末敏彈線陣激光雷達識別與定位方法研究

蘇 坡,戎永杰,許建勝,任暢銳

(中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

末敏彈線陣激光雷達識別與定位方法研究

蘇 坡,戎永杰,許建勝,任暢銳

(中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

相比于一元激光雷達,線陣激光可以提供更加豐富的目標形體信息。為了更好的利用線陣激光雷達,文中提出了一種末敏彈線陣激光雷達識別與定位方法,并采用蒙特卡洛法對其性能進行了仿真。仿真結果表明與一元激光雷達相比,采用線陣激光雷達末敏子彈的命中點更趨于目標的中心,同時末敏子彈掃描平臺的穩定性對線陣激光雷達的識別率影響較大。文中的研究結果為線陣激光雷達在末敏彈上的應用提供了基礎和有價值的參考。

線陣激光雷達;末敏彈;識別與定位;蒙特卡洛法

0 引言

敏感器作為末敏彈的“眼睛”,負責探測、發現、定位目標,是末敏彈智能化的重要體現[1-2]。隨著敏感器集成技術和數字信號處理技術的發展,為提高對目標識別與定位性能,線陣敏感器成為末敏彈目標探測與識別發展的趨勢。作為代表的有美國SADARM末敏彈、德國SMArt末敏彈。SADARM和SMArt敏感器均采用線陣紅外和毫米波復合探測體制。SADARM敏感器由13元線陣紅外輻射計、8 mm毫米波雷達、8 mm毫米波輻射計和磁強計組成;SMArt末敏彈敏感器由5元線陣紅外輻射計、3 mm毫米波雷達和3 mm毫米波輻射計構成[3]。

現有末敏彈的線陣敏感器基本上采用線陣紅外輻射計,利用目標和背景熱特性的不同,實現對目標的探測與識別,缺乏目標的形體信息。而目前,通過對目標形體進行探測,實現對不同目標的精確打擊,已成為末敏彈探測技術發展的重要方面。在此背景下,線陣激光雷達及識別與定位方法成為末敏彈敏感器研究的熱點。

1 模型與方法

末敏子彈進入穩態掃描階段后,其彈載信息處理單元通過對敏感器響應信號進行分析和處理來實現目標的識別與定位。對于一元激光雷達來說,其只能提供目標在掃描切向方向的形體信息,缺乏掃描的徑向信息,因而在識別目標后,會有很大概率打擊到目標的邊緣。具體地,當末敏子彈掃描到目標并且目標的高度和寬度滿足所設的閾值,即認為目標滿足一元激光雷達識別條件。一元激光雷達定位采用切向中心定位,瞄準點為在目標上掃描線的中心點。

相比于一元激光雷達,線陣激光雷達在穩態掃描時可以同時提供目標在掃描切向和徑向的形體信息,因此采用線陣激光雷達在識別目標后,末敏子彈的EFP戰斗部會以更大的概率命中目標的形體中心區域。圖1給出單元激光雷達和線陣激光雷達對目標掃描的示意圖,加粗的掃描線均為與末敏子彈EFP戰斗部軸方向一致的掃描線。其中,圖1(a)為一元激光雷達的掃描示意圖,可以看出其可以提供目標在掃描切向方向的信息;圖1(b)為線陣激光雷達掃描示意圖,可以看出線陣激光雷達不僅能提供目標在掃描切向方向的信息,而且還可以同時提供目標在掃描徑向方向的信息。因此,如何合理有效的利用線陣激光雷達提供的信息成為設計線陣激光雷達識別定位算法的關鍵。

圖1 單元激光雷達和線陣激光雷達目標掃描示意圖

這里,采取對一元激光雷達識別定位算法進行擴展來實現線陣激光雷達的識別與定位。令N表示懸掛角呈等角間距線陣激光雷達的元數,各元激光雷達的編號分別為i=1,2,…,N,其中,中間第M元表示與EFP戰斗部軸方向一致的激光元,對應的懸掛角為π/6,

(1)

某一次掃描周期內,在掃描切向方向上,記中間第M元激光雷達掃過目標的長度為lM1(如圖1(a)、圖1(b)中所標識的切向長度),當lM1滿足下式的閾值范圍時,則切向識別條件滿足。

lmin1≤lM1≤lmax1

(2)

式中：lmin1、lmax1為常量,其值的設置跟待打擊目標的形體尺寸相關。

在掃描徑向方向上,若某采樣時刻如果中間第M元激光雷達掃上目標,且此刻與第M元激光雷達連續相鄰掃上目標的激光雷達范圍段為j≤M≤k,則此時刻線陣激光雷達掃到目標的徑向長度lM2(見圖1(b)中所標識的徑向長度)為:

lM2=h|tanθk-tanθj|

(3)

式中:h表示此采樣時刻末敏子彈的高度;θj、θk分別表示第j元和第k元激光雷達對應的懸掛角。當滿足以下條件時,則徑向識別條件滿足。

下午一時，我又一次躺在做氣管鏡的軟床上，只不過醫院換成了哈爾濱市第一醫院，醫生也換成了哈爾濱市第一醫院副院長兼呼吸科主任蔣利學。

(4)

式中：lmin2、lmax2為常量,表示徑向長度的閾值范圍。式(4)的第二個式子保證第M元激光雷達位于掃入目標徑向長度的中心。

綜合式(2)～式(4)有:在一個掃描周期內,若線陣激光雷達末敏子彈能同時滿足切向和徑向識別條件,則目標被識別,采用切向中心定位,此時起爆EFP戰斗部,會有很大概率命中目標的中心區域。

2 仿真實驗與結果分析

采用蒙特卡洛法[4]對文中所提線陣激光雷達識別定位算法進行仿真評估。

2.1 仿真條件

仿真實驗中,線陣激光雷達的元數N=13,各元之間懸掛角呈等角間距,相鄰兩元懸掛角的夾角Δθ=0.005 4 rad,第7元為與EFP戰斗部軸方向一致的中間元激光雷達,其對應的懸掛角θM=π/6;固定末敏子彈進入穩態掃描時在地面的投影位置為坐標原點,子彈從初始120 m高度進入探測識別,高度低于20 m停止探測識別;裝甲目標的水平面尺寸為3.5 m×7 m,采用極坐標,目標中心以等概率落入ρ～U[15.46 m,65.37 m],φ～U[0,2π]的圓環區域;末敏子彈的指標如下:轉速f～U[3 r/s,4 r/s],理想轉速fi=3.5 r/s;子彈落速v=10 m/s;子彈初始相位α0～U[0,2π];子彈理想懸掛角θi=π/6;旋轉傘擺動振幅A=π/36 rad,擺動頻率f～U[3 Hz,4 Hz],擺動初始相位ψ～U[0,2π];前置角δ～U[0.029 1 rad,0.040 7 rad],理想前置角δi=π/90;戰斗部中間偏差EX～N[0 m,0.44 m2],EZ～N[0 m,0.44 m2];水平方向風的風速vw～U[0 m/s,10 m/s],風向α～U[0,2π];其他環境為標準氣象環境。這里,U[a,b]表示[a,b]范圍內的均勻分布;N[μ,σ2]表示服從均值為μ、方差為σ2的正態分布。

2.2 結果與分析

首先,采用蒙特卡洛法對一元激光雷達末敏子彈和線陣激光雷達末敏子彈識別與定位性能進行仿真對比,仿真次數為10 000。線陣激光雷達末敏子彈識別與定位算法參數設置為:切向下限長度lmin1=2 m,上限長度lmax1=10 m;徑向下限長度lmin2=2 m,lmax2=10 m。一元激光雷達末敏子彈識別與定位算法參數設置與線陣激光雷達切向設置一致。圖2給出一元激光雷達和線陣激光雷達命中點仿真結果,紅色的框表示目標,黑色的實心圓點表示末敏子彈戰斗部的命中點。其中,圖2(a)、圖2(c)分別為理想情況下(無風、傘無擺動、末敏子彈各參數均取理想值)一元激光雷達和線陣激光雷達命中點仿真結果;圖2(b)、圖2(d)分別為各因素綜合作用下,一元激光雷達和線陣激光雷達命中點仿真結果。采用文獻[4]的方法對裝甲目標平面進行區域劃分,統計命中點落入各個區域的百分比,統計結果見表1。從圖2和表1可以看出:(i)采用線陣激光雷達末敏子彈的命中點比采用一元激光雷達末敏子彈的命中點更趨于目標的中心區域;(ii)無論是在理想情況下還是各因素綜合作用下,采用線陣激光雷達末敏子彈的未識別率明顯高于采用一元激光雷達末敏子彈的;(iii)線陣激光雷達末敏子彈在各因素綜合作用下的未識別率遠高于理想情況下它的未識別率。

表1 一元激光雷達和線陣激光雷達命中點位置統計

對于上述(i)(ii)很容易理解,一方面相比于一元激光雷達,線陣激光雷達加入了掃描徑向方向的信息,導致其命中點更趨于目標的中心區域;另一方面,由于識別算法加入了更多的約束和限制,線陣激光雷達末敏子彈的識別條件比一元激光雷達苛刻,一元激光雷達識別算法可以看作是多元激光識別算法的一種特殊情況:徑向識別條件中最小閾值lmin2=0。因此采用線陣激光雷達末敏子彈的未識別率高于采用一元激光雷達的末敏子彈。下面,對線陣激光雷達末敏子彈徑向識別條件的參數lmin2進行仿真實驗來研究其對識別率和命中位置的影響。仿真實驗中分別取lmin2=2 m、lmin 2=1.5 m和lmin2=1 m。

仿真結果見圖2(d)、圖3及表2。圖2(d)、圖3(a)、圖3(b)分別為lmin2=2 m、lmin2=1.5 m和lmin2=1m在各因素綜合作用下線陣激光雷達末敏子彈命中點仿真結果。表2給出不同lmin2在各因素綜合作用下命中點落入目標各區域的統計結果。綜合表1、表2可以看出,在一定的范圍內線陣激光雷達徑向識別條件中最小閾值lmin2對識別率影響不大,因此,仿真條件中的其他因素是造成線陣激光雷達末敏子彈未識別率高的原因。

表2 不同lmin2命中點位置統計

在各影響因素中前置角散布、滾轉角散布、戰斗部散布只影響末敏子彈的命中位置,而對識別率不會產生影響;轉速、水平方向的風和傘的擺動會對線陣激光雷達末敏子彈的識別率產生影響。下面,對轉速、水平方向的風和傘的擺動這幾個因素進行仿真試驗來探究哪個因素對線陣激光雷達末敏子彈的識別率影響最大。

同樣,采用蒙特卡洛法仿真10 000次,仿真實驗結果為:僅轉速存在散布,其他因素均為理想情況下,線陣激光雷達末敏子彈的未識別率為1.68%;僅存在水平風,其他因素均為理想的情況下,線陣激光雷達末敏子彈的未識別率為6.39%;僅存在傘的擺動,其他因素均為理想的情況下,線陣激光雷達末敏子彈的未識別率為11.87%。此實驗結果表明,傘的擺動對線陣激光雷達末敏子彈的識別率影響最大,水平風的干擾次之,這三個因素均反映了末敏子彈掃描平臺的穩定性。

綜合3組仿真實驗,可以得出:和一元激光雷達相比,線陣激光雷達可以提供更加豐富的目標形體信息,采用線陣激光雷達末敏子彈的命中點更趨近于目標的中心區域;線陣激光雷達的識別率對掃描平臺的穩定性非常敏感,如何提高末敏子彈掃描平臺的穩定性成為更好發揮線陣激光雷達優勢的關鍵。

圖2 一元線陣激光雷達和線陣激光雷達命中點仿真結果對比圖

圖3 不同lmin2線陣激光雷達末敏子彈命中點仿真結果

3 結論

文中對末敏彈線陣激光雷達識別與定位方法進行研究,并采用蒙特卡洛法對文中所提方法進行了仿真驗證和分析。仿真結果表明與一元激光雷達相比,采用線陣激光雷達末敏子彈的命中點更集中于目標的中心區域,并且可以有效降低脫靶率;同時,也表明末敏子彈掃描平臺的穩定性對線陣激光雷達識別率影響很大。為提高線陣激光雷達末敏彈的識別率,末敏彈在設計時可采用落速高、轉速落速比大、穩定性好的掃描平臺。

[1] 楊紹卿. 靈巧彈藥工程 [M]. 北京: 國防工業出版社, 2010: 1-6.

[2] 楊紹卿. 末敏彈系統理論 [M]. 西安: 陜西科學技術出版社, 2009: 1-10.

[3] 崔瀚, 焦志剛. 國外末敏彈發展概述 [J]. 飛航導彈, 2015(2): 24-31.

[4] 許建勝, 蘇坡, 戎永杰, 等. 基于蒙特卡洛法的末敏彈命中點散布研究 [J]. 彈箭制導學報, 2015, 35(6): 29-32.

[5] 王曉波, 姚俊, 馬金明. 蒙特卡洛法在末敏彈毀傷概率計算中的應用 [J]. 沈陽理工大學學報, 2011, 30(5): 50-53.

Research on the Recognition and Position Method for Linear Array Laser Radar of Terminal Sensitive Projectile

SU Po,RONG Yongjie,XU Jiansheng,REN Changrui

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

Compared with single-element ladar, linear array laser could provide more shape information of the targets. In order to make better use of linear array laser radar, a recognition and position method for linear array laser radar of terminal sensitive projectile was proposed in this paper. And the Monte-Carlo method was utilized for the simulation of performance. The simulation results indicated that compared with single-element ladar, the hitting points of terminal sensitive projectile using linear array laser radar were closer to the central area of the target. Meanwhile, the stability of scanning platform had great influence on the recognition rate of linear array laser radar. The results of this paper provided basis and valuable references for the application of linear array laser radar in terminal sensitive projectile.

linear array laser radar; terminal sensitive projectile; recognition and position; Monte-Carlo method

2016-07-11

蘇坡(1985-),男,陜西西安人,工程師,研究方向:信號處理。

TJ414.3

A