卡尔曼滤波器在光电经纬仪中的应用

　　电视跟踪系统是目前靶场及武器系统中大量采用的一种对目标精密跟踪的系统,具有较高的稳定性、可靠性和抗干扰性.广泛应用于对目标的侦查、跟踪、测量和定位.但也存在一些难以克服的问题.

　　1)电视脱靶量滞后问题

　　电视跟踪器由摄像机和信号处理电路组成,是一个误差检测元件.从目标在摄像机靶面上成像到脱靶量输出,中间经光电转换、信号处理、数据采集存储、多种跟踪算法运算和传输等环节,使得输出到伺服系统的脱靶量滞后于目标成像时间.电视跟踪器时间滞后,使系统超调量加大,过渡时间加长,在跟踪快速运动目标时,该滞后量必然影响控制系统的稳定性和跟踪精度.利用前馈控制可以提高跟踪精度,但前馈控制需要目标的角速度信号,而在电视跟踪系统中目标的角速度、角加速度无法直接得到.如果对目标位置用微分滤波的方法求取目标速度,由于电视与编码器采样时间不同步,经微分运算将产生更大的干扰,达不到很好的实际效果.

　　2)目标丢失问题

　　电视跟踪系统是利用电视成像技术对目标进行实时跟踪,当目标进入视场内,通过质心、边缘以及相关跟踪算法,完成目标识别和对运动参数的获取,在正常情况下能够稳定跟踪运动目标.但是,当视场内有云层,信号衰落、设备故障等某些特殊条件出现时,会造成目标在视场内丢失,导致跟踪失败.为了能使跟踪系统正常工作,要求跟踪系统具有记忆跟踪的能力,利用目标逸出视场前的目标信息估计出下一时刻目标的飞行轨迹,使系统保持连续跟踪.

　　为解决以上问题,采用卡尔曼预测滤波方法.卡尔曼滤波方法是利用计算机对接收的传感器的测量数据进行滤波,从而得到精确的目标位置、位置预测值、速度等.通过前一时刻的目标信息和已知的滞后量,预推出当前时刻目标信息,克服目标信息的滞后对控制系统的影响;当目标丢失时,电视跟踪系统按照预测的目标位置、速度信息移动,使伺服系统仍能按目标的运动轨迹继续跟踪,直到再次捕获并跟踪目标,从而实现对目标的连续跟踪.

　　卡尔曼滤波技术在轨道测量、组合导航、雷达跟踪[1]等方面得到应用,而在光电跟踪系统[2]提出利用有限记忆法和卡尔曼滤波器解决电视脱靶量滞后,但没有具体提出卡尔曼滤波算法.此外,光电经纬仪的目标跟踪属于非线性估计问题.在解决非线性滤波方面,经常使用的滤波方法为EKF法[3],适用于弱非线性系统;而转换变量卡尔曼滤波方法[4](CMKF)是将非线性近似为线性化的方法,当目标距离较远时,会产生较大的线性误差.本文根据光电经纬仪跟踪系统的特点,结合卡尔曼滤波技术,提出极坐标下卡尔曼滤波算法.