激光威脅下電視導(dǎo)引頭優(yōu)先跟蹤方式研究

朱戰(zhàn)飛，韓新文，楊樹濤，郭恩澤

（中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽 471000）

0 引言

電視制導(dǎo)工作在可見光波段，具有隱蔽性好、目標(biāo)識(shí)別度高、制導(dǎo)精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使電視制導(dǎo)武器在精確制導(dǎo)武器中占有重要地位，并表現(xiàn)出巨大的作戰(zhàn)潛力[1]。為應(yīng)對這種精確制導(dǎo)武器威脅，采用激光作為殺傷源對其導(dǎo)引頭進(jìn)行軟殺傷已成為一種極為實(shí)用、高效、普遍的對抗手段[2]。文獻(xiàn)[3-7]針對導(dǎo)引頭核心部件CCD光電探測器，開展了未加成像跟蹤系統(tǒng)條件下激光對CCD的作用機(jī)理、損傷現(xiàn)象及干擾效果等研究。在此基礎(chǔ)上，本文以某電視導(dǎo)引頭模擬器為實(shí)驗(yàn)對象，通過模擬打擊可見光合作目標(biāo)，研究導(dǎo)引頭在不同跟蹤模式下激光的干擾效果，并給出不同功率激光信號(hào)威脅下導(dǎo)引頭跟蹤的優(yōu)先選擇方式。

1 電視導(dǎo)引頭工作原理

電視導(dǎo)引頭是以電視攝像機(jī)為傳感器的被動(dòng)制導(dǎo)系統(tǒng)，跟蹤原理[8]框圖如下頁圖1所示。工作中，外界視場內(nèi)的目標(biāo)和背景（三維圖像）的光能，經(jīng)大氣傳輸進(jìn)入鏡頭聚焦，成像在攝像管靶面上（二維圖像）。因目標(biāo)和背景的光能反差不同，在靶面上形成不同的電位起伏，通過電子束的水平（行掃描）和垂直（場掃描）掃描將電位抹平，此時(shí)靶面輸出與抹平電位成比例的視頻信號(hào)電流（一維時(shí)間t的函數(shù)）。如果把行、場掃描正程的中心作為零點(diǎn)，那么由目標(biāo)形成的行、場視頻信號(hào)相對于行、場正程中心出現(xiàn)的時(shí)間，就可確定目標(biāo)水平位置偏差±Δx和俯仰位置偏差±Δy。測量位置偏差的任務(wù)由視頻跟蹤處理器中的誤差鑒別器自動(dòng)完成，鑒別器把測得相對掃描正程零點(diǎn)（也稱光軸）的位置偏差變成誤差電壓（或數(shù)字信號(hào)）。該信號(hào)加于伺服系統(tǒng)，經(jīng)多次負(fù)反饋控制，迅速地使電視導(dǎo)引頭的光軸對準(zhǔn)目標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。

圖1 電視導(dǎo)引頭跟蹤原理框圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

參試設(shè)備主要包括：某電視導(dǎo)引頭模擬器1套、某激光信號(hào)發(fā)射器1臺(tái)、可見光合作目標(biāo)1套、紅外信標(biāo)源1臺(tái)。

其中：電視導(dǎo)引頭模擬器（以下簡稱導(dǎo)引頭）由電視攝像分系統(tǒng)、圖像處理分系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)與操控分系統(tǒng)、伺服及穩(wěn)像平臺(tái)等部分組成，CCD的靶面尺寸為4.8 mm×3.6 mm，變焦范圍為15 mm～150 mm，跟蹤模式包括點(diǎn)跟蹤、質(zhì)心跟蹤、相關(guān)跟蹤和自適應(yīng)跟蹤等，考慮到當(dāng)前導(dǎo)彈成像制導(dǎo)系統(tǒng)中主要采用質(zhì)心跟蹤、相關(guān)跟蹤兩種模式[9]，并結(jié)合合作目標(biāo)的特點(diǎn)及所處環(huán)境，實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)引頭跟蹤模式確定為質(zhì)心跟蹤與相關(guān)跟蹤。導(dǎo)引頭在工作過程中，視頻顯示界面如圖2所示，圖中跟蹤模式代號(hào)中：03代表質(zhì)心跟蹤，05代表相關(guān)跟蹤。

激光信號(hào)發(fā)射器為半導(dǎo)體激光器，波長范圍為0.7 μm～0.95 μm，束散角為 0.64 mrad，功率為低高兩檔：1 W、200 W。

可見光合作目標(biāo)作為導(dǎo)引頭的模擬打擊目標(biāo)，尺寸為10 m×6 m×6 m。

圖2 電視導(dǎo)引頭模擬器圖像顯示界面

紅外信標(biāo)源主要生成波長為3 μm～5 μm的紅外信號(hào)，模擬導(dǎo)彈尾焰的紅外輻射特征。

2.2 實(shí)驗(yàn)布局設(shè)計(jì)

導(dǎo)引頭采取高點(diǎn)配置，對準(zhǔn)可見光合作目標(biāo)方向；紅外信標(biāo)源配置在導(dǎo)引頭附近，用于引導(dǎo)或指示激光信號(hào)發(fā)射器準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)導(dǎo)引頭。

激光信號(hào)發(fā)射器與可見光合作目標(biāo)采取低處配置，其中激光信號(hào)發(fā)射器距離導(dǎo)引頭約10 km，可見光合作目標(biāo)距離激光信號(hào)發(fā)射器約55 m，激光信號(hào)發(fā)射器、可見光合作目標(biāo)與導(dǎo)引頭保持通視狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)布局如圖3所示。

圖3 激光干擾電視導(dǎo)引頭模擬器實(shí)驗(yàn)布局圖

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

3.1 低功率激光干擾實(shí)驗(yàn)

3.1.1 質(zhì)心跟蹤模式下激光干擾

1）在焦距為90 mm的情況下，導(dǎo)引頭采用質(zhì)心跟蹤模式鎖定目標(biāo)，而后激光信號(hào)發(fā)生器對準(zhǔn)導(dǎo)引頭方向發(fā)射1 W激光干擾信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：受到激光干擾后，導(dǎo)引頭光軸的方位、俯仰偏差發(fā)生較大變化，目標(biāo)丟失、干擾有效，如下頁圖4所示。

2）導(dǎo)引頭同樣采用質(zhì)心跟蹤模式，焦距從90mm增大至150 mm，鎖定目標(biāo)后激光信號(hào)發(fā)生器對準(zhǔn)導(dǎo)引頭方向發(fā)射1 W激光干擾信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：導(dǎo)引頭保持穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)、干擾無效，如下頁圖5所示。

圖4 焦距為90 mm時(shí)質(zhì)心跟蹤模式下導(dǎo)引頭工作畫面

圖5 焦距為150 mm時(shí)質(zhì)心跟蹤模式下導(dǎo)引頭工作畫面

原因分析：質(zhì)心跟蹤采用的是利用目標(biāo)和背景的對比度來識(shí)別和提取目標(biāo)信號(hào)的對比度跟蹤算法，主要通過計(jì)算波門內(nèi)目標(biāo)的質(zhì)心（xc，yc）來獲取跟蹤點(diǎn)，其中，。跟蹤過程中，圖像處理系統(tǒng)只對波門內(nèi)的視頻信號(hào)進(jìn)行處理，并通過波門套住目標(biāo)圖像。由圖4、圖5可知，當(dāng)焦距為90 mm時(shí)，干擾激光在導(dǎo)引頭CCD探測器的成像位于波門附近，且亮度高于目標(biāo)亮度，此時(shí)干擾激光的成像將和波門內(nèi)的目標(biāo)圖像一起參與質(zhì)心運(yùn)算，從而使質(zhì)心偏離原來的跟蹤點(diǎn)，造成導(dǎo)引頭目標(biāo)丟失。而當(dāng)焦距增大至150 mm時(shí)，導(dǎo)引頭視場隨之減小，此時(shí)干擾激光的成像處于波門之外，圖像處理系統(tǒng)不對其進(jìn)行信號(hào)處理，因而導(dǎo)引頭能夠繼續(xù)穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

3.1.2 相關(guān)跟蹤模式下激光干擾

1）焦距為90 mm時(shí)，由圖4可知，在質(zhì)心跟蹤模式下，導(dǎo)引頭受到1 W激光信號(hào)干擾后丟失目標(biāo)。現(xiàn)變換跟蹤模式為相關(guān)跟蹤，并保持焦距等其他因素不變，鎖定目標(biāo)后發(fā)射激光干擾信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：導(dǎo)引頭保持穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)、干擾無效，如圖6所示。

圖6 焦距為90 mm時(shí)相關(guān)跟蹤模式下導(dǎo)引頭工作畫面

原因分析：相關(guān)跟蹤采用的是以圖像匹配為基礎(chǔ)的相關(guān)跟蹤算法，主要通過尋找最佳匹配位置（u*，v*）來獲取跟蹤點(diǎn)，其中。跟蹤過程中，圖像處理系統(tǒng)將波門內(nèi)的電視圖像存儲(chǔ)為目標(biāo)模板，不斷將目標(biāo)模板與實(shí)時(shí)圖像中各子區(qū)域進(jìn)行匹配計(jì)算，并將最佳匹配位置作為目標(biāo)的當(dāng)前位置進(jìn)行跟蹤。由圖6可知，激光干擾信號(hào)發(fā)出后，雖然激光的成像同樣位于波門附近，但由于成像光斑較小，對匹配計(jì)算過程中誤差評(píng)價(jià)函數(shù)的極值位置影響不大，難以影響對最佳匹配位置的判斷，因而導(dǎo)引頭能夠繼續(xù)穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

2）焦距為150 mm時(shí)，由圖5可知，激光成像將位于波門之外，根據(jù)相關(guān)跟蹤算法的特點(diǎn)，可以推斷：焦距為150 mm時(shí)，保持其他因素不變，在相關(guān)跟蹤模式下導(dǎo)引頭鎖定目標(biāo)，在受到1 W激光信號(hào)干擾后，導(dǎo)引頭將保持對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)論也證實(shí)了這一推斷，在此不再贅述。

3.2 高功率激光干擾實(shí)驗(yàn)

3.2.1 質(zhì)心跟蹤模式下激光干擾

在焦距為133 mm的情況下，導(dǎo)引頭采用質(zhì)心跟蹤模式鎖定目標(biāo)，而后激光信號(hào)發(fā)生器對準(zhǔn)導(dǎo)引頭方向發(fā)射200 W激光干擾信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：激光信號(hào)發(fā)出到達(dá)導(dǎo)引頭后，約0.1 s導(dǎo)引頭丟失目標(biāo)，如圖7所示。

圖7 質(zhì)心跟蹤模式下受到200 W激光信號(hào)干擾時(shí)導(dǎo)引頭工作畫面

3.2.2 相關(guān)跟蹤模式下激光干擾

在焦距為133 mm的情況下，導(dǎo)引頭采用相關(guān)跟蹤模式鎖定目標(biāo)，而后激光信號(hào)發(fā)生器對準(zhǔn)導(dǎo)引頭方向發(fā)射200 W激光干擾信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：激光信號(hào)發(fā)出到達(dá)導(dǎo)引頭后，約1.2 s導(dǎo)引頭目標(biāo)丟失，相比質(zhì)心跟蹤響應(yīng)時(shí)間延后了約1.1 s，如圖8所示。

圖8 相關(guān)跟蹤模式下受到200 W激光信號(hào)干擾時(shí)導(dǎo)引頭工作畫面

原因分析：由圖7、圖8可知，焦距為133 mm時(shí)，干擾激光到達(dá)導(dǎo)引頭在CCD探測器上的初始成像位于波門之外，但與1 W激光的干擾效果不同，200 W的激光信號(hào)對CCD探測器造成了飽和并產(chǎn)生了飽和串音現(xiàn)象。在質(zhì)心跟蹤模式下，當(dāng)串音后的干擾圖像進(jìn)入跟蹤波門后，便與波門內(nèi)的目標(biāo)圖像一起參與質(zhì)心運(yùn)算，使質(zhì)心位置偏離原來的跟蹤點(diǎn)，因而造成導(dǎo)引頭目標(biāo)的隨即丟失。而在相關(guān)跟蹤模式下，當(dāng)串音后的干擾圖像進(jìn)入跟蹤波門后，并未造成導(dǎo)引頭目標(biāo)的隨即丟失；而是隨著干擾圖像對誤差評(píng)價(jià)函數(shù)在匹配計(jì)算過程中極值位置造成的偏差逐漸增大，使最佳匹配位置逐步遠(yuǎn)離目標(biāo)點(diǎn)，從而導(dǎo)致導(dǎo)引頭跟蹤波門逐步偏離目標(biāo)，并最終丟失，也正是因?yàn)檫@一過程，才使得相同條件下相關(guān)跟蹤對激光干擾信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間比質(zhì)心跟蹤延后了約1.1 s。

當(dāng)導(dǎo)引頭在其他焦距鎖定目標(biāo)，受到200 W激光信號(hào)干擾后，由于激光對CCD探測器造成了光飽和串音現(xiàn)象，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本不變，在此不再贅述。

4 結(jié)論

當(dāng)電視制導(dǎo)武器用于攻擊地面靜止目標(biāo)時(shí)，在小功率（未能對CCD探測器造成飽和效應(yīng)）激光干擾威脅下，應(yīng)優(yōu)先選用相關(guān)跟蹤模式，若因其他原因采取質(zhì)心跟蹤模式時(shí)，應(yīng)在保證目標(biāo)圖像未充滿CCD靶面的前提下，盡可能使用長焦距跟蹤目標(biāo)，使激光成像位于波門之外甚至視場之外，從而保證導(dǎo)引頭對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤；在較大功率（能夠?qū)CD探測器造成飽和效應(yīng)）激光干擾威脅下，同樣應(yīng)優(yōu)先選用相關(guān)跟蹤模式，一定程度上延長導(dǎo)引頭對激光干擾信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間，并利用制導(dǎo)武器的飛行慣性，相對減小彈著點(diǎn)與打擊目標(biāo)之間的距離。