基于尺寸解算的紅外目標快速檢測方法

黨允沛，馬 君，張 珂，2

(1.機電動態控制重點實驗室，陜西 西安 710065;2.復雜系統智能控制與決策國家重點實驗室,北京 100081)

0 引言

末敏彈是一種能夠有效打擊地面縱深集群裝甲目標的末端敏感型彈藥，它能夠利用前端紅外探測器探測目標，并在發現目標后引爆戰斗部，朝著目標方向爆炸，其具有高效費比，高命中率、殺傷力強、覆蓋面積廣，以及作戰距離遠等優點[1]。引信作為末敏彈的探測與控制組件，其探測體制決定了末敏彈實時打擊目標的性能[2]。末敏彈引信多元紅外探測體制能夠解決單元紅外探測體制只能探測目標的一維信息，不能探測目標的二維信息而引起的檢測概率偏低的問題，因此采用多元紅外探測體制對于紅外目標檢測具有體制上的優勢[3]。

目前末敏彈引信多元紅外信號處理方法通常采用與已知模板進行匹配的方式，如文獻[4]中采用直接分類法，該方法是將未知目標特征向量(大小、形狀、長寬比、中心元波形梯度及寬度)與目標庫內已知的特征模板類別分別進行相關匹配，取所有相關值中最小值對應的類為目標所屬類別。文獻[5]中采用統計分類檢測法，該方法首先對未知目標的各個特征量(面積、周長，中心元寬度以及波形斜率)進行提取，隨后再分別與已知特征模板上的特征量進行匹配記分，并與各自權值作積，最后利用加權平均值作為判決條件來判斷是否為目標。

末敏子彈的光軸與彈軸之間具有一定的夾角，當末敏子彈掃描過目標時，在信號處理期間，處于旋轉狀態的末敏子彈容易受到外界環境的干擾和由于末敏子彈在旋轉過程中帶來的不穩定等因素，使得末敏子彈爆炸方向易偏離目標。因此縮短信號處理時間，減小光軸與彈軸之間的夾角，進而盡可能較少外界的干擾，確保末敏子彈對目標有效作用。針對傳統模板匹配方法用時較長，在信號處理過程中末敏子彈易受到外界環境的干擾，從而容易引起末敏子彈對目標失效的問題，提出了基于尺寸解算的紅外目標快速檢測方法。

1 末敏子彈引信紅外目標檢測

1.1 末敏子彈旋轉掃描原理

末敏子彈在下降過程中，由于降落傘的作用，經過穩旋減速，最終以勻轉速轉動且勻速下降。末敏彈引信紅外探測器方向與末敏子彈下落方向之間夾角為30°，其多個探測元排列方向與掃描方向相互垂直[6]。在探測器工作時，目標與背景的熱輻射通過光學系統聚焦到多個探測單元上，各探測單元能夠探測到目標的不同部位。末敏子彈的光軸與彈軸呈一定夾角，在掃描過目標后，經處理延時，適時發出起爆戰斗部信號。末敏子彈多元紅外探測器掃描如圖1所示。

1.2 末敏子彈引信傳統模板匹配算法

末敏子彈引信所采用的傳統模板匹配算法是：首先對待識別目標的特征量(目標的面積、中心元波形寬度、目標的周長、中心元波形的斜率)進行提取；然后將上述四種特征量與由大量先驗數據所建立的多個模板庫特征邊界值逐一進行匹配，匹配成功計為1，不成功則為0；最后賦予每個特征量一個對應的權值，求出加權平均值，利用加權平均值來判斷是否為目標。傳統模板匹配算法流程圖如圖2所示。

2 基于尺寸解算的紅外目標快速檢測方法

2.1 基于尺寸解算的紅外目標快速檢測的基本思路

本文所提目標快速檢測的基本思路是：在經過對實時檢測的數據進行預處理之后，對多元紅外探測器探測到的多路波形信號進行邊緣點快速提取，提取出各路探測元掃描過目標的脈寬信息以及探測到目標的元數。根據不同探測元探測到目標的時序關系以及高度計提供的高度信息計算目標所處紅外視場的角度，再利用上述所提取的脈寬信息、探測到目標的元數、目標所處紅外視場角度以及高度計提供的高度信息計算目標平行掃描方向的尺寸，垂直于掃描方向的尺寸，目標的兩個邊長，然后與目標實際尺寸進行對比，最終判斷是否為目標?；诔叽缃馑愕募t外目標快速檢測方法流程圖如圖3所示。

2.2 基于尺寸解算的紅外目標快速檢測的步驟

2.2.1多路信號邊緣點提取

1) 單路波形信號邊緣點提取

當紅外探測器掃描過目標時，探測到目標的探測單元所對應的探測通道檢測到相應的波形信號，波形信號的邊緣點對應掃描過目標的邊緣點。對各路波形信號進行邊緣點提取，提取出波形信號的脈寬寬度τ。所提取的波形信號脈寬寬度包含了目標平行于掃描方向的尺寸。

2) 多路間信號邊緣點提取

紅外探測器每個探測單元之間具有一定的視場角，當掃描過目標時，對多路間波形信號邊緣點進行提取，即對探測到目標的探測元數N進行統計。所提取到探測元數N包含了目標垂直于掃描方向的尺寸。

2.2.2目標尺寸解算方法

1) 目標所處視場中的角度

在多元紅外探測器掃描過目標時，探測到目標的不同探測通道掃描過目標起始點之間的時序差異代表了它們依次探測到目標的次序，根據這個時序上的差異，結合高度信息計算目標所處紅外視場中的角度。鄰近中心探測元與中心探測元之間的時間差為Δτ，由該時間差和探測元掃描過目標的線速度以及高度信息得到目標所處視場中的角度，角度計算公式如式(1)、式(2)所示。角度計算示意圖如圖4所示。

L=H/cosα×sinβ

(1)

alpha=arctan(Δτ×v/L)

(2)

式(1)、式(2)中，L為兩個探測元視場間的距離，H為末敏子彈距離地面的高度，α為紅外探測器的傾斜角度，β為探測元之間的視場角，alpha為目標所處紅外視場中的角度，Δτ為不同探測元掃描過目標的時間差，v為中心波元掃描過目標的線速度。

2)目標尺寸的計算

利用中心波元探測到目標的持續時間以及紅外探測元掃描過目標的線速度依據公式(3)計算得到平行于掃描方向的目標尺寸L1。利用探測到目標的元數以及元與元之間的距離依據公式(4)計算得到目標垂直于掃描方向的目標尺寸L2。然后利用目標所處紅外視場中的角度以及平行于掃描方向的尺寸L1、垂直于目標掃描方向的尺寸L2，依據式(5)、式(6)分別求解目標的邊長a1、a2。目標邊長計算示意圖如圖5、圖6所示。

L1=H×tanα×n×2×π×τ

(3)

L2=L×N

(4)

a1=L2×sin(alpha)

(5)

a2=L1/cos(arctan(a/b)-alpha)×

sin(arctan(a/b))

(6)

式(3)—式(6)中，L1為平行于掃描方向的目標尺寸，L2為垂直于掃描方向的目標尺寸，H為末敏子彈所處的高度。α為紅外探測器的傾斜角度，即末敏子彈探測器方向與末敏子彈下落方向之間的角度，n為末敏子彈旋轉速度，τ為探測元掃描過目標的時間，L2為垂直于掃描方向的目標尺寸，N為末敏子彈探測到目標的元數。L為兩個探測元視場間的距離，a1為計算所得尺寸1，a2計算所得尺寸2，alpha為目標所處視場中的角度，a、b分別為目標真實的兩個邊長。

2.2.3目標決策融合判斷

決策級融合采用特征量加權方法。本文采用的特征量是由上述過程計算所得兩個邊長a1，a2和平行于掃描方向尺寸L1，以及垂直于掃描方向的尺寸L2組成的。參與融合的特征量L1、L2、a1、a2分別與目標的實際尺寸進行逐一匹配，最終判斷是否為目標。

2.3 算法影響因素分析

根據算法設計原理，對本文所提算法影響因素進行分析。影響本文所提算法的因素有：高度計提供的高度信息對目標尺寸計算引入的相對誤差、末敏子彈旋轉速度對目標尺寸計算引入的相對誤差、末敏子彈在下降過程中紅外探測器傾斜角度對目標尺寸計算引入的相對誤差以及末敏子彈在下降過程中落速對目標尺寸計算引入的誤差。

1) 高度計提供的高度信息對目標尺寸計算引入的相對誤差

激光高度計的精度在150 m處可達0.2 m，相對誤差在0.2%以內，其對目標尺寸計算引入的相對誤差也在0.2%以內。如式(7)所示。

(7)

式(7)中，ΔH選取0.2 m，H選取100 m，ΔL為高度計對目標尺寸計算引入的相對誤差。

2) 末敏子彈在下降過程中旋轉速度對目標尺寸計算引入的相對誤差

末敏子彈在下降過程中，以n=5 r/s的旋轉速度進行旋轉，然而末敏子彈在旋轉過程中，其旋轉速度存在的誤差為Δn=±0.3 r/s，其對目標尺寸計算引入的相對誤差在6%以內。如式(8)所示。

(8)

式(8)中，ΔL1為旋轉速度對目標尺寸計算引入的相對誤差。

3) 末敏子彈在下降過程中紅外探測器傾斜角度對目標尺寸計算引入的相對誤差

末敏子彈在下降過程中，紅外探測器與末敏子彈下落方向成30°夾角，其夾角誤差在±2°以內，對目標尺寸計算引入的相對誤差在2.08%之內。如式(9)所示。

(9)

式(9)中，α理論取30°，α實際取30°±2°，ΔL2為紅外探測器傾斜角度對目標尺寸計算引入的相對誤差。

4) 末敏子彈在下降過程中落速對目標尺寸計算引入的誤差

末敏子彈以v降=10 m/s的速度勻速下降，在紅外探測器掃描目標的過程中，其掃描的線速度隨著高度降低而逐漸減小，與此同時掃描過目標所需時間會逐漸增長。速度與時間計算公式如式(10)、式(11)所示，目標尺寸計算公式如式(12)所示。

v實際=(H-v降t)×tanα×2×π×n

(10)

(11)

a計算=v實際×t實際

(12)

式中，v實際是探測器掃描過目標的實時速度，H為末敏子彈開始工作的起始高度，α為探測器傾斜角度，n為末敏子彈轉速，t實際為掃描過目標的時間，a為目標的實際尺寸。a計算為計算所得尺寸。依據式(10)、式(11)、式(12)可知，末敏子彈下降過程中的落速對目標尺寸計算引入的誤差可忽略不計。

3 驗證及分析

為驗證本文所提方法的正確性，對實驗室內旋轉平臺上采集的數據進行試驗驗證。實驗室內旋轉平臺參數如表1所示，多元紅外探測器參數如表2所示。

表1 實驗室旋轉平臺的參數

Tab.1 Parameters of laboratory platform

高度/m切斜角度/(°)轉速/(r/s)目標尺寸/m21.73050.17×0.12

表2 多元紅外探測器參數

Tab.2 Parameters of multiple infrared detector

靈敏元尺寸/mm2元間隔/mm焦距/mm元數0.34×0.340.083910

3.1 算法有效性驗證

本文從3個具有代表性的角度對本文所提方法進行試驗驗證，其波形信號分別如圖7所示。圖7(a)是在目標處于紅外視場中0°時采集到的波形信號，其2～9路探測單元探測到目標信號。圖7(b)是在目標處于紅外視場中45°時采集到的波形信號，其1～9路探測單元探測到目標信號。圖7(c)是在目標處于紅外視場中90°時采集到的波形信號，其4～9路探測單元探測到目標信號。

針對圖7所示的三種情況分別進行目標尺寸解算，其解算結果如表3所示。

由表3可知，將各路波形信號提取出的邊緣點進行尺寸解算，解算出各路平行于掃描方向的目標尺寸L1，以及垂直于掃描方向的目標尺寸L2，然后利用多路間波形信號的時序關系解算出目標所處紅外視場中的角度alpha，最后根據角度并結合高度計提供的實時高度信息快速解算目標尺寸(邊長1，邊長2)。經驗證，本文所提基于尺寸解算的紅外目標快速檢測方法能夠有效計算目標的尺寸，且相對誤差在5%之內。試驗結果驗證了本文所提方法的合理性。

表3 目標尺寸解算結果

Tab.3 Results of target size calculating

參量所處視場中角度0°情況下計算所得尺寸(m)/角度(°) 45°情況下計算所得尺寸 (m)/角度(°)90°情況下計算所得尺寸(m)/角度(°)第1路L1(1)00.099 70第2路L1(2)0.124 60.129 30第3路L1(3)0.129 60.142 60第4路L1(4)0.135 80.156 80.172 8第5路L1(5)0.132 50.177 90.178 0第6路L1(6)0.127 70.137 00.172 1第7路L1(7)0.128 80.127 30.179 3第8路L1(8)0.122 70.113 00.178 0第9路L1(9)0.115 60.0920.172 3第10路L1(10)000L20.172 30.193 50.129 0alpha 3.0243.8290邊長10.127 20.120 20.175 4邊長20.169 10.162 20.126 8

對本文所提方法進行目標檢測試驗驗證，檢測結果如表4所示。

由表4可知，目標處于0°或90°時，目標檢測概率達到96%以上；當目標處于45°時，目標檢測概率達到92%以上。試驗結果驗證了本文所提基于尺寸解算的紅外目標快速檢測方法的有效性。

表4 目標檢測結果

Tab.4 Results of target detection

角度/(°)試驗次數檢測成功次數05050455047905049

3.2 算法實時性驗證

本文采用TMS320C6455(時鐘頻率為1 GHz)為硬件平臺進行實時性驗證，文中所提出的基于尺寸解算的紅外目標快速檢測方法所需時間與傳統模板匹配方法所需時間在使用相同數據情況下進行對比，傳統模板匹配方法所需時間3.2 ms，而本文所提出的基于尺寸解算的紅外目標快速檢測方法所需時間為0.532 ms，信號處理時間減少了80%。因此本文所提算法與傳統模板匹配方法相比速度快，耗時少，能夠實現目標的快速檢測。

4 結論

本文提出了基于尺寸解算的紅外目標快速檢測方法，該方法的核心是對多元線陣探測器采集到的多路波形信號進行邊緣點快速提取，并聯合各路時序關系以及高度信息對目標尺寸進行求解，實時獲得目標尺寸信息，進而實現了對紅外目標的快速檢測。試驗結果表明：較傳統模板匹配方法，在目標檢測概率不低于90%，尺寸計算相對誤差在5%以內的基礎上，信號處理時間縮短了80%。試驗結果驗證了本文所提方法的有效性。

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