双视场焦平面热像仪精确定位研究

摘要

目前，我国防空部队夜间作战仍主要靠雷达来探测目标。然而，防空部队配备的雷达性能大都较为落后，工作中容易受到电磁干扰，并容易受到敌方导弹的攻击，因此，对以非制冷焦平面热像仪为核心的低空红外预警系统的研究与设计具有重大意义。 双视场热像仪在大视场模式下可用于观察大的场景区域、搜索疑似目标，在小视场模式下可用于仔细观察或放大目标，对目标进行识别、跟踪与瞄准，完成定焦系统不可能完成的任务。传统的手动调焦依靠人的目测和手调，耗时长，可重复性小；而实际应用中，需要热像仪能准确迅速的定位到“图像预置点”，因此本文开展了对非制冷焦平面热像仪双视场与焦距定位的研究。 本文首先对非制冷焦平面热像仪大小视场切换、焦距定位的原理进行了分析，针对现有的硬件和结构空间的限制，本文采用改进的非线性变速积分PID算法，构造闭环位置反馈控制来实现焦距定位，并使用光电编码器来提供电机的位置反馈，检测容易，精度高。 本文结合实际需求与设计成本两方面进行考虑，选用低功耗16位微控制器MSP430F157与Altera公司的CPLD EPM1270T144C5，设计了非制冷焦平面热像仪焦距定位控制系统的硬件电路，利用硬件描述语言（VHDL）在CPLD中实现了编码器4倍频与防抖动滤波算法，提高了定位的精度与抗干扰能力，较之传统采用RC电路及门电路来完成对编码器反馈信号处理的方法，提高了系统的稳定性和灵活性。为了克服调焦齿轮磨损后间隙变大而引起定位精度变差，图像不清楚的问题，本文开展了对自动调焦算法的研究，选取了合适的焦距评价函数，并详细介绍了优化的登山搜索算法的原理和实现方法，该算法能有效的排除调焦评价函数局部极值的干扰，使自动调焦效果的可靠性得到提高。 本文最后对所设计的焦距定位系统进行了测试，包括非线性变速积分PID控制测试，优化的爬山搜索算法仿真测试、焦距定位与视场切换功能测试，经过试验结果验证，该系统能完成稳定的大小视场模式切换和精确的焦距定位控制（定位误差小于2个脉冲），很好的满足了实际需求。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词注释表

声明

第1章绪论

1.1红外热像仪成像原理与应用

1.2红外热像仪发展历史及非制冷焦平面阵列发展现状

1.3研制具有双视场和焦距定位功能热像仪的必要性

1.4本文的主要研究内容和章节安排

第2章双视场焦距定位控制系统方案

2.1非制冷焦平面热像仪电路结构

2.1.1前端驱动

2.1.2信号处理与控制电路

2.1.3电源电路

2.2双视场焦距定位控制系统总体方案

2.3双视场焦距定位控制系统实现

2.3.1双视场焦距定位控制系统参数

2.3.2双视场焦距定位系统工作原理与实现

2.3.3硬件选型

2.3.4总体控制方案设计

2.4本章小结

第3章双视场焦距定位系统硬件电路设计

3.1 16位微控制器的工作电路

3.1.1电源与时钟电路

3.1.2下载调试与复位电路

3.2 CPLD工作电路

3.2.1电源电路

3.2.2 JTAG下载电路

3.2.3时钟电路

3.3 FPGA工作电路

3.3.1电源电路

3.3.2 FPGA的配置方式

3.3.3时钟电路

3.4直流力矩电机及其驱动反馈

3.4.1直流力矩电机驱动原理

3.4.2光电编码器原理及应用电路

3.5其它电路

3.5.1通讯电路

3.5.2缓冲电路

3.5.3电源电路

3.6本章小结

第4章双视场焦距定位控制系统软件设计

4.1双视场焦距定位控制系统软件设计总体方案

4.2 CPLD控制软件设计

4.2.1 FPGA/CPLD开发设计流程

4.2.2时钟和SPI通讯模块

4.2.3编码器模块

4.2.4命令解析模块

4.2.5 PWM初始化模块

4.2.6 PWM驱动模块

4.2.7模式选择模块

4.3 16位MCU控制软件设计

4.3.1串口通讯软件设计

4.3.2上位机串口通讯软件

4.3.3模拟SPI通讯协议

4.4本章小结

第5章非线性变速积分PID控制模块与自动调焦算法设计

5.1非线性变速积分PID运算模块实现

5.1.1传统PID控制算法

5.1.2非线性变速积分PID控制算法

5.1.3非线性变速积分PID算法参数整定

5.2自动调焦算法

5.2.1自动调焦方法分类

5.2.2基于被测目标图像的自动调焦方法原理

5.2.3调焦评价函数的选取

5.2.4优化登山搜索算法

5.3本章小结

第6章双视场焦距定位系统检验与试验结果

6.1系统的检验

6.1.1定位精度的检验

6.1.2系统的响应时间

6.2系统的实际效果

第7章结束语

7.1本文总结

7.2下一步的工作

附 录

参考文献

致谢