространства, блок выделения координат и блок формирования команд.
Известная система наведения управляемой ракеты работает следующим образом. Входным воздействием для нее является угловое отклонение ракеты относительно линии визирования цели. Источник излучения обеспечивает наличие непрерывного потока излучения в течение всего полетного времени управляемой ракеты. Объектив фокусирует изображение источника излучения непосредственно на фотоприемнике матричного типа, который установлен в фокальной плоскости объектива, причем его центральная чувствительная ячейка находится на оптической оси объектива. Световой поток от источника излучения обеспечивает засветку определенной области фотоприемника матричного типа. Определение местонахождения данной области возложено на блок выделения засвеченного пространства, который не только определяет размеры области засветки фотоприемника источником излучения, но и дает информацию о количестве и координатах засвеченных чувствительных ячеек, а также об их уровнях сигналов. Данная информация поступает в блок расчета центра засвеченного пространства, который обеспечивает обработку сигналов непосредственно с тех чувствительных ячеек, которые были засвечены источником излучения. Выходной сигнал с блока расчета центра засвеченного пространства содержит информацию о линейных отклонениях источника излучения относительно линии прицеливания, которая поступает в блок выделения координат. После преобразования блок выделения координат вырабатывает сигналы, соответствующие линейным отклонениям управляемой ракеты от линии прицеливания. Напряжения, пропорциональные отклонению управляемой ракеты от линии прицеливания по курсу и тангажу, с выхода блока выделения координат поступают на блок формирования команд, где преобразуются в сигналы управления ракетой.
Современные условия применения управляемых ракет потребовали создать такую систему наведения управляемой ракеты, которая позволила бы преодолеть ряд недостатков, характерных для прототипа. Например, для изображений, снимаемых с фотоприемника матричного типа, характерно наложение аддитивного некоррелированного и структурного шума в виде строчных (столбцовых) неоднородностей [2]. Причем уровень неоднородности строки (столбца) непостоянен и зависит от уровня сигнала элементов строки (столбца) [3]. Шумовые составляющие существенно уменьшают отношение сигнал/шум в системе управления. Особенно это оказывает большое влияние на конечном участке наведения и может приводить к большому промаху.
Также, в прототипе отсутствует возможность выделения темного объекта на светлом фоне, что может потребоваться, например, в случае использования фотоприемника инфракрасного излучения [2].
Также, в прототипе не предусмотрена возможность регулировки допустимой величины восприятия уровня полезного сигнала фотоприемником в зависимости от результатов обработки предыдущих кадров, что осложняет работу системы при значительных колебаниях уровня полезного сигнала.
Также, в прототипе осуществляется определение координат единственного центра засвеченного пространства, что не допускает возможности отстройки от оптических помех.
Также, в прототипе не рассматривается возможность временного отсутствия выделения источника полезного сигнала, что на практике может приводить к негладким выходным координатам и, как следствие, к значительным ошибкам при формировании сигналов управления ракетой и даже срыву процесса наведения.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение качества и надежности процесса наведения управляемой ракеты без изменения конструкции самой ракеты, селекция источника сигнала с произвольным контрастом на фоне шумов, адаптивное управление допустимой величиной восприятия уровня полезного сигнала фотоприемником, выделение координат центров всех связных областей контрастных объектов, выдача экстраполированных координат при отсутствии выделения источника полезного сигнала.
Поставленная задача решается тем, что в систему наведения управляемой ракеты, содержащую объектив, фотоприемник матричного типа, установленный в фокальной плоскости объектива, последовательно соединенные блок выделения координат и блок формирования команд, введены последовательно соединенные блок нормализации изображения, блок пороговой обработки, блок выделения связных областей, блок расчета центров связных областей и блок траекторной обработки, причем выход фотоприемника матричного типа соединен с блоком нормализации изображения, а выход блока траекторной обработки соединен с блоком выделения координат.
Поставленная задача решается также тем, что выход блока траекторной обработки соединен со входом запоминающего блока, выход которого соединен со вторым входом блока пороговой обработки.
Поставленная задача решается также тем, что выход блока траекторной обработки соединен со входом запоминающего блока, выход запоминающего блока соединен со входом блока экстраполяции, выход которого соединен со вторым входом блока траекторной обработки.
Поставленная задача решается также тем, что блок пороговой обработки содержит умножитель, блок оценки среднего уровня изображения, вход которого соединен с входом блока пороговой обработки, блок оценки среднеквадратического отклонения уровня изображения, первый вход которого соединен с входом блока пороговой обработки, второй вход соединен со вторым выходом блока оценки среднего уровня изображения, а выход соединен с первым входом умножителя, блок расчета отношения сигнал/шум, выход которого соединен со вторым входом умножителя, блок суммирования, первый вход которого соединен с первым выходом блока оценки среднего уровня изображения, второй вход соединен с выходом умножителя, блок сравнения «больше», первый вход которого соединен с входом блока пороговой обработки, второй вход соединен с выходом блока суммирования, а выход соединен с выходом блока пороговой обработки.
Поставленная задача может решаться также тем, что в блоке пороговой обработки вместо блока суммирования применяется блок вычитания, а вместо блока сравнения «больше» применяется блок сравнения «меньше».
Поставленная задача может решаться также тем, что в блоке пороговой обработки дополнительно введен блок вычитания, первый вход которого соединен с первым выходом блока оценки среднего уровня изображения, второй вход соединен с выходом умножителя, и блок сравнения «меньше», первый вход которого соединен с входом блока пороговой обработки, второй вход соединен с выходом блока суммирования, а выход соединен с выходом блока пороговой обработки.
Реализацию системы наведения управляемой ракеты поясняет фиг.1, где обозначено: 1 - объектив, 2 - фотоприемник матричного типа, 3 - блок нормализации изображения, 4 - блок пороговой обработки, 5 - блок выделения связных областей, 6 - блок расчета центров связных областей, 7 - блок траекторной обработки, 8 - блок выделения координат, 9 - блок формирования команд, 10 - запоминающий блок, 11 - блок экстраполяции.
Реализацию блока пороговой обработки поясняет фиг.2, где обозначено: 12 - блок оценки среднего уровня изображения, 13 - блок оценки среднеквадратического отклонения уровня изображения, 14 - умножитель, 15 - блок расчета отношения сигнал/шум, 16 - блок суммирования, 17 - блок сравнения «больше», 18 - блок вычитания, 19 - блок сравнения «меньше».
Система наведения управляемой ракеты работает следующим образом.
Входным воздействием для нее является угловое отклонение ракеты относительно линии визирования цели. Объектив (1) фокусирует изображение фоноцелевой обстановки (ФЦО) с источником излучения непосредственно на фотоприемнике матричного типа (2), который установлен в фокальной плоскости объектива, причем его центральная чувствительная ячейка находится на оптической оси объектива. В блоке нормализации изображения (3) осуществляется устранение аддитивного некоррелированного и структурного шума в виде строчных (столбцовых) неоднородностей на изображении ФЦО. Нормализованное изображение ФЦО поступает на первый вход блока пороговой обработки (4). В блоке оценки среднего уровня изображения (12) формируется выборочное среднее, а в блоке оценки среднеквадратического отклонения (13) формируется выборочное среднеквадратическое отклонение. Эти статистические характеристики вместе с отношением сигнал/шум, формируемым блоком расчета отношения сигнал/шум (15), используются для определения допустимой величины восприятия уровня полезного сигнала фотоприемником. Расчет отношения сигнал/шум производится на основании априорного значения отношения сигнал/шум, задаваемого перед стартом управляемой ракеты, а также на основании поступающей на второй вход блока пороговой обработки информации из запоминающего блока (10) о том, произошло ли выделение источника полезного сигнала на предыдущем кадре. А именно, если на предыдущем кадре не произошло выделения источника полезного сигнала, то значение отношения сигнал/шум уменьшается на фиксированную величину. В противном случае происходит увеличение значения сигнал/шум на фиксированную величину. На выходе блока расчета отношения сигнал/шум осуществляется проверка допустимых значений полученного отношения сигнал/шум. Допустимая величина восприятия уровня полезного сигнала фотоприемником вычисляется с помощью умножителя (14) и блока суммирования (16) (блока вычитания (18)). В блоке сравнения «больше» (17) (блоке сравнения «меньше» (19)) для дальнейшей обработки отбираются только те элементы изображения, уровень сигнала которых больше (меньше) данной допустимой величины. Отобранные элементы изображения поступают в блок выделения связных областей (5), где происходит объединение смежных элементов изображения в связные области. В блоке расчета центров связных областей (6) вычисляются центры всех связных областей. Информация о количестве и координатах центров связных областей поступает на первый вход блока траекторной обработки (7), где связные области классифицируются на помехи и источник полезного сигнала по характеру движения их центров в течение нескольких кадров. Информация о том, произошло ли выделение источника полезного сигнала, а также информация, выдаваемая в блок выделения координат (8), запоминается в запоминающем блоке (10). Эта информация используется для последующего использования в блоке пороговой обработки (а именно в блоке (15)) при расчете отношения сигнал/шум для следующего кадра, а также в блоке экстраполяции (11), где на основании координат источника на предыдущем кадре предсказываются координаты источника на текущем кадре. Экстраполированные координаты поступают на второй вход блока траекторной обработки (7). В случае отсутствия выделения источника полезного сигнала в блоке траекторной обработки в качестве координат источника полезного сигнала принимаются экстраполированные координаты. Выходной сигнал с блока траекторной обработки содержит информацию о линейных отклонениях источника полезного сигнала относительно линии прицеливания, которая поступает в блок выделения координат (8). После преобразования блок выделения координат вырабатывает сигналы, соответствующие линейным отклонениям управляемой ракеты от линии прицеливания. Значения сигналов, пропорциональные отклонению управляемой ракеты от линии прицеливания по курсу и тангажу, с выхода блока выделения координат поступают на блок формирования команд (9), где преобразуются в сигналы управления ракетой.
В предлагаемой системе наведения управляемой ракеты объектив, блок выделения координат, блок формирования команд могут быть выполнены как в прототипе. Фотоприемник матричного типа может быть выполнен на основе высокочастотной ПЗС-матрицы или микроболометрической матрицы [2]. Блок нормализации изображения, блок пороговой обработки, блок выделения связных областей, блок расчета центров связных областей, блок траекторной обработки, блок экстраполяции и запоминающий блок могут быть выполнены на основе сигнальных микропроцессоров [4] и программируемых логических интегральных схем [5].
Обосновать работу системы наведения можно следующим образом.
ij
ij
1j
1j
i
ij
В блоке нормализации изображения (3) устраняется структурный шум в виде строчных (столбцовых) неоднородностей на изображении ФЦО. Например, в случае строчных неоднородностей можно сравнивать средние значения уровней элементов строк по каждой паре соседних строк изображения ФЦО. А именно, пусть F - уровень элемента исходного изображения, в котором М строк и N столбцов, R - результат преобразования. Значения уровней элементов первой строки не преобразуются: R=F. Затем для каждого i определяется число N таких элементов F, для которых выполняется условие . Здесь  - среднее по строке, S - параметр метода. Определим строчное отклонение: .
Тогда результирующее изображение:
Далее к изображению применяется фильтр с целью устранения некоррелированного шума [6]. Таким образом, происходит нормализация изображения ФЦО.
a
a
a
Нормализованное изображение ФЦО поступает на первый вход блока пороговой обработки (4). В блоке оценки среднего уровня изображения (12) формируется выборочное среднее  по изображению. В блоке оценки среднеквадратического отклонения (13) формируется выборочное среднеквадратическое отклонение σ по изображению. В блоке расчета отношения сигнал/шум (15) формируется текущее отношение сигнал/шум К по изображению. Допустимая величина восприятия уровня полезного сигнала фотоприемником вычисляется как +Kσ для блока сравнения «больше» (17) (+Kσ для блока сравнения «меньше» (19)) с помощью умножителя (14) и блока суммирования (16) (блока вычитания (18)). В блоке сравнения «больше» (17) (блоке сравнения «меньше» (19)) для дальнейшей обработки отбираются только те элементы изображения, уровень сигнала которых больше (меньше) данной допустимой величины. Таким образом, происходит отбор элементов изображения с положительным и/или отрицательным контрастом.
0
n
n-1
n
n-1
n
n-1
min
max
min
max
Расчет отношения сигнал/шум производится в блоке (15) на основании априорного значения отношения сигнал/шум К, вводимого перед стартом управляемой ракеты, а также на основании информации из запоминающего блока (10) о том, произошло ли выделение источника полезного сигнала на предыдущем кадре. А именно, если на предыдущем кадре не произошло выделения источника полезного сигнала, то текущее значение отношения сигнал/шум K уменьшается на фиксированную величину δ по сравнению с предыдущим значением отношения сигнал/шум K: K=K-δ. B противном случае происходит увеличение значения сигнал/шум на фиксированную величину: K=K+δ. На выходе блока расчета отношения сигнал/шум (15) осуществляется проверка допустимых значений полученного отношения сигнал/шум с тем, чтобы K≤K≤K, где K и K - заданные константы. Таким образом, осуществляется адаптивное управление допустимой величиной восприятия уровня полезного сигнала фотоприемником.
ij
i-1j
i+1j
ij-1
ij+1
Отобранные элементы изображения поступают в блок выделения связных областей (5), где происходит объединение смежных элементов изображения в связные области. Элементами изображения, смежными с данным R можно считать следующие: R, R, R, R. Выделенные связные области передаются в блок расчета центров связных областей (6). В блоке расчета центров связных областей (6) вычисляются центры выделенных связных областей. Информация о координатах центров связных областей поступает на первый вход блока траекторной обработки (7), где связные области классифицируются на помехи и источник полезного сигнала. Отличительными особенностями источника полезного сигнала могут быть скорость перемещения и траектория движения центра связной области в течение нескольких кадров. Таким образом, появляется возможность отстройки от оптических помех.
e
e
e
e
В случае выделения источника полезного сигнала в блоке траекторной обработки (7) выставляется флаг s=1, в противном случае - сбрасывается s=0. При s=1 выходной сигнал с блока траекторной обработки содержит информацию о линейных отклонениях (X,Y) выделенного источника полезного сигнала относительно линии прицеливания. При s=0 в качестве выходного сигнала с блока траекторной обработки принимаются экстраполированные координаты (X,Y), поступившие с блока экстраполяции (11). Текущие значения s и (X,Y) запоминаются в запоминающем блоке (10). Значение s используется для последующего использования в блоке пороговой обработки (а именно в блоке (15)) при расчете отношения сигнал/шум для следующего кадра. Линейные отклонения (X,Y) с предыдущего кадра используются в блоке экстраполяции для предсказания линейных отклонений (X,Y) источника полезного сигнала относительно линии прицеливания на текущем кадре. Таким образом, при отсутствии выделения источника полезного сигнала происходит выдача экстраполированных координат.
Таким образом, предлагаемая система наведения обеспечивает повышение качества и надежности процесса наведения управляемой ракеты без изменения конструкции самой ракеты, селекцию источника с произвольным контрастом сигнала на фоне шумов, адаптивное управление допустимой величиной восприятия уровня полезного сигнала фотоприемником, выделение координат центров всех связных областей контрастных объектов, выдачу экстраполированных координат при отсутствии выделения источника полезного сигнала.
Следовательно, использование новых элементов, соединенных в соответствии с фиг.1 и фиг.2 в предлагаемой системе наведения управляемой ракеты, выгодно отличает ее от прототипа.
Библиография
1. Шипунов А.Г., Степаничев И.В., Погорельский С.Л., Галантэ А.И., Пальцев М.В., Понятский В.М., Чинарев А.В., Карамов С.В., Тикменов В.Н. Способ наведения управляемой ракеты и система наведения для его реализации. Патент РФ №2258887 МПК F41G 7/00 от 20.08.2005.
2. Тришенков М.А. Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. - М.: Радио и связь, 1992. - 400 с: ил.
3. Злобин В.К., Еремеев В.В. Обработка аэрокосмических изображений. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 288 с.
4. Солонина А.И., Улахович Д.А., Яковлев Л.А. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 464 с: ил.
5. Зотов В.Ю. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы XILINX. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 520 с: ил.
6. Методы компьютерной обработки изображений / Под ред. В.А.Сойфера. - 2-е изд., испр. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 784 с.