红外热像仪在水平空投系统的应用研究

　　0 引 言

　　空投技术是一种非常重要的部队投送及物资补给手段, 在现代战争中发挥着不可或缺的作用。但是,传统的空投行动容易受气候环境的影响, 在恶劣的天气或低能见度情况下无法实施空投行动, 容易偏离预定着陆区, 且现有空投技术仍采用目视光学系统进行瞄准, 夜间空投难度较大, 技术较为落后, 已无法适应现代化空投的要求。现代光电吊舱技术发展迅速, 因其加载了红外热成像仪, 从而可以实现夜间观测。光电吊舱是武装直升机、运输机、巡逻机以及轰炸机等跟踪捕获目标的重要装置, 现有光电吊舱测角精度和视轴稳定精度较高、探测距离较远、可手动或自动对目标进行跟踪、实时测距、夜间观测。

　　1 典型的光电吊舱概述[1-2]

　　经过多年的发展, 现代光电吊舱已经发展到了第3 代, 普遍采用多传感器布置, 具有昼夜成像和实时测距的能力, 可见光传感器为彩色 CCD, 热像仪为第2 代长波线列或第 3 代中波面阵传感器, 光学系统为多视场, 焦距较长; 为满足分辨率的提高对带宽的要求, 突破模拟视频的 PAL/NTSC 标准, 采用数字视频格式。稳定平台采用全数字控制, 深化信息处理的层次, 运用了数据融合技术。采用速率陀螺( 机械式或光纤陀螺) 作为稳定平台测量元件, 提高了稳定平台的运行可靠性。控制系统的完善使稳定精度达到了 20～40 μrad 的水平。按结构特点分为四轴和两轴两大类。

　　2 光电瞄准空投系统的数学模型[3-4]

　　2.1 水平空投数学模型

　　(1) 用测角/距法判定飞机与目标的相关位置

　　使用光学空投瞄准具时, 为了便于表示目标相对飞机的位置, 常选取图 1 所示空间直角坐标系为参考坐标系, 也称之为水平坐标系: 以飞机为坐标原点, 使 Z 轴垂直向下, X轴与飞机的地速(W) 方向一致。目标 M 相对飞机的位置可用该目标在 O-XYZ 坐标系的 3 个轴上的投影值(x, y, z)来表示。在飞机的运动过程中, 可以测出空投目标 M 在动坐标系 O"XYZ 坐标中的瞬时值。

　　从图 1 可以看出: Z 值就是空投高度( H) , 水平空投时保持不变, 常以观测角 β来反映目标的纵向距离x, 用观测线倾斜角 ν来反映目标的横向距离 y, 其关系分别为:

　　在空投过程中, 这种通过测量角度来判定目标相对飞机的相对位置的方法叫测角法。将观测线倾斜角ν与观测角 β变换成距离, 以此来判定目标相对飞机的相对位置的方法叫测距法。

　　(2) 水平空投瞄准图和瞄准角的计算

　　图 2 是有风时水平空投不带伞物资的瞄准图。通常低空空投时, 认定飞机所在高度范围的风场是固定不变的。图中, OBB1O1为无风时, 物资空投的轨迹所在平面; OEE1O1为侧向有风时物资空投轨迹所在平面; V 为飞机空速; W 为飞机相对地面空投目 标的速度, 它是风速与空速的合成速度; M 点为空投目标点; α为偏流角, 它是飞机空速 V 与地速 W 的夹角;坐标原点 O 即为空投点。根据测角法原理, 目标点 M相对飞机的位置用瞄准角 φ和侧向瞄准角 μ来表示。由图中几何关系, 易得: