基于紅外觸發(fā)技術(shù)的外彈道目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)估計(jì)研究

王紅敏，寧生科，董 濤

(1.西安工業(yè)大學(xué) 工業(yè)中心， 西安 710021; 2.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院， 西安 710021)

1 引言

微動(dòng)指外彈道目標(biāo)在外力影響下出現(xiàn)的錐旋、擺動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，此運(yùn)動(dòng)不包含主體徑向運(yùn)動(dòng)。外彈道目標(biāo)在飛行時(shí)，常常出現(xiàn)誘餌，因?yàn)閺楊^與誘餌的質(zhì)量分布存在差異，致使兩者的進(jìn)動(dòng)周期與進(jìn)動(dòng)角之間不存在一致性[1-3]。此種情況下，有效估計(jì)目標(biāo)的微動(dòng)參數(shù)屬于導(dǎo)彈保護(hù)系統(tǒng)目標(biāo)識(shí)別的核心。

外彈道目標(biāo)識(shí)別屬于防空反導(dǎo)的核心，外彈道目標(biāo)在彈道中飛行時(shí)間較長(zhǎng)，為了保障姿態(tài)平穩(wěn)，彈道目標(biāo)在飛行時(shí)存在自旋，遭到擾動(dòng)作用，彈頭出現(xiàn)錐旋，目標(biāo)的錐旋角速度低于自旋角速度[4]。為了準(zhǔn)確估計(jì)外彈道目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)，本文提出基于紅外觸發(fā)技術(shù)的外彈道目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法，以此提取外彈道目標(biāo)的微動(dòng)特征與結(jié)構(gòu)特征，為防空反導(dǎo)提供理論基礎(chǔ)。

2 基于紅外觸發(fā)技術(shù)的外彈道目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法

2.1 基于紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像的外彈道目標(biāo)圖像獲取方法

基于紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像的外彈道目標(biāo)圖像獲取方法主要使用紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像系統(tǒng)獲取外彈道目標(biāo)圖像，具備一觸發(fā)便拍照的功能[5-7]，能夠?qū)崟r(shí)捕捉外彈道目標(biāo)。

紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像系統(tǒng)使用ZORAN公司的COACH6芯片，以此構(gòu)建和數(shù)碼相機(jī)類(lèi)似的成像子系統(tǒng)，COACH6屬于ZORAN公司所設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的DSP芯片。COACH6能夠支持多種CCD相機(jī)和CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)，支持很多記憶卡類(lèi)型。且在成像子系統(tǒng)里使用合理的CMOS傳感器、SDRAM(同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存)、NAND FLASH存儲(chǔ)器[8]。

為了完成自主觸發(fā)，紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像系統(tǒng)使用熱釋電紅外傳感器建立硬件觸發(fā)模塊，此模塊中也采用菲涅爾透鏡，實(shí)現(xiàn)外彈道目標(biāo)捕捉聚焦[9-11]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Schematic diagram of infrared triggered digital imaging system

如圖1所示，紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像系統(tǒng)通過(guò)前端紅外檢測(cè)模塊，完成外彈道目標(biāo)檢測(cè)，通過(guò)成像子系統(tǒng)獲取外彈道目標(biāo)圖像，MCU屬于系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，用于控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)外彈道目標(biāo)檢測(cè)與拍照，拍照結(jié)果中會(huì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注，最后呈現(xiàn)于LCD(液晶顯示器)中。

2.2 基于紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像的外彈道目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法

2.2.1外彈道目標(biāo)在紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像平面中投影關(guān)系

假定φ是紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像系統(tǒng)所獲取外彈道目標(biāo)圖像中目標(biāo)的初始相位，O-XYZ為外彈道目標(biāo)在紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像中的坐標(biāo)系。那么紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像中外彈道目標(biāo)的錐體頂點(diǎn)B在坐標(biāo)系O-XYZ里坐標(biāo)是：

(xB,yB,zB)=(|OB|sinα(φdt+φ),

-|OB|sinαcos(φdt+φ),|OB|cosα)

(1)

其中：φd是外彈道目標(biāo)錐旋運(yùn)行的角速度；外彈道目標(biāo)的質(zhì)心是旋轉(zhuǎn)中心O；α是自旋軸和錐旋軸的夾角；t是錐旋時(shí)間。根據(jù)以上參數(shù)信息，制作外彈道目標(biāo)空間位置模型。圖3是在坐標(biāo)系O-XYZ范圍內(nèi)，以外彈道目標(biāo)的錐體頂點(diǎn)B為中心而設(shè)計(jì)的空間位置模型示意圖。

圖2中，m是法線(xiàn)；θ是目標(biāo)和紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像系統(tǒng)的俯仰角，r是外彈道目標(biāo)錐旋時(shí)底面半徑。根據(jù)圖2模型研究紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像系統(tǒng)所獲取外彈道目標(biāo)圖像中目標(biāo)的空間幾何關(guān)聯(lián)性，能夠獲取目標(biāo)運(yùn)行時(shí)，錐體散射點(diǎn)在成像平面中的坐標(biāo)，下文將圍繞錐體頂點(diǎn)B實(shí)施推導(dǎo)。O-X′Y′Z′為外彈道目標(biāo)在紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像中投影的坐標(biāo)系，B點(diǎn)在成像平面X′OY′中投影是B′，B′在空間里的坐標(biāo)是：

圖2 外彈道目標(biāo)空間位置模型示意圖

(xB′,yB′,zB′)=(xB,yB,zB)-((xB,yB,zB)·m)·m=

(xB·yBsin2θ+zBsinθcosθ,zBsin2θ+yBsinθcosθ)

(2)

式中，m為沿著法線(xiàn)的矢量。散射點(diǎn)在紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像中坐標(biāo)通過(guò)散射點(diǎn)在空間里Y、Z軸中位置設(shè)置，那么B′在紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像平面中坐標(biāo)能夠近似成：

(3)

其中，散射點(diǎn)在投影平面中有關(guān)X軸、Y軸的坐標(biāo)是(xB-q,yB-q)。

按照錐體頂點(diǎn)B的位置，能夠把外彈道目標(biāo)近視點(diǎn)q在空間里的坐標(biāo)描述成：

(4)

則近視點(diǎn)q在紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像平面中坐標(biāo)能夠描述成：

(5)

根據(jù)以上算法，得出外彈道目標(biāo)與投影平面的幾何關(guān)系，圖3是在X′OY′成像平面中外彈道目標(biāo)的投影情況。

圖3 外彈道目標(biāo)與投影平面的幾何關(guān)系示意圖

通過(guò)基于紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像的外彈道目標(biāo)圖像獲取方法，對(duì)微動(dòng)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，提取外彈道目標(biāo)微動(dòng)特征和結(jié)構(gòu)特征。

2.2.2微動(dòng)特征和結(jié)構(gòu)特征估計(jì)

紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像的初始成像時(shí)間設(shè)成t0，通過(guò)自相關(guān)法粗估計(jì)微動(dòng)周期，獲取錐旋周期分量Td，Td=mdΔt，md描述粗估計(jì)后續(xù)周期中紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像序列的數(shù)量，紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像的成像時(shí)間平均值是Δt。

本文使用灰度匹配算法實(shí)現(xiàn)紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像匹配與目標(biāo)特征提取。詳細(xì)流程是：

2) 精估計(jì)階段，通過(guò)簡(jiǎn)化的歸一化積相關(guān)度量方法，依次提取候選子圖，在它的擴(kuò)展區(qū)間中實(shí)施灰度匹配[13-15]。運(yùn)算外彈道目標(biāo)點(diǎn)(a,b)中歸一化積相關(guān)系數(shù)，a、b依次描述目標(biāo)點(diǎn)像素。

(6)

其中，n×n的模板圖是Yj,i，n×n的基準(zhǔn)圖是Xj,i；外彈道目標(biāo)散射點(diǎn)的種類(lèi)與幅數(shù)是j、i。

3) 獲取最優(yōu)匹配結(jié)果的序列號(hào)md，則重新估計(jì)的錐旋周期分量是Ti=mdΔt。

B′點(diǎn)在紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像的X軸中坐標(biāo)和在空間里X軸中坐標(biāo)不存在差異。構(gòu)建參考坐標(biāo)系o-xy。假定在紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像序列里得到的點(diǎn)坐標(biāo)集是：

(7)

其中，外彈道目標(biāo)散射點(diǎn)的種類(lèi)是j。將第i幅外觸發(fā)式數(shù)碼成像和初始時(shí)刻間隔作為分析目標(biāo)Δyi，則：

kssinα(acosφ+bsinφ)

(8)

(9)

使用式(9)能夠獲取結(jié)構(gòu)特征未知變量kssinα。

在紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像平面中，投影軌跡有關(guān)YOZ平面對(duì)稱(chēng)，散射點(diǎn)在空間里的旋轉(zhuǎn)軌跡中心處于Z軸，旋轉(zhuǎn)軌跡中心在外彈道目標(biāo)序列像中散射點(diǎn)投影軌跡的對(duì)稱(chēng)軸中，按照紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像平面序列周期性，使用間隔半個(gè)周期的紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像規(guī)則，在紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像序列中能獲取2個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的距離pAn：

(10)

(11)

其中，μ是近視點(diǎn)像素。解得：

(12)

3 仿真及結(jié)果分析

為了測(cè)試本文方法對(duì)外彈道目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)估計(jì)的有效性，在MATLAB軟件中建立仿真成像場(chǎng)景兩組，分別為單目標(biāo)模擬場(chǎng)景和多目標(biāo)模擬場(chǎng)景，各組30個(gè)目標(biāo)點(diǎn)隨機(jī)設(shè)置，隨機(jī)抽取其中一組目標(biāo)點(diǎn)場(chǎng)景如圖4、圖5所示。

圖4 外彈道單目標(biāo)模擬場(chǎng)景圖

使用本文方法獲取圖4、圖5中外彈道目標(biāo)圖像時(shí)，設(shè)置紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像系統(tǒng)中參考坐標(biāo)系O-XYZ里方位角與俯仰角依次是90°與30°。初始相位設(shè)成15°，錐高設(shè)成3.0 m，底面半徑設(shè)成1.0 m，進(jìn)動(dòng)角設(shè)成20°，錐旋頻率設(shè)成2πrad/s，目標(biāo)質(zhì)心和頂點(diǎn)間距在1.0～10.0 m隨機(jī)取值。

如圖6、圖7所示，本文方法可使用紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取外彈道單目標(biāo)、多目標(biāo)圖像，且拍照結(jié)果中會(huì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注，有效縮小獲取微動(dòng)參數(shù)估計(jì)的范圍，優(yōu)化估計(jì)精度與效率。

圖6 外彈道單目標(biāo)圖像

圖7 外彈道多目標(biāo)圖像

成像效果對(duì)外彈道目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)估計(jì)精度存在一定影響，若外彈道目標(biāo)成像模糊不清，則目標(biāo)檢測(cè)精度較差。為了測(cè)試本文方法在提取外彈道目標(biāo)圖像時(shí)的魯棒性，在外彈道目標(biāo)圖像中引入噪聲，此噪聲點(diǎn)是模擬天氣條件對(duì)成像系統(tǒng)的干擾所出現(xiàn)，測(cè)試本文方法在噪聲環(huán)境下，對(duì)圖像中目標(biāo)的標(biāo)注結(jié)果，以此測(cè)試本文方法是否可有效獲取外彈道目標(biāo)有效圖像。結(jié)果如圖8所示。

圖8 噪聲干擾下本文方法魯棒性測(cè)試效果圖

如圖8所示，噪聲干擾下，本文方法仍舊準(zhǔn)確提取外彈道目標(biāo)，獲取有效目標(biāo)圖像，魯棒性滿(mǎn)足使用需求。

將進(jìn)動(dòng)角設(shè)成20°，信噪比設(shè)成10 dB，在俯仰角依次是35°、65°、125°條件中，在所提取外彈道目標(biāo)成像序列里獲取散射點(diǎn)坐標(biāo)集合，估計(jì)外彈道單目標(biāo)的微動(dòng)特征和結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果如圖9所示。

圖9 外彈道單目標(biāo)的微動(dòng)特征和結(jié)構(gòu)特征直方圖

表1是本文方法對(duì)外彈道單目標(biāo)的微動(dòng)特征和結(jié)構(gòu)特征估計(jì)差值。

表1 本文方法估計(jì)差值

如圖9、表1所示，本文方法在估計(jì)外彈道單目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)時(shí)，當(dāng)成像系統(tǒng)和外彈道目標(biāo)錐旋軸的俯仰角依次是35°、65°、125°時(shí)，錐旋旋轉(zhuǎn)中心底面圓半徑、外彈道目標(biāo)方位角、旋轉(zhuǎn)中心和底面圓心距離、目標(biāo)質(zhì)心與頂點(diǎn)的距離四種特征參數(shù)估計(jì)結(jié)果和預(yù)設(shè)值差異較小，平均誤差在0.614%以?xún)?nèi)，驗(yàn)證本文方法可準(zhǔn)確估計(jì)外彈道單目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)。本文方法對(duì)外彈道多目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)的估計(jì)結(jié)果如表2所示。

如表2所示，本文方法對(duì)外彈道多目標(biāo)的微動(dòng)特征和結(jié)構(gòu)特征估計(jì)結(jié)果，因不能完全排除噪聲干擾，導(dǎo)致和預(yù)設(shè)值存在一定誤差，平均誤差在0.36%以?xún)?nèi)，和預(yù)設(shè)值也十分接近，差值極小。

表2 本文方法對(duì)外彈道多目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)的估計(jì)結(jié)果

對(duì)比結(jié)果可知，對(duì)單目標(biāo)的微動(dòng)特征估計(jì)結(jié)果和預(yù)設(shè)值的平均誤差比對(duì)多目標(biāo)的微動(dòng)特征估計(jì)結(jié)果和預(yù)設(shè)值的平均誤差要高出一些，主要是由于外彈道目標(biāo)方位角的估計(jì)值誤差較高，這是因在對(duì)單目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)，在方位角上轉(zhuǎn)動(dòng)角度較小，所以易產(chǎn)生些許誤差，但此誤差依舊在精度允許范圍內(nèi)，還是比較精準(zhǔn)的。

綜上，本文方法可準(zhǔn)確估計(jì)外彈道單目標(biāo)、多目標(biāo)的微動(dòng)參數(shù)。如果對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)一步反饋式精準(zhǔn)控制，結(jié)果誤差還將進(jìn)一步減小。

4 結(jié)論

本文提出了基于紅外觸發(fā)技術(shù)的外彈道目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法，并將該方法在仿真實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：

1) 本文方法可使用紅外觸發(fā)式數(shù)碼成像系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取外彈道單目標(biāo)、多目標(biāo)圖像，且拍照結(jié)果中會(huì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注；

2) 噪聲干擾下，本文方法仍舊準(zhǔn)確提取外彈道目標(biāo)，獲取有效目標(biāo)圖像；

3) 在俯仰角依次是35°、65°、125°條件中，本文方法在估計(jì)外彈道單目標(biāo)、多目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)時(shí)，錐旋旋轉(zhuǎn)中心底面圓半徑、外彈道目標(biāo)方位角、旋轉(zhuǎn)中心和底面圓心距離、目標(biāo)質(zhì)心與頂點(diǎn)的距離四種特征參數(shù)估計(jì)結(jié)果和預(yù)設(shè)值差異較小，估計(jì)結(jié)果有效。