为了进一步提高光电跟踪系统的目标捕获和跟踪性能, 提出了一种基于变增益趋近律的级联滑模控制方法。基于反双曲正弦函数和幂次项设计了新型变增益滑模趋近律, 在提高滑模面趋近速度的同时抑制滑模抖振现象; 基于变增益滑模趋近律设计速度环和位置环滑模控制器构成级联滑模控制, 以提高系统的动态响应性能和鲁棒性, 提高系统对目标的捕获能力和跟踪精度。最后, 以某球形光电跟踪系统的方位轴作为控制对象, 进行了传统级联PI控制和级联滑模控制方法的对比分析。实验结果表明, 相比于传统级联PI控制, 捕获速度为1 (°)/s的目标时, 级联滑模控制可以将目标捕获时间减小32%; 跟踪等效最大速度为4 (°)/s和最大加速度为2 (°)/s2的正弦引导信号, 可将跟踪误差RMS值减小31%, 采用级联滑模控制可有效提高跟踪系统的控制性能。

针对水下近程来袭目标的探测问题,提出一种利用流体动力驱动的随机定位方法;利用航行水动力驱动单光束脉冲激光进行动态扫描,利用磁传感器记录扫描周期;基于重尾函数推导目标回波方程,建立磁探测系统磁偶极子等效模型,采用峰值和阈值检测法分别解算光磁信号;建立水下近程目标捕获模型和方位探测精度等效模型,研究激光发射功率、脉宽、阈值和噪声对测量精度的影响机理。结果表明:方位角测量精度和目标捕获率随着激光发射功率的增大而提高,随着脉宽和接收电路噪声电压的增大而降低;方位角测量精度在检测阈值为300 mV时达到最大,目标捕获率随着阈值的增大有轻微变化,当阈值接近回波脉冲峰值时,目标捕获率迅速降低。

为了满足远距离目标捕获的需求, 提出了一种单镜头大视场拼接成像方法, 设计了实验样机对其进行验证, 对样机的成像特性进行了分析。介绍了样机的结构设计和相机曝光控制流程, 然后根据该成像方法通过控制相机连续圆锥旋转实现大视场成像的特点, 分析了样机成像的像移特性及样机结构运动精度对子图像正确拼接的影响, 最后设计了在样机运转过程中使相机准确对子视场曝光的控制参数。实验中将样机参数代入分析结果进行了计算, 得出了成像的像移大小, 并对由相机运动误差导致的子图像拼接偏差进行了校核。计算得出了相机的曝光控制参数, 最终获得了拼接正确的大视场图像。通过对实验样机的成像特点进行分析, 为该单镜头大视场拼接方法在激光对抗系统中的工程应用奠定了基础。

在远距离目标轨迹测量系统中, 当前的长焦相机由于CCD尺寸限制一般视场角度较小, 无法实现对目标的可靠捕获。在对比当前的几种大视场拼接成像方法后, 针对远距离目标测量系统的要求提出了一种通过控制单个相机进行圆锥旋转来模拟4相机阵列实现大视场成像的方法。设计了实验样机对该方法进行验证。首先根据该成像方法设计了相机运动控制方案和相应的机械结构, 然后设计了相机的触发控制以及图像数据的传输和处理流程, 最后使用该样机进行了实验。实验中样机经校准后采集到了相对位置正确的子视场图像, 并拼接获得了大视场图像。使用视场角度为1.02°的小视角相机, 实现了4个有一定程度重合的子视场2×2拼接, 最终获得了1.93°的大视角。该方法为远距离目标测量系统中的目标捕获子系统设计提供了新思路。

针对对地攻击火箭弹单发毁伤概率低的问题, 设计了一种激光周向探测系统, 旨在提高对地攻击火箭弹的目标捕获概率。推导了平面目标脉冲激光回波波形的解析式及最小可探测光功率, 并结合对地攻击火箭弹的末端弹道特性, 建立了激光周向探测系统的弹目交会模型。运用蒙特卡罗算法仿真分析了对地攻击火箭弹采用不同探测系统时目标捕获概率随脉冲激光重复频率和扫描转速的变化规律, 探讨了弹速和命中精度对于目标捕获概率的影响, 获得最佳激光重复频率与扫描转速。仿真结果表明: 当脉冲激光重复频率为5 kHz, 扫描转速为10 000 r/min时能实现目标的有效捕获; 采用激光周向探测系统能有效提高目标捕获概率, 提升单发毁伤效能, 为激光周向探测系统在对地攻击火箭弹上的应用提供了理论依据。

针对增程单兵火箭弹由于弹道低伸和末段弹道时间短的弹道特点对激光末段制导形成的局限, 研究捷联激光制导导引头在末段全弹道上的目标捕获域和目标捕获率。建立低伸弹道上激光半主动导引头目标捕获域模型, 在不同的火箭弹发射角条件下, 对导引头在末段全弹道上的目标捕获域与最小锥形视场进行仿真, 分析最小目标捕获域边界由双曲线变为椭圆时的弹道点和视场角, 得到导引头的最佳半视场角为5.9°。考虑弹道扰动的影响, 通过蒙特卡罗方法计算末段弹道上不同弹道点的导引头目标捕获率, 得到在弹道上导引头的最佳起始探测弹道点。为增程单兵火箭弹的制导化提供参考。

在分析存在外部因素影响光电设备跟踪能力检测的基础上，提出了利用建模分析的方法，在外部因素（目标速度、目标大小、目标亮暗和物方目标对比度）和图像目标对比度之间建立起数学模型。实验采用可调对比度无穷远目标源装置、高速摄像机、精密转台和捕获仿真装置等建立检验环境，通过数学模型分析和图像分析相互验证，着重对不同的外部因素进行了特性分析。实验结果证明：在背景辐亮度为3.2 W/(sr·m2)的工况条件下，拟合的方程能够准确地表述各外部因素与图像对比度的数学关系，通过设定各外部因素水平能够对光电跟踪设备的捕获能力进行有效检测。

在光电跟踪测量设备对低对比度目标捕获能力检验中，提出一种利用可调对比度光学无穷远目标源检验的新方法。采用这种方法需建立可调对比度光学无穷远目标源装置，介绍这种装置的设计依据和设计过程。该装置可以模拟天空背景的辐亮度及这个背景下的一个低对比度目标，它利用大、小两个积分球分别模拟背景与目标的辐亮度，利用安装在大积分球上的准直物镜使目标及背景成为无穷远的目标源，在积分球上分别安装内置和外置照明光源，外置照明光源中装有光束准直系统，使卤素灯发出的光束成为平行光后射入积分球内，利用可调光栏控制通光口径的大小，从而控制了进入积分球的光通量，使得背景与目标的辐亮度在色温不变的条件下连续可调，实现目标对比度连续变化，变化范围0～90%，对比度稳定精度优于1%，光谱范围400nm～800nm内最大背景辐亮度优于60W/m2sr。

介绍一种利用数字图像注入构建目标环境来完成目标捕获跟踪仿真训练任务的新方法,该方法通过模拟目标的理论航迹,实时接收并解算编码器输出值,同时与目标的运动方程做综合处理,计算出目标的位置信息,最后在背景中合成目标后按照红外图像的格式将数字图像注入到数字图像处理系统中。该方法可以在不开启红外相机的情况下,方便地完成手动及自动跟踪的训练任务,节约了训练成本,并已成功运用到某光电跟瞄设备的仿真训练系统中。