末敏彈多元紅外探測與目標識別定位方法研究

王丹妮，李 野，蔡文澤，孫 策

(1 長春理工大學理學院，長春 130022；2 西安現代控制技術研究所，西安 710065；3 中國科學院西安光學精密機械研究所，西安 710119)

0 引言

末敏彈是現代戰場中一種靈巧作戰武器，它利用探測器對地面目標進行掃描、探測、識別、定位，最終起爆戰斗部，命中目標。當末敏彈下落到距離地面滿足射程的一定高度時，開始勻速下落且以一定的轉速對地面目標掃描探測，進行目標識別和定位。目標的有效識別和精確定位是實現精確打擊的先決條件。

現有末敏彈的探測器基本上采用單元紅外輻射計，利用目標和背景熱特性的不同，實現對目標的探測與識別，但這種方式缺乏目標的尺寸信息，定位精度不高。因此目前通過對目標尺寸的獲取實現對目標的精確打擊已成為末敏彈探測技術發展的重要方向。在此背景下，多元紅外探測及識別定位方法研究成為末敏彈探測技術研究的熱點。

為研究多元紅外探測器的目標識別和定位過程，建立了線陣紅外穩態掃描模型，提出了一種多元紅外掃描探測及目標識別定位方法。通過仿真分析，比較了單元和多元紅外探測器識別定位能力，為末敏彈多元紅外探測及目標識別定位提供了基礎和有價值的參考。

1 線陣紅外掃描探測模型

1.1 末敏彈穩態掃描工作原理

末敏彈經火炮發射后，飛行到指定區域上空，母彈開艙拋出子彈，末敏子彈減速減旋穩定后進入穩態掃描階段，穩態掃描原理如圖1所示。

圖1 末敏子彈穩態掃描原理

末敏彈以掃描角、轉速，下落速度對地面掃描，穩態掃描狀態下，可近似認為,,為常數。掃描間距為Δ，初始掃描位置為，初始位置與軸成角度，經時間后為掃描螺線上的點，其坐標可表示為:

(1)

相鄰螺線的距離Δ為：

(2)

1.2 線陣紅外掃描探測方式

與單元掃描不同的是，線陣紅外掃描利用線性排列的紅外探測器同時掃描探測地面目標，如圖2所示，為線陣紅外探測器掃描線速度。

圖2 紅外線性陣列探測

單元紅外掃描只含有一條掃描線，掃上目標時產生目標幅值響應，起爆戰斗部攻擊目標。單元掃描無法獲取目標尺寸信息，只能通過對目標溫度的幅值響應排除偽目標。另外，單元掃描獲取的是一維尺寸信息，無法獲取目標的二維尺寸信息，無法實現目標定位。而多元紅外掃描可以獲取目標尺寸和方位信息，利用對溫度的幅值響應和尺寸信息共同識別目標，提高偽裝目標的識別能力。

2 目標識別與定位方法

與單元紅外掃描不同的是，多元紅外掃描探測時，實時處理多路信號，從多路信號可以識別和定位目標，目標識別和定位算法如圖3所示。

圖3 目標識別與定位算法

線陣紅外探測器掃描探測目標，獲取目標信息，該過程如圖4所示，信號幅值變化如圖5所示。

圖4 多元紅外掃描過程示意圖

圖5 掃描信號幅值變化

以圖4(a)為目標未進入掃描區域時，只有地面輻射響應，如圖5的區域所示；圖4(b)為目標部分進入掃描區域，邊緣探測元響應，產生目標幅值響應；圖4(c)為目標完全進入掃描區域。這時利用設置的幅值閾值(和分別為低高幅值閾值)檢驗目標的響應幅值是否在高低閾值的限定范圍，如圖5的區域所示。利用式(3)判斷該幅值響應是否為待攻擊目標發出的。

(3)

多元掃描探測利用不同探測單元的響應和時序關系判斷目標位置，當邊緣探測單元探測到目標，而中心探測元未探測到目標時，如圖4(b)所示，這時并不起爆戰斗部，而是讓末敏彈繼續旋轉。當目標熱區完全進入掃描區域時，如圖4(c)所示，利用每條探測信號的上升沿和下降沿時刻和各掃描信號的時序關系可以計算出目標的尺寸信息。判斷目標尺寸是否為預攻擊的目標尺寸，判斷準則如式(4)所示。

(4)

式中:假設目標熱區為正方形，為掃描計算出的目標熱區邊長；′為實際的目標熱區邊長；為計算出的目標熱區面積；′為實際的目標熱區面積；Δ、Δ無限趨近于0。當滿足式(4)時，掃描計算出的目標熱區尺寸為待攻擊的目標熱區尺寸。

3 仿真與結果分析

對末敏子彈目標識別和定位算法進行仿真實驗。仿真中，固定子彈位置為坐標原點，子彈從初始120 m開始進入識別與定位過程，低于20 m停止掃描;目標熱區尺寸為1.8 m×1.8 m，目標中心等概率落在坐標原點周圍120 m×120 m的區域，子彈轉速為5 rad/s，落速為10 m/s，掃描角為30°，地面溫度為10°～15°。

3.1 目標識別仿真

分別仿真單元末敏彈和7元末敏彈旋轉下落過程，各掃描6次，每次地面上放有一個典型目標，驗證單元和多元探測器的目標識別能力。典型目標熱區參數如表1所示，單元和7元仿真過程如圖6所示。

表1 目標熱區參數表

圖6 單元和多元探測器目標識別

表2為單元和多元探測器目標識別結果，從該表可以看出，單元探測器識別只能利用溫度閾值判斷目標真假，不能識別不同尺寸的偽目標，而多元探測器可以利用尺寸和溫度共同識別目標。

表2 單元和多元探測器識別結果

3.2 目標定位仿真

分別仿真單元末敏彈和7元末敏彈旋轉下落過程，各掃描6次，每次地面上放有一個目標，驗證單元和多元末敏彈的定位能力。目標熱區中心坐標如表3所示，單元仿真和多元仿真過程如圖7所示。

表3 目標熱區中心

圖7 單元和多元末敏彈目標定位

表4為單元和多元探測器目標熱區定位結果。

表4 單元和多元探測器目標熱區定位結果

從表4可以看出，單元探測器定位能力差，掃描線掃到目標什么位置則定位到目標什么位置，然后起爆戰斗部；而多元探測器不同，當多元探測器邊緣探測元探測到目標時，并不起爆戰斗部，允許目標熱區進入到多元探測器掃描的中心區域后再起爆戰斗部，提高了定位精度。

4 結論

文中建立了末敏彈線陣紅外掃描探測模型，提出了多元紅外掃描探測目標識別與定位方法，并對所提方法進行了仿真驗證和分析。仿真結果表明與一元紅外掃描探測相比，采用線陣紅外掃描探測可以獲取目標熱區尺寸，提高目標識別能力和定位精度。