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1、10申请公布号CN104063623A43申请公布日20140924CN104063623A21申请号201410324054322申请日20140709G06F19/00201101G05D1/1220060171申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号72发明人杨照华蒋雯彭宏韬李大鹏54发明名称一种基于量子成像的飞行器预测制导方案57摘要一种基于量子成像的飞行器预测制导方案，涉及基于光学成像制导技术领域。目前制约飞行器制导精度主要有两个因素一是目标探测分辨率不高，容易受散射粒子的影响，极弱光下难以成像；二是对机动目标无法实现快速跟踪、制导。本发明提出一种量子成像飞行器。
2、预测制导方案，通过纪录辐射场分布的强度、位相的空间涨落进行关联成像，提高成像分辨率，但从图像得到的量测数据更新率不高，为此采用预测制导律，这样可弥补量子成像的数据更新率过低导致的飞行器制导精度下降的不足。本方案量子成像可突破衍射极限的限制，分辨率可达到微米量级，结合预测制导律，可提高对机动目标的制导能力。这种制导方式精度高，抗干扰能力强，适合机动目标飞行器制导。51INTCL权利要求书2页说明书8页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书8页附图2页10申请公布号CN104063623ACN104063623A1/2页21一种基于量子成像的飞行器预测制导方案。
3、，其特征在于1利用目标反射波的辐射场分布的强度、相位的空间涨落进行关联成像制导；2制导方式采用基于随机预测控制的制导方法。1一种基于量子成像的飞行器预测制导方案，其特征在于利用目标空间强度涨落的二阶关联进行成像，并通过计算得到制导目标的视线角。成像系统二阶关联符合的数学模型，描述如下G2X1,X2E1X1E2X2E2X2E1X1H1X1,X0H2X2,X0H2X2,X0”H1X1,X0”1E0X0E0X0E0X0”E0X0”DX0DX0DX0”DX0”式中H1X1,X0和H2X2,X0描述物臂和参考臂的传递函数，E1X1和E2X2分别表示物臂和参考臂探测器的光场强度。G2X1,X2描述了赝热光。
4、源所成的像，它是一个二阶函数，包含了光场的脉动分布、相位信息及两路光的关联信息，从原理上比一阶成像系统测量的信息更多说明了量子成像系统具有很强的抗干扰能力。成像后经过图像处理和目标提取得到目标的中心，在T时刻图像中的像素坐标为AT,BT，视场的光轴坐标为0，0，假设视线角用来表示，光学系统的焦距为F。则飞行器与目标的视线角，公式描述如下视线角速度为2一种基于量子成像的飞行器预测制导方案，其特征在于利用随机预测方法进行量子成像制导。针对大机动目标，要求成像数据更新率要快，采用一种基于模型的优化控制的预测控制，根据对象的历史信息和未来输入预测未来输出，具有良好的鲁棒性，弥补量子成像的数据更新率过低。
5、导致的飞行器制导精度下降。飞行器上的观测系统包括量测目标的视线角速度和目标机动指示器，图像采样频率低于制导律更新率，则在没有从图像得到的测量值时使用预测制导估计值代替测量值。飞行器相对目标的平面运动，即铅垂面和水平面的数学模型可以表示为4KKK式中，K为视线角速度；TTK1TK为采样步长；为剩余时间，为飞行器与目标之间的距离，为相对运动速度；UK是以角速度为量纲的控制信号；DK为目标机动及干扰参数，如目标作机动ATK是目标的法向加速度；K为由目标运动产生的噪声误差，K为中心离散高斯白噪声，且量测噪声强度远小于由目标运动产生的噪声的强度。随机预测制导律权利要求书CN104063623A2/2页3。
6、式中，AM为飞行器法向需用过载，LT为预测时间，,为相应于运动轨迹和能量损失的权系数，AT为目标法向加速度，一般可通过估计算法获得，为飞行器目标视线角速度的滤波估计值。权利要求书CN104063623A1/8页4一种基于量子成像的飞行器预测制导方案技术领域0001一种基于量子成像的飞行器预测制导方案，涉及光学成像与飞行器制导技术领域。背景技术0002目前在飞行器末制导领域主要使用及大力发展的成像制导技术是红外成像制导和激光成像制导。红外成像是一种实时扫描红外成像技术，探测的是目标和背景间微小的误差或辐射频率差引起的辐射分布图像。随着红外探测技术的飞速发展，红外成像制导称为发展的潮流，但同时其面。
7、临的干扰环境也发展成熟。一是自然干扰，强烈的阳光辐射干扰红外系统，使飞行器迷失目标；二是人为干扰，如气熔胶，隐身技术，诱饵弹，干扰机以及激光致盲等。激光成像也因为激光具有单色性好、方向性强、能量集中等物理特点得到了长足发展。但激光光束易受云、雾和烟尘的影响，不能全天候使用，同时它的成像分辨率低，极弱背景下难以成像，这也导致预警距离变短。制导方法主要采用的是基于比例导引及其扩展方法，更适合固定目标和移动速度很慢的目标。0003量子成像技术是量子物理与成像技术的交叉前沿技术，自二十世纪九十年代被发现以来，因其具有高分辨率、非局域性的特点引起了极大的关注，在生命科学、信息技术等领域有着广泛的应用前景。
8、。随着量子保密通信、量子隐形传态、量子计算机等技术的迅猛发展，量子成像技术这个融合了量子力学、量子光学、数学、计算机科学等多个学科的技术成为了21世纪最具吸引力和魅力的前沿领域之一。目前尚未见到量子成像在制导领域中的相关应用。0004量子成像是通过辐射场分布的强度、位相和空间涨落关联来得到物体的像。利用量子力学性质，从量子成像机理上突破了衍射极限的限制，可以在极弱的光强、复杂的环境中实现波谱段极窄条件下的成像，突破了传统成像受云、雾和烟尘的影响较大，无法全天候工作的环境因素制约。0005制导是指导弹、飞机、空间武器等飞行器在飞行过程中，克服各种干扰因素，使之按照选定的制导律或者预定的规定轨迹导。
9、引飞行器飞向目标的过程。制导律描述的是飞行器接近目标的整个飞行过程中所应遵循的运动规律，制导律的设计是飞行器实现精确制导的关键技术。设计制导律的目的是消除任何可能出现的视线角速度。最经典的方法是比例导引法，在其基础上有扩展比例导引，广义比例导引等。目前广泛使用的是比例导引法及其改进方法，这些方法更适用于固定目标导引，对于大机动目标却无能为力。而针对机动目标的制导律，应在飞行器指令加速度中含一个与目标加速度估计有关的比例项，以适应机动目标的制导，确保在快速跟踪目标的同时实施精确打击。发明内容0006本发明的目的是提供一种全新的量子成像飞行器预测制导方案。方案解决步骤如下1利用目标反射波的辐射场分。
10、布的强度、相位的空间涨落进行关联成像，计算得到视说明书CN104063623A2/8页5线角速率；2制导方式采用基于随机预测控制的制导方法。00071利用空间强度涨落的二阶关联进行成像，并通过计算得到制导目标的视线角。量子成像中的光源采用赝热光成像，在地基的泵浦激光照射到旋转的毛玻璃上进行退相干后，照射到目标上，经目标反射后反射波透过飞行器的光学系统，通过分束器将光分成两束，一路照射到物体上，利用没有空间分辨能力的探测器D1进行探测，另一路直接照射到具有空间探测能力的探测器D2上，通过后续的计算符合就能得到具高分辨率图像。0008激光器经过毛玻璃的退相干处理之后，在输出平面上光场的横向分布为0。
11、009EIXIHIXI,X0E0X0DX0I1,210010其中E0X0为光源平面的光场，输出平面上的光场强度分布为0011IIXEIXEIXHIX,X0HIX,X0E0X0E0X0DX0DX020012成像系统二阶关联符合的数学模型，描述如下0013G2X1,X2E1X1E2X2E2X2E1X10014H1X1,X0H2X2,X0H2X2,X0”H1X1,X0”30015E0X0E0X0E0X0”E0X0”DX0DX0DX0”DX0”0016式中H1X1,X0和H2X2,X0描述物臂和参考臂的传递函数，E1X1和E2X2分别表示物臂和参考臂探测器的光场强度。G2X1,X2描述了赝热光源所成的。
12、像，它是一个二阶函数，包含了光场的脉动分布、相位信息及两路光的关联信息，从原理上比一阶成像系统测量的信息更多，因此从原理上说明了量子成像系统具有很强的抗干扰能力。0017成像后经过图像处理和目标提取得到目标的中心，在T时刻图像中的像素坐标为AT,BT，视场的光轴坐标为0，0，目标像点在探测器上的位置与目标在空间相对导引头光轴的位置相对应。0018假设目标视线与光轴的夹角即偏差角用来表示，当偏差角时，目标成像于坐标原点O点；当时，目标像点偏离O点。设像点与测量坐标系原点距离为，由于是个很小的角，则有00190020即距离与偏差角的大小成比例，比例系数F为光学系统的焦距。0021则飞行器与目标的视。
13、线角，公式描述如下，00220023视线角速度为002400252目前飞行器上计算机处理能力相对量子成像的计算要求是有限的，这导致量测数据更新率不高，为此采取基于预测制导的飞行器制导方式。预测控制是一种基于模型的优化控制策略，根据对象的历史信息和未来输入预测未来输出，具有良好的鲁棒性，将其应用于制导律设计，在利用高精度量子成像探测的同时设计随机预测制导律，弥补量子成说明书CN104063623A3/8页6像的数据更新率过低导致的飞行器制导精度下降。0026飞行器上的观测系统包括量测目标的视线角速度和目标机动指示器，一般情况下图像采样频率严重低于制导律更新率，则在没有从图像得到的测量值时使用预测。
14、制导估计值代替测量值。飞行器相对目标的平面运动，即铅垂面和水平面的数学模型可以表示为002770028KKK0029式中，K为视线角速度；TTK1TK为采样步长；为剩余时间，为飞行器与目标之间的距离，为相对运动速度；UK是以角速度为量纲的控制信号；DK为目标机动及干扰参数，如目标作机动ATK是目标的法向加速度；K为由目标运动产生的噪声误差，K为中心离散高斯白噪声，且量测噪声强度远小于由目标运动产生的噪声的强度。0030最优预测控制代价函数由下式确定00310032式中，LT为预测时间，,为相应于运动轨迹和能量损失的权系数，0,0。由于TK，所以令则状态方程可以转化为00330034最优预测代价。
15、函数为00350036根据滚动预测控制算法可得随机预测控制律为00370038其中，003900400041可解得00421400430044式中，C1为满足边界条件的常数。当T时，有稳态解00450046考虑到边界条件及滚动策略，将GT0LT0,T00代入可得说明书CN104063623A4/8页700470048最后，预测控制量为00490050代入可得随机预测制导律00510052式中，AM为飞行器法向需用过载，AT为目标法向加速度，一般可通过估计算法获得，为飞行器目标视线角速度的滤波估计值。随机预测制导律的第一项保证能够命中目标，第二项可以跟踪目标的机动。根据飞行器加速度的特性，可以看。
16、出随机预测制导律是传统的比例导引律的一种衍化。0053本发明与现有技术相比的优点在于00541经典成像记录的是辐射场平均光强或相位分布，量子成像记录的是辐射场分布的强度、相位和空间涨落的关联。经典成像系统是一阶系统，量子成像是二阶系统，描述目标信息的维度有所增加，因此量子成像的抗干扰能力从本质上优于经典成像的抗干扰能力；00552经典相干成像分辨率受制于系统衍射极限，分辨率较低；传统红外成像波长范围在105106M，光谱响应带宽在106M量级，而量子光谱成像的波段划分级别细致化到10101015M，光谱分辨率达到10101013M，单光子的桶探测器结合参考光即可成像，量子成像的辐射分辨率和空间。
17、分辨率等指标也有大幅度的提高；00563基于量子成像的预测制导，在利用高精度量子成像探测的同时设计随机预测制导律，弥补量子成像的数据更新率过低导致的飞行器制导精度下降，同时又可对抗机动目标，这种探测制导方式制导精度高，抗干扰能力强。现有的一些制导律对机动目标无法实现快速跟踪与制导，采取随机预测制导律，提高对机动目标的制导能力。附图说明0057图1为量子成像制导方案图；0058图2为量子成像原理图；0059图3为飞行器目标之间关系图；0060图4为量子成像飞行器预测制导空间布局图。具体实施方式0061下面结合附图详细说明本方案的具体实施方式。00621、基于预测制导律的飞行器总体方案。0063本。
18、方案的原理图如图1所示，具体包括目标指示系统、量子成像系统和制导系统。目标指示系统即地面激光照射系统，完成照射目标，调制目标方位及照射参考探测器的功能，目标的反射辐射波被物探测器接收；量子成像系统完成目标成像，获取角度信息的功能；制导系统实施预测制导律，完成制导指令生成，导引飞行器指向目标。说明书CN104063623A5/8页80064利用物探测器和参考探测器分别测到的由目标指示系统分束后的光场强度E1和E2，E1是由照射到物体上的激光，经反射后，利用没有空间分辨能力的探测器D1进行探测得到的光强，E2是直接照射到具有空间探测能力的探测器D2上得到的光强，根据空间强度涨落的二阶关联进行成像，。
19、并通过符合计算得到量子图像G2，经过目标提取可以得到图像的像素坐标，根据所得坐标值计算制导目标的视线角视线角的相关信息T作为制导律的输入，最终得到制导指令AM，导引飞行器按一定的轨迹飞行。0065利用高精度量子成像探测得到飞行器与目标的视线角，将其相关信息作为预测制导律的输入，完成基于量子成像的飞行器预测制导方法研究。使用量子成像的同时设计随机预测制导律，弥补量子成像的数据更新率过低导致的飞行器制导精度下降的不足。本方案量子成像可以突破衍射极限的限制，成像分辨率可达到微米量级，结合预测制导律的设计可提高对机动目标的制导能力。这种探测制导方式制导精度高，抗干扰能力强，适合机动目标飞行器探测制导。。
20、00662、量子成像光学系统方法0067图2详细描述了量子成像原理图，量子成像中的赝热光成像是将泵浦激光照射到旋转的毛玻璃上进行退相干后，通过分束器将光分成两束。激光器经过毛玻璃的退相干处理之后，在输出平面上光场的横向分布为0068EIXIHIXI,X0E0X0DX0I1,2190069其中E0X0为光源平面的光场，输出平面上的光场强度分布为0070IIXEIXEIXHIX,X0HIX,X0E0X0E0X0DX0DX0200071成像系统二阶关联符合的数学模型，描述如下0072G2X1,X2E1X1E2X2E2X2E1X10073H1X1,X0H2X2,X0H2X2,X0”H1X1,X0”21。
21、0074E0X0E0X0E0X0”E0X0”DX0DX0DX0”DX0”0075式中H1X1,X0和H2X2,X0描述物臂和参考臂的传递函数，E1X1和E2X2分别表示物臂和参考臂探测器的光场强度。G2X1,X2描述了赝热光源所成的像，它是一个二阶函数，包含了光场的脉动分布、相位信息及两路光的关联信息，从原理上比一阶成像系统测量的信息更多，因此从原理上说明了量子成像系统具有很强的抗干扰能力。0076成像后经过图像处理和目标提取得到目标的中心，在T时刻图像中的像素坐标为AT,BT，视场的光轴坐标为0，0，目标像点在探测器上的位置与目标在空间相对导引头光轴的位置相对应。0077假设目标视线与光轴的。
22、夹角即偏差角用来表示，当偏差角时，目标成像于坐标原点O点；当时，目标像点偏离O点。设像点与测量坐标系原点距离为，由于是个很小的角，则有007800790080即距离与偏差角的大小成比例，比例系数F为光学系统的焦距。则飞行器与目标的视线角，公式描述如下，说明书CN104063623A6/8页900810082视线角速度为008300843、飞行器目标相对运动关系0085制导是指根据飞行器和目标运动信息，飞行器按一定的飞行轨迹去截击目标的过程。飞行器拦截目标问题是一个空间追击问题，因此要建立三维空间的飞行器目标的几何关系。通常，制导律在平面内研究。国外学者已经证明了可以把实际的三维问题描述为两个互。
23、相垂直的平面上的二维问题。0086在地面坐标系中飞行器目标纵向平面内的拦截几何如图3所示。其中，M为飞行器，T为目标，飞行器与目标相对距离为R，接近速率为视线角为Q，视线角速率为飞行器与目标的速度分别为V和VT，航向角分别为和T，法向加速度分别为AN和AT。0087把飞行器和目标看作一个质点，相对运动方程为008825008900904、基于预测控制的飞行器制导律0091现代技术的发展使得飞行器要跟踪、制导的目标越来越复杂，尤其是针对大机动目标，传统的制导方法不再适用。由于目前飞行器上计算机处理能力相对量子成像的计算要求是有限的，这就导致量测数据更新率不高，为此采取基于预测控制的方式进行飞行器。
24、制导。0092预测控制是一种基于模型的优化控制策略，根据对象的历史信息和未来输入预测未来输出，具有良好的鲁棒性，但计算量比较大，将其应用于制导律设计，在利用高精度量子成像探测的同时设计随机预测制导律，弥补量子成像的数据更新率过低导致的飞行器制导精度下降的不足。0093飞行器上的观测系统包括量测目标的视线角速度和目标机动指示器，若图像采样频率为100HZ，制导律更新率为1000HZ，图像采样频率低于制导律更新率，则在没有从图像得到的测量值时使用预测制导估计值代替测量值。飞行器相对目标的平面运动，即铅垂面和水平面的数学模型可以表示为0094260095KKK0096式中，K为视线角速度；TTK1T。
25、K为采样步长；为剩余时间，为飞行器与目标之间的距离，为相对运动速度；UK是以角速度为量纲的控制信号；DK为目标机动及干扰参数，如目标作机动ATK是目标的法向加速度；K为由目标运动产生的噪声误差，K为中心离散高斯白噪声，且量测噪声强度远小于由目标运动产生的噪声的强度。0097最优预测控制代价函数由下式确定说明书CN104063623A7/8页1000980099式中，LT为预测时间，,为相应于运动轨迹和能量损失的权系数，0,0。由于TK，所以令则状态方程可以转化为01000101最优预测代价函数为01020103根据滚动预测控制算法可得随机预测控制律为01040105其中，01060107010。
26、8可解得01093301100111式中，C1为满足边界条件的常数。当T时，有稳态解01120113考虑到边界条件及滚动策略，将GT0LT0,T00代入可得01140115最后，预测控制量为01160117代入可得随机预测制导律01180119式中，AM为飞行器法向需用过载，AT为目标法向加速度，一般可通过估计算法获得，为飞行器目标视线角速度的滤波估计值。随机预测制导律的第一项保证能够命中目标，第二项可以跟踪目标的机动。根据飞行器加速度的特性，可以看出随机预测制导律是传统的比例导引律的一种衍化。01205、量子成像制导系统空间布局0121量子成像飞行器制导系统如图4所示，包括目标照射系统光源、没有空间分辨说明书CN104063623A108/8页11能力的探测器D1，具有空间探测能力的探测器D2，地面站符合计算系统等。量子成像过程是从目标指示系统发出激光照射信号，一路照射目标，反射辐射信号被飞行器上的探测器D1接收并对信号进行信息处理；一路直接被地面站的探测器D2接收，D2可在空间扫描。经过地面站符合计算即可形成目标图像，进而得出角度信息，再将角度信息上传至飞行器，形成制导指令，完成飞行器制导，直至飞行器击中目标，制导过程结束。说明书CN104063623A111/2页12图1图2说明书附图CN104063623A122/2页13图3图4说明书附图CN104063623A13。