论文摘要
为解决弹药测试领域无法追踪拍摄运动弹丸图像的问题,本文研究了利用一面可控制旋转的反射镜来拍摄高速运动弹丸的追踪摄影技术。可以追踪拍摄弹丸飞行40m—300m距离的弹丸轨迹和姿态。该技术的应用对于研究弹丸飞行姿态、飞行稳定性及弹丸参数的测量具有重要的意义,可以用于追踪记录弹丸的滚转、章动、尾翼张开、脉冲点火等过程。本项研究不仅可以应用到常规武器弹药研究领域,也可以应用到火箭、火箭助推器、导弹发射滑轨追踪测试等研究领域。文章首先对追踪摄影系统的总体进行了设计,对镜反射式追踪拍摄原理进行了研究;依据对弹丸轨迹的预估方式不同,对计算式估计追踪拍摄系统、多线阵CCD探测预估追踪拍摄系统、高速面阵CCD探测预估追踪拍摄系统、融合观测器探测预估追踪拍摄系统进行了系统组合形式设计分析,确定了以融合观测器探测预估追踪拍摄系统为基础作为本文的研究对象,并对系统组成进行了设计。对转镜系统结构进行研究,分析了单电机结构与双电机结构,并通过对比双电机结构的两种不同组成形式确定了以方位追踪角主导的结构体系。对系统相关参数进行了推导,研究了视场及弹丸图像的变化规律;引入了画面比例因数,并研究了画面比例因数对各参数的影响;对追踪角度允许误差公式进行了推导,并推演出追踪角误差的临界值;对弹丸运动过程中的最大角速度角加速度进行了推导,建立了追踪角最大角速度角加速度与追踪角的对应关系,使之与弹丸飞行时间相脱离,方便了求解过程;对触发转镜系统的方式进行了分析,方便在实际应用中针对不同情况进行选择;对参数选择原则进行了分析,以便于实际拍摄中协调个参数的取值。进行了弹丸近距弹道的简化,并验证了简化成匀加速运动的可行性。对基于高速线阵CCD阵列的弹丸飞行探测预估方法进行研究,提出研究了多线阵CCD阵列离线测量弹丸速度、弹道的方法;研究分析了测时偏差的分布规律,得出了测时偏差符合正态分布的规律,并推导出测试偏差的经验公式;通过仿真研究得出了CCD拍摄帧频越高越测算位置误差越小的规律;提出了基于弹形恢复的测时修正方法;对线阵CCD阵列的布局进行优化测试方面的研究,得出了适当拉大第一个与最后一个线阵CCD阵列的距离有助于减小测算位置误差的结论;通过仿真得到在有测时偏差情况下的测速误差为0.01%,修正测时偏差后测速精度达到0.005%的仿真结果;对修正方法进行研究,设计了基于特征库查询的直径比例法,可用来生成匹配模型数据库来推算弹丸头部位置实时进行测时修正。对高速面阵CCD探测预估的方法进行研究,针对弹丸运动特点建立了弹丸运动的“当前”统计模型;求取了适用于滤波的坐标观测量和角度观测量;将坐标观测量作为观测量进行了“当前”统计模型自适应卡尔曼滤波仿真;将角度观测量作为观测量进行了“当前”统计模型推广自适应卡尔曼滤波仿真;通过对比确定了采用以坐标观测量作为观测量的“当前”统计模型自适应卡尔曼滤波作为高速面阵CCD对弹丸轨迹预估的方法;针对于弹丸飞出视场,高速面阵CCD无法对弹丸图像进行处理的情况,研究了探测量缺失补偿的方法。分别对离线数据理论计算补偿法、高速线阵CCD阵列补偿法、高速面阵CCD自适应补偿算法进行了仿真分析,得到了高速线阵CCD阵列补偿法最优、离线数据理论计算补偿法其次、高速面阵CCD自适应补偿算法较差的结论;研究了将高速线阵CCD阵列与高速面阵CCD阵列探测预估结果相融合的方法,对平均法、最小二乘加权融合法进行了仿真研究,并对最小二乘加权融合法两种确定权值的方式与平均法进行了对比,对比结果显示最小二乘加权融合法的效果并不明显,应考虑计算量小,效果较好的平均法。对转镜系统进行了原理样机设计,并进行了原理性试验验证。设计了转镜系统典型输入信号,引入了追踪比度的概念,推导出了适合于高速追踪摄影的转镜系统的典型输入信号的构成形式;进行了原理样机的搭建,组建了交流伺服转镜系统;对交流伺服转镜系统的传递函数进行了求取;对控制器的PID加前馈复合算法进行了仿真,并根据仿真结果拟合出追踪角误差的峰值曲线经验公式与波动值曲线经验公式;为改进控制算法,设计新型控制器提供理论算法参考,将智能PID规则进行改进,将时间相关作为部分规则,并进行仿真,仿真结果表明采用智能PID控制追踪精度明显提高;对弹丸自由落体追踪摄影实验及弹丸平射追踪摄影实验的结果表明本文所研究建立的追踪摄影方法可行。
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标签：反射镜论文; 追踪摄影论文; 弹丸飞行姿态论文; 高速线阵阵列论文; 高速面阵论文; 测时修正论文; 弹丸轨迹论文;