بخشی از مقاله
چکیده - در پروژه هدایت گر اپتیکی، هدف طراحی یک محموله الکترواپتیکی برای هدایت و کنترل یک حامل هدایت پذیر - موشک و پرنده های بدون سرنشین - است. ویژگی مهم این محموله مکانیزم عملکرد آن است که از سیستم ره گیری چشم عقاب الگو برداری شده است. برهمین اساس محموله هدایتگر دارای دو بخش اصلی و کمکی می باشد. ویژگی مهم دیگر این هدایتگر آن است که آن را از نصب و بکارگیری گیمبال بی نیاز کرده است.
از طرف دیگر دارای وزن و حجم کمتری است. قطعات مکانیکی متحرکی که باعث تشدید ارتعاش و اختلال در ردیابی هدف شوند، در آن استفاده نشده است. فرآیند طراحی مفهومی محموله هدایتگر با تعیین الزامات و نیازمندیهای حامل شروع و در نهایت به تعیین مشخصه های فنی اجزائ آن منجر می شود. با توجه به مشخصه های فنی محموله و سناریوی مأموریت حامل، روند نمای عملکردی محموله ارائه شده است. بعبارت دیگر الزامات محموله و اجزائ آن بر مبنای الزامات حامل محاسبه و تبیین می شود. در انتهای گزارش پیشنهادهایی برای بخش محموله اصلی ارائه شده است.
-1 مقدمه
برای کنترل و هدایت حامل های هدایت پذیر از هدایتگرهای الکترواپتیکی و الکترومکانیکی استفاده می شود. وظیفه هدایتگر سنجش مقدار انحراف حامل نسبت به هدف است. دقت حامل در هدف زنی به قابلیت های محموله هدایتگر، ویژگیهای دینامیکی و سناریوی عملیاتی حامل بستگی دارد .[1] از جمله سامانه های هدایتگر می توان به ردیاب های لیزری، راداری، اپتیکی - مرئی و مادون قرمز - اشاره کرد. از بخشهای حساس و کلیدی سامانه هدایتگر، گیمبال می باشد که امکان چرخش دوربین و قفل کردن آن روی هدف را فراهم میکند. یکی دیگر از بخشهای مهم هدایتگر، ماژول پردازشگر است. الگوریتم پردازش داده نیز برای تشخیص هدف و سنجش انحراف اهمیت زیادی دارد .[2] موضوع این مقاله طراحی یک محموله هدایتگر دوگانه، از نوع اپتیکی است. در ابتدا الزامات و ویژگیهای حامل بررسی می شود.
-1-1 مشخصات و مأموریت حامل
حامل - موشک - از سطح زمین پرتاب و با گذر از چند مرحله از جو زمین خارج می شود. پس از عبور از نقطه اوج به طرف زمین و هدف تعریف شده باز می گردد. فرآیند فرود حامل 50 ثانیه طول می کشد. در طول مسیر فرود، محموله هدایتگر باید حامل را به طرف هدف هدایت کند. هدف شامل سازه هایی با ابعاد حداقل 50× 50 m است. درمدت زمان فرود، ممکن است بدلیل عوامل محیطی - باد، گردش زمین، توربلانس و .. - ، خطای سخت افزاری و نرم افزاری، حامل دچار انحراف شود .[4] مسیر حامل هنگام فرود نسبت به محور قائم، مایل می باشد شکل.1
-2-1 تصویر مرجع
تصویر مرجع تصویری است که از محیط پیرامون هدف و نقاط کلیدی، برای مقایسه با تصویر نمونه گرفته شده است. ویژگیهای تصویر مرجع به ویژگیهای فنی محموله - بزرگنمایی، قدرت تفکیک تیرگی و فضایی و ... - بستگی دارد. وظیفه پردازشگر محموله مقایسه موقعیت نقاط کلیدی در تصویر مرجع و تصویر نمونه گرفته شده توسط سامانه تصویر برداری هدایتگر و تعیین مقدار جابجایی نقاط کلیدی است. ویژگیهای پردازشگر و الگوریتم تطبیق تصاویر شامل موارد زیر می باشد:
- چرخش تصویر نمونه، تأثیری بر کیفیت عملکرد پردازشگر ندارد.
- محدوده مجاز اختلاف بزرگنمایی تصویر نمونه و مرجع در شرایط بهینه 0,1 برابر می باشد. در این حالت احتمال خطای پردازشگر در تطبیق تصویر دو کمتر از %10 است.
- فشرده سازی تصویر باعث خطای پردازشگر در فرآیند تطبیق دو تصویر نمی شود.
- مدت زمان پردازش و تطبیق تصاویر برای دتکتور480× 640 پیکسل، کمتر از 60 msec - معادل - 17 Hz است.
- روشنایی تصویر تأثیر زیادی بر تطبیق تصاویر ندارد.
- زاویه LOS دوربین نسبت به سطح زمین، باید کمتر از 15درجه باشد. - برای تطبیق نیاز به حداقل%40 همپوشانی بین دو تصویر می باشد.
- با اضافه شدن%10 نویز پیکسلی به تصویر، قابلیت
اطمینان تطبیق تصاویر با الگوریتم SIFT حدود %15 کاهش پیدا میکند. - الگوریتم SIFT در برابر تارشدگی اندک تصویر، مقاوم است. بطوری که تار شدگی گوسی با زیگمای 3 تا %50 تطبیق صحیح را کاهش میدهد. در عین حال، مهمترین عامل مخرب در تطبیق دو تصویر، تارشدگی یکی از دو تصویر است. - قدرت تفکیک تیرگی تصویر مرجع باید بیشتر و یا حداقل برابر قدرت تفکیک تیرگی تصویر نمونه - 12bit - باشد. - قدرت تفکیک فضایی محموله هدایتگر، نباید کمتر از قدرت تفکیک تصویر مرجع - در بزرگنمایی یکسان - باشد.
-2 طراحی پروفایل عملیاتی حامل
با توجه به منحنی تغییرات سرعت، شکل 2، مأموریت حامل را به سه مرحله می توان تقسیم کرد 3]و[4 شکل : 4
مرحله اول- فاصله زمانی ثانیه صفر تا : 25 در این مرحله نیاز به دقت بالا در هدایت حامل نمی باشد. تشخیص هدف توسط محموله در این مرحله امکان پذیر نمی باشد، بلکه نقاط کلیدی در تصویر مرجع بعنوان معیارهای هدایت حامل در نظر گرفته می شوند. در این مرحله تصویر نمونه و تصویر مرجع باید دارای حداقل %40 همپوشانی باشند. مأموریت محموله هدایتگر هنگام فرود حامل، با اولین تطبیق در این مرحله و قبل از رسیدن حامل به ارتفاع 45 کیلومتری آغاز می شود
مرحله دوم- فاصله زمانی ثانیه 25 تا : 40 این مرحله محدوده ارتفاع 45 تا 20Km را در بر می گیرد و همپوشانی %40 برای تطبیق دو تصویر نمونه و مرجع کافی است.
مرحله سوم- فاصله زمانی ثانیه 40 تا : 50 مرحله سوم از حساسیت بالایی برخوردار است و نیاز به دقت بیشتری در هدایت و کنترل حامل می باشد. این مرحله از فاصله 20Km شروع و تا لحظه برخورد به هدف ادامه پیدا می کند. در این مرحله هدف باید قابل تشخیص باشد . خطای مجاز برای هدف زنی حداکثر 20 متر از مرکز تصویر است. محاسبه نشان می دهد که حداقل فاصله مکانی مجاز بین دو نمونه برداری حدود 200 متر است. جدول 1بیشینه تعداد نمونه برداری در هریک از مراحل مأموریت، ارائه داده شده است. بعنوان مثال بیشینه تعداد نمونه برداری در مرحله سوم مأموریت 168 فریم است.
-2-2 مشخصات فنی دتکتور محموله اصلی
دتکتور محموله اصلی از نوع تک رنگ و حساس به ناحیه مرئی می باشد. DR دتکتور محموله نیز باید بیش از 12 bit باشد. فرمت دتکتور باید 1×1 بوده و ابعاد آن 700 ×700 pix - FF=%90 - می باشد. برای پیکسل 7 m، FOV محموله اصلی 7/5 درجه می باشد6] و.[9
-3-2 محفظه و پنجره اپتیکی محموله اصلی هدایتگر
محموله به دو شکل می تواند بر روی حامل نصب شود: -1 روی بدنه جانبی، -2 در دماغه حامل. دوربین محموله در داخل محفظه - DOME - قرار می گیرد. این محفظه از دوربین و ملحقات آن محافظت می کند و دارای یک پنجره دید رو به جلو می باشد. شکل .6 پنجره اپتیکی دارای عبوردهی بالا در طیف مرئی و جذب بالا در طیف UV می باشد و دارای خاصیت آبگریزی و عدم جذب آلودگی است. جنس پنجره اپتیکی نیز باید از نوع مقاوم در برابر شوک حرارتی باشد. قطر پنجره اپتیکی محموله اصلی باید بیشتر از 25 میلیمتر باشد. تا در حاشیه های تصویر سایه ای ایجاد نشود.
برای انجام درست تطبیق دو تصویر در طول مأموریت، لازم است بزرگنمایی تصویر نمونه و تصویر مرجع یکسان - با تلرانس - 0,1 باشد. بنابراین نیاز به محاسبه بزرگنمایی تصویر نمونه در هر مرحله نمونه برداری است، تا تصویر مرجع، متناسب با بزرگنمایی تصویر نمونه، استخراج شود شکل .7 در ادامه پردازشگر باید تصویر مرجع را به تصویری با چرخش تقریبا 58 درجه ای تبدیل کند. پوشش زمینی تصویر مرجع به دو عامل بستگی دارد: میدان دید و سرعت پردازش تصویر. بزرگتر بودن پوشش زمینی تصویر مرجع از پوشش زمینی محموله، احتمال گم کردن هدف را کاهش می دهد. اما حجم اطلاعات بیشتری باید ذخیره و پردازش شود.
