一種末敏彈多元紅外探測(cè)尺寸解算和定位方法

魏京超，豆俊奇，孫 策

(1 青島興道新特科技有限公司，山東 青島 266400；2 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119)

0 引言

末敏彈作為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的一種智能彈藥,它通過(guò)邊旋轉(zhuǎn)下落邊掃描探測(cè)的方式搜尋和打擊目標(biāo)[1]。前端敏感器利用目標(biāo)和背景的輻射差異探測(cè)目標(biāo)[2]。當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí),引爆戰(zhàn)斗部朝向目標(biāo)發(fā)射[3]。因此,目標(biāo)識(shí)別和定位對(duì)于成功打擊至關(guān)重要。

單元探測(cè)掃描只能獲取一條掃描信號(hào),末敏彈無(wú)法判定掃描線所掃到目標(biāo)的位置,無(wú)法判定打擊落點(diǎn)是否在中心區(qū)域[4]。多元紅外敏感器具有同時(shí)獲取多條掃描線的能力,可理解為對(duì)地面目標(biāo)“成二維像”。通過(guò)該紅外二維像計(jì)算目標(biāo)熱區(qū)尺寸和中心[5]。

和單元目標(biāo)識(shí)別只能利用信號(hào)響應(yīng)幅值判別相比[6],多元掃描探測(cè)可利用尺寸匹配方法[7]進(jìn)一步識(shí)別目標(biāo),提高排偽能力,同時(shí)又可以獲取戰(zhàn)斗部指向地面目標(biāo)的位置,判斷是否對(duì)準(zhǔn)中心區(qū)域。文獻(xiàn)[8]提出了一種多元紅外探測(cè)識(shí)別的檢測(cè)算法,未具體給出尺寸計(jì)算方法。在該文獻(xiàn)基礎(chǔ)之上,提出了一種熱區(qū)尺寸計(jì)算方法和定位方法,為多元紅外探測(cè)提供技術(shù)支撐。

1 多元紅外旋轉(zhuǎn)掃描原理

末敏子彈從拋射出開(kāi)始邊下落邊旋轉(zhuǎn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)掃描階段[9],該階段原理如圖1所示。

圖1 末敏子彈多元探測(cè)穩(wěn)態(tài)掃描Fig.1 Steady-state scanning of multi-element detection of terminal sensitive projectile

末敏彈以掃描角θ、轉(zhuǎn)速ω和下落速度v對(duì)地面掃描,掃描間距為ΔR。初始掃描位置為A0(與X軸成角度α),經(jīng)時(shí)間t后到達(dá)掃描螺線上的A1點(diǎn)。該點(diǎn)坐標(biāo)表示為：

(1)

相鄰螺線的距離ΔR為：

(2)

式中n=ω/2π為末敏子彈繞鉛垂軸的角速度。多元探測(cè)器每個(gè)探測(cè)單元具有獨(dú)立的視場(chǎng)角,能夠探測(cè)到目標(biāo)的不同區(qū)域[10]。和單元掃描不同,多元探測(cè)器在地面上某個(gè)瞬時(shí)掃描的是一個(gè)區(qū)域,而不是一條線。

2 尺寸解算和定位方法

多元探測(cè)掃描到目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生多路信號(hào)。末敏彈需要對(duì)該多路信號(hào)作尺寸解算和定位判定,才能完成后續(xù)的模版匹配和打擊決策。

2.1 尺寸解算

目標(biāo)熱區(qū)尺寸解算的基本思路是：在經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)預(yù)處理后,通過(guò)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行邊緣點(diǎn)提取,獲取各個(gè)探測(cè)單元掃描目標(biāo)的脈沖寬度、探測(cè)到的單元數(shù)目和時(shí)序關(guān)系。根據(jù)各個(gè)探測(cè)單元的時(shí)序關(guān)系以及高度計(jì)的高度信息,計(jì)算目標(biāo)位置姿態(tài)角。然后結(jié)合姿態(tài)角,用上述多元的脈寬分布分別計(jì)算熱區(qū)的兩個(gè)邊長(zhǎng)。

2.1.1 多路信號(hào)邊緣和脈寬提取

多元探測(cè)器掃描目標(biāo)時(shí),掃描到目標(biāo)上的探測(cè)單元產(chǎn)生幅值響應(yīng),即波形信號(hào)[11]。掃入目標(biāo)和掃出目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生幅值變化。對(duì)應(yīng)在信號(hào)曲線上則為邊緣點(diǎn)。響應(yīng)的探測(cè)信號(hào)包含掃入目標(biāo)時(shí)的左邊緣點(diǎn)和掃出目標(biāo)時(shí)的右邊緣點(diǎn)。掃描目標(biāo)上的時(shí)間即為脈寬。結(jié)合高度和掃描速度,可以計(jì)算出目標(biāo)在兩點(diǎn)間的橫向距離。多元探測(cè)器每個(gè)單元之間具有一定的視場(chǎng)角。掃描時(shí),統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生響應(yīng)的信號(hào)元數(shù)便可獲得縱向的目標(biāo)邊緣點(diǎn)之間的距離。

如圖2(a)所示,探測(cè)器第1路信號(hào)掃描線離開(kāi)A′的時(shí)刻為T1,探測(cè)器第2路信號(hào)掃描線離開(kāi)B′的時(shí)刻為T2,T2和T1的時(shí)間差為Δτ,由時(shí)間差Δτ與探測(cè)元掃描的線速度和高度信息可得到目標(biāo)所處視場(chǎng)中的角度,角度計(jì)算公式為：

圖2 目標(biāo)尺寸計(jì)算Fig.2 Target size calculation

L=H/cosθ×sinβ

(3)

α=arctan(Δτ×vc/L)

(4)

式中：L為兩個(gè)探測(cè)元視場(chǎng)間距離;H為末敏子彈離地高度;θ為紅外探測(cè)器傾斜角;β為探測(cè)元之間視場(chǎng)角;α為目標(biāo)所處紅外視場(chǎng)中的角度;vc為中心波元掃描過(guò)目標(biāo)的線速度。

2.1.2 掃描切向目標(biāo)的尺寸計(jì)算

如圖2(a)所示,掃描切向目標(biāo)的尺寸a可通過(guò)式(5)計(jì)算得出：

a=BE=BB′·cosα

(5)

其中：BB′=vr·tBB′,vr為末敏子彈旋轉(zhuǎn)速度,tBB′為第2路信號(hào)探測(cè)元掃描過(guò)目標(biāo)的時(shí)間;α為目標(biāo)所處紅外視場(chǎng)中的角度。

2.1.3 掃描徑向目標(biāo)的尺寸計(jì)算

如圖2(b)所示,掃描徑向目標(biāo)的尺寸b可通過(guò)式(6)計(jì)算得出：

(6)

其中,

(7)

2.2 目標(biāo)定位

多元掃描探測(cè)利用響應(yīng)信號(hào)的時(shí)空分布判斷目標(biāo)位置[12]。當(dāng)只有邊緣探測(cè)單元產(chǎn)生信號(hào)響應(yīng)時(shí),并不起爆戰(zhàn)斗部,而是讓末敏彈繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)多路信號(hào)時(shí)空呈現(xiàn)對(duì)稱分布時(shí),說(shuō)明目標(biāo)已進(jìn)入掃描的中心區(qū)域,這時(shí)起爆戰(zhàn)斗部,原理如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)掃描示意圖Fig.3 Schematic diagram of real-time scanning

如圖3(a)所示,掃描區(qū)域未掃到目標(biāo)熱區(qū)時(shí),多路信號(hào)沒(méi)有幅值響應(yīng)。如圖3(b)所示,多路信號(hào)邊緣探測(cè)元掃描到目標(biāo),紅點(diǎn)為掃到的目標(biāo)邊緣點(diǎn)。4路信號(hào)掃描目標(biāo)的時(shí)刻分別為(t4a,t4b),同理5路信號(hào)掃描對(duì)應(yīng)的時(shí)刻分別為(t5a,t5b)。如圖3(c)所示,目標(biāo)完全進(jìn)入到掃描區(qū)域時(shí),多路信號(hào)產(chǎn)生的幅值影響。2、3、4路信號(hào)上升沿和下降沿對(duì)應(yīng)的時(shí)刻分別為(t2a,t2b),(t3a,t3b),(t4a,t4b)。

假設(shè)n為多元信號(hào)的總元數(shù),第i路信號(hào)產(chǎn)生的目標(biāo)響應(yīng)為Vi,信號(hào)產(chǎn)生的脈寬為di=v(tib-tia)。實(shí)時(shí)定位算法如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)定位算法流程圖Fig.4 Flow chart of real-time positioning algorithm

多路信號(hào)實(shí)時(shí)掃描目標(biāo)時(shí),首先進(jìn)入第一個(gè)判決條件,即對(duì)稱元信號(hào)響應(yīng)判別。假設(shè)n=5,i=4時(shí),相對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的目標(biāo)幅值響應(yīng)為V4,脈寬為d4=v(t4b-t4a)。當(dāng)|V4-V5+1-4|<ΔV時(shí)(ΔV為極小數(shù),可忽略為0),第4條信號(hào)與第2條信號(hào)目標(biāo)響應(yīng)呈對(duì)稱分布,此時(shí)目標(biāo)位于掃描中心;接下來(lái)進(jìn)入第二個(gè)判決條件,則存在max(di)=d(5+1)/2=d3,即當(dāng)?shù)?路信號(hào)與第2路信號(hào)呈對(duì)稱分布時(shí),第3路信號(hào)存在最大脈寬。最后進(jìn)行目標(biāo)熱區(qū)尺寸判別。判別均通過(guò)后計(jì)算熱區(qū)中心,實(shí)現(xiàn)定位。

3 驗(yàn)證與分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)旋平臺(tái)采集的數(shù)據(jù)驗(yàn)證文中算法。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)參數(shù)如表1所示,多元紅外探測(cè)器參數(shù)如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室旋轉(zhuǎn)平臺(tái)參數(shù)Table 1 Parameters of rotating platform in laboratory

表2 多元紅外探測(cè)器參數(shù)Table 2 Parameters of multi-element infrared detector

3.1 尺寸解算算法驗(yàn)證

下面從3個(gè)代表性的角度(0°、45°和90°)進(jìn)行驗(yàn)證,波形信號(hào)如圖5所示。圖5(a)為目標(biāo)所處0°時(shí)的波形圖,3～9路單元探測(cè)到目標(biāo)信號(hào);圖5(b)為目標(biāo)所處45°時(shí)的波形圖,2～9路單元探測(cè)到目標(biāo)信號(hào);圖5(c)為目標(biāo)所處90°時(shí)的波形圖,4～8路單元探測(cè)到目標(biāo)信號(hào)。

圖5 不同角度波形圖Fig.5 Wave forms at different angles

針對(duì)圖5的3種情況進(jìn)行目標(biāo)尺寸解算,解算結(jié)果如表3所示。

表3 不同角度目標(biāo)尺寸解算結(jié)果Table 3 Calculation results of target size at different angles

由表3可知,根據(jù)各路信號(hào)提取的邊緣點(diǎn)進(jìn)行尺寸解算,求出各路平行于掃描方向的目標(biāo)距離L1和垂直掃描方向的目標(biāo)距離L2。利用不同路信號(hào)的時(shí)序關(guān)系解算出姿態(tài)角α。最后根據(jù)角度和高度信息解算出邊長(zhǎng)a和b。

3.2 定位解算算法驗(yàn)證

目標(biāo)以45°姿態(tài)角在紅外視場(chǎng)中不同縱向深度時(shí)的波形信號(hào)如圖6所示。圖6(a)為目標(biāo)剛進(jìn)入掃描區(qū)域時(shí)的波形圖,1和2路單元探測(cè)到目標(biāo)信號(hào);圖6(b)為目標(biāo)一半進(jìn)入掃描區(qū)域時(shí)的波形圖,1～5路單元探測(cè)到目標(biāo)信號(hào);圖6(c)為目標(biāo)完全進(jìn)入掃描區(qū)域時(shí)的波形圖,2～9路單元探測(cè)到目標(biāo)信號(hào)。

圖6 不同縱向位置波形圖Fig.6 Wave forms at different longitudinal positions

由表4可知,根據(jù)各路信號(hào)提取的邊緣點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)元數(shù)、是否中心對(duì)稱和最大脈寬判別。位置1只有1和2路單元探測(cè)到信號(hào),說(shuō)明目標(biāo)在掃描區(qū)域邊緣。位置2處有1～5路單元探測(cè)到目標(biāo)信號(hào),說(shuō)明目標(biāo)一部分進(jìn)入掃描區(qū)域。位置3處有2～9路單元探測(cè)到目標(biāo)信號(hào),說(shuō)明目標(biāo)完全進(jìn)入掃描區(qū)域。中心探測(cè)單元5和6脈寬最大,說(shuō)明目標(biāo)在掃描區(qū)域中心。

表4 不同位置目標(biāo)尺寸解算結(jié)果Table 4 Calculation results of target size at different positions

4 結(jié)論

提出了一種多元紅外掃描探測(cè)目標(biāo)尺寸解算和定位方法,通過(guò)獲取多路信號(hào)的邊緣點(diǎn)和時(shí)序關(guān)系解算目標(biāo)尺寸,并通過(guò)響應(yīng)元數(shù)和最大脈寬對(duì)稱性定位目標(biāo)。對(duì)文中所提方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與單元紅外掃描探測(cè)相比,采用線陣紅外掃描探測(cè)按照所述方法可以獲取目標(biāo)熱區(qū)尺寸,實(shí)現(xiàn)定位,提高目標(biāo)識(shí)別能力和定位精度。