基于频谱传播差异的目标距离估计

发布时间：2020-04-07 21:25

【摘要】：随着现代军事技术的发展,对地面目标和空中目标距离的精确测量显得尤为重要,高精度的测距系统能够提高防空系统对来犯目标的攻击性能,极大地增强我国的国防实力。武器系统逐渐向着高速化、智能化和隐身化等方向发展,传统雷达等电子探测设备已经不能满足现代战争的要求。随着光电技术的发展,针对大气传输特性的相关研究也愈发的深入,基于频谱传播差异的被动红外系统因其隐蔽性能好、辨伪能力和抗干扰能力强等特性,在探测与预警中占有愈发重要的地位。本文从测量空中目标距离出发,以红外光电探测原理为技术手段,以设计微弱信号检测放大电路为主要目标,设计一套中波窗口双波段被动测距系统。通过仿真及实测结果可以看出,该系统能够有效精确地放大微弱光电信号,并准确地预测目标距离。本论文重点研究中波窗口双波段被动测距系统,具体内容包括:1.针对红外光电系统的组成进行研究,对热型和光子型两类红外探测器的性能进行比较,选择合适的红外探测器,通过探测器的响应率获得红外探测器的微弱电流输出值,为后续的硬件电路设计提供参考。针对本文要检测的微弱电流信号,设计了基于InAsSb光伏型红外探测器的微弱信号调理电路,包括电源转换电路、光电转换前置放大电路、二级放大电路、AD转换电路、DSP主控电路和数据传输电路等;对电路中红外探测器和前置放大器的噪声源进行分析,结合理论采用标准电路搭建光电二极管的等效噪声模型和前置放大器的E_n-I_n模型,根据“叠加原理”,估算光电检测电路的整体噪声。2.分析目标距离的相关光谱特征。对四种气象条件下目标在中波窗口和长波窗口的原始光谱与差分光谱进行相关性分析,结合不同窗口辐射通量与距离的相关系数和iPLS回归均方根误差两种性能指标,找到建模精度更高的光谱区间,计算300~900K的黑体在不同窗口的辐射通量,结合维恩位移定律,最终确定采用中波双窄带方案。为了克服前人提出的非线性测距模型在迭代过程中受初值的影响大且存在多个解以及模型泛化能力差等缺点,本文提出一种改进的Elman神经网络被动测距算法,通过与传统Elman神经网络算法、OIF-Elman神经网络算法、OHF-Elman神经网络算法和非线性测距模型进行对比仿真,结果表明,本文提出的测距算法收敛速度更快,测距精度更高。3.对硬件电路测试进行描述,在Multisim14.0平台上完成电路仿真,结果显示50Hz工频陷波电路能够有效地滤除50Hz干扰信号,光电转换电路和二级放大电路能够达到微弱信号放大的目的;对红外探测器进行黑体标定校准,记录其温度-电压值,并对温度-电压进行最小二乘拟合,保证实验的准确度;在CCS8.0开发环境下编写基于TMS320F28335芯片的AD采样、中位值平均滤波、数据传输和改进Elman神经网络测距算法等程序,将编译好的工程文件烧写到DSP预测距离,通过串口RS232将距离预测值发送到PC端,结果显示本文算法对1~8km目标的距离预测更精确,且测距误差控制在15%以内。
【图文】：

红外探测器,实物,探测器,基本性能参数

西安电子科技大学硕士学位论文外探测器的选择探测器时应满足：探测器与目标辐射源及光学系统在灵敏度、响应速度快、良好的线性度、低噪声和较小本系统使用的是日本滨松公司生产的 P13243-011C器，具有 DIP 封装和 SOP 封装，为了减小探测电路物如图 2.5 所示，基本性能参数如表 2.2 所示。

关系曲线,转换率,探测器,波长

波长为1.55 m时，其感光灵敏度曲线如图 2.7 所示；工作温度动态范围广，能够适应不同的环境温度，在军用和民用等方面都有广泛的应用。图2.6 探测器的波长与转换率关系曲线图2.7 探测器的光电转换曲线2.3 红外探测器的能量分析通过上一节选择的灵敏度高、响应速度快的 InAsSb 红外探测器，根据红外探测器的能量转换特性，对红外探测器获得的能量进行计算，得到红外探测器输出的微弱电流，为后续的硬件电路设计提供参考。2.3.1 红外探测器的入射辐射计算根据红外探测器的基本参数，计算得到红外探测器的入射辐射值。根据基尔霍夫定律(2-2)和普朗克公式(2-3)，温度为 T 的目标产生的光谱辐射通量密度为：215/( ) 1( , )1c kTcM Te (2-8)其中，， ( )表示物体的发射率，它的范围在[0,1]之间
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN215

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