一種末敏彈多元紅外探測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 中國科學院西安光學精密機械研究所，陜西 西安 710119)

0 引言

末敏彈作為現代戰場的一種智能彈藥,它通過邊旋轉下落邊掃描探測的方式搜尋和打擊目標[1]。前端敏感器利用目標和背景的輻射差異探測目標[2]。當發現目標時,引爆戰斗部朝向目標發射[3]。因此,目標識別和定位對于成功打擊至關重要。

單元探測掃描只能獲取一條掃描信號,末敏彈無法判定掃描線所掃到目標的位置,無法判定打擊落點是否在中心區域[4]。多元紅外敏感器具有同時獲取多條掃描線的能力,可理解為對地面目標“成二維像”。通過該紅外二維像計算目標熱區尺寸和中心[5]。

和單元目標識別只能利用信號響應幅值判別相比[6],多元掃描探測可利用尺寸匹配方法[7]進一步識別目標,提高排偽能力,同時又可以獲取戰斗部指向地面目標的位置,判斷是否對準中心區域。文獻[8]提出了一種多元紅外探測識別的檢測算法,未具體給出尺寸計算方法。在該文獻基礎之上,提出了一種熱區尺寸計算方法和定位方法,為多元紅外探測提供技術支撐。

1 多元紅外旋轉掃描原理

末敏子彈從拋射出開始邊下落邊旋轉進入穩態掃描階段[9],該階段原理如圖1所示。

圖1 末敏子彈多元探測穩態掃描Fig.1 Steady-state scanning of multi-element detection of terminal sensitive projectile

末敏彈以掃描角θ、轉速ω和下落速度v對地面掃描,掃描間距為ΔR。初始掃描位置為A0(與X軸成角度α),經時間t后到達掃描螺線上的A1點。該點坐標表示為：

(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。多元探測器每個探測單元具有獨立的視場角,能夠探測到目標的不同區域[10]。和單元掃描不同,多元探測器在地面上某個瞬時掃描的是一個區域,而不是一條線。

2 尺寸解算和定位方法

多元探測掃描到目標時產生多路信號。末敏彈需要對該多路信號作尺寸解算和定位判定,才能完成后續的模版匹配和打擊決策。

2.1 尺寸解算

目標熱區尺寸解算的基本思路是：在經過對實時信號數據預處理后,通過對多路信號進行邊緣點提取,獲取各個探測單元掃描目標的脈沖寬度、探測到的單元數目和時序關系。根據各個探測單元的時序關系以及高度計的高度信息,計算目標位置姿態角。然后結合姿態角,用上述多元的脈寬分布分別計算熱區的兩個邊長。

2.1.1 多路信號邊緣和脈寬提取

多元探測器掃描目標時,掃描到目標上的探測單元產生幅值響應,即波形信號[11]。掃入目標和掃出目標時產生幅值變化。對應在信號曲線上則為邊緣點。響應的探測信號包含掃入目標時的左邊緣點和掃出目標時的右邊緣點。掃描目標上的時間即為脈寬。結合高度和掃描速度,可以計算出目標在兩點間的橫向距離。多元探測器每個單元之間具有一定的視場角。掃描時,統計產生響應的信號元數便可獲得縱向的目標邊緣點之間的距離。

如圖2(a)所示,探測器第1路信號掃描線離開A′的時刻為T1,探測器第2路信號掃描線離開B′的時刻為T2,T2和T1的時間差為Δτ,由時間差Δτ與探測元掃描的線速度和高度信息可得到目標所處視場中的角度,角度計算公式為：

圖2 目標尺寸計算Fig.2 Target size calculation

L=H/cosθ×sinβ

(3)

α=arctan(Δτ×vc/L)

(4)

式中：L為兩個探測元視場間距離;H為末敏子彈離地高度;θ為紅外探測器傾斜角;β為探測元之間視場角;α為目標所處紅外視場中的角度;vc為中心波元掃描過目標的線速度。

2.1.2 掃描切向目標的尺寸計算

如圖2(a)所示,掃描切向目標的尺寸a可通過式(5)計算得出：

a=BE=BB′·cosα

(5)

其中：BB′=vr·tBB′,vr為末敏子彈旋轉速度,tBB′為第2路信號探測元掃描過目標的時間;α為目標所處紅外視場中的角度。

2.1.3 掃描徑向目標的尺寸計算

如圖2(b)所示,掃描徑向目標的尺寸b可通過式(6)計算得出：

(6)

其中,

(7)

2.2 目標定位

多元掃描探測利用響應信號的時空分布判斷目標位置[12]。當只有邊緣探測單元產生信號響應時,并不起爆戰斗部,而是讓末敏彈繼續旋轉。當多路信號時空呈現對稱分布時,說明目標已進入掃描的中心區域,這時起爆戰斗部,原理如圖3所示。

圖3 實時掃描示意圖Fig.3 Schematic diagram of real-time scanning

如圖3(a)所示,掃描區域未掃到目標熱區時,多路信號沒有幅值響應。如圖3(b)所示,多路信號邊緣探測元掃描到目標,紅點為掃到的目標邊緣點。4路信號掃描目標的時刻分別為(t4a,t4b),同理5路信號掃描對應的時刻分別為(t5a,t5b)。如圖3(c)所示,目標完全進入到掃描區域時,多路信號產生的幅值影響。2、3、4路信號上升沿和下降沿對應的時刻分別為(t2a,t2b),(t3a,t3b),(t4a,t4b)。

假設n為多元信號的總元數,第i路信號產生的目標響應為Vi,信號產生的脈寬為di=v(tib-tia)。實時定位算法如圖4所示。

圖4 實時定位算法流程圖Fig.4 Flow chart of real-time positioning algorithm

多路信號實時掃描目標時,首先進入第一個判決條件,即對稱元信號響應判別。假設n=5,i=4時,相對應產生的目標幅值響應為V4,脈寬為d4=v(t4b-t4a)。當|V4-V5+1-4|<ΔV時(ΔV為極小數,可忽略為0),第4條信號與第2條信號目標響應呈對稱分布,此時目標位于掃描中心;接下來進入第二個判決條件,則存在max(di)=d(5+1)/2=d3,即當第4路信號與第2路信號呈對稱分布時,第3路信號存在最大脈寬。最后進行目標熱區尺寸判別。判別均通過后計算熱區中心,實現定位。

3 驗證與分析

通過實驗室內旋平臺采集的數據驗證文中算法。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 實驗室旋轉平臺參數Table 1 Parameters of rotating platform in laboratory

表2 多元紅外探測器參數Table 2 Parameters of multi-element infrared detector

3.1 尺寸解算算法驗證

下面從3個代表性的角度(0°、45°和90°)進行驗證,波形信號如圖5所示。圖5(a)為目標所處0°時的波形圖,3～9路單元探測到目標信號;圖5(b)為目標所處45°時的波形圖,2～9路單元探測到目標信號;圖5(c)為目標所處90°時的波形圖,4～8路單元探測到目標信號。

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

針對圖5的3種情況進行目標尺寸解算,解算結果如表3所示。

表3 不同角度目標尺寸解算結果Table 3 Calculation results of target size at different angles

由表3可知,根據各路信號提取的邊緣點進行尺寸解算,求出各路平行于掃描方向的目標距離L1和垂直掃描方向的目標距離L2。利用不同路信號的時序關系解算出姿態角α。最后根據角度和高度信息解算出邊長a和b。

3.2 定位解算算法驗證

目標以45°姿態角在紅外視場中不同縱向深度時的波形信號如圖6所示。圖6(a)為目標剛進入掃描區域時的波形圖,1和2路單元探測到目標信號;圖6(b)為目標一半進入掃描區域時的波形圖,1～5路單元探測到目標信號;圖6(c)為目標完全進入掃描區域時的波形圖,2～9路單元探測到目標信號。

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

由表4可知,根據各路信號提取的邊緣點進行響應元數、是否中心對稱和最大脈寬判別。位置1只有1和2路單元探測到信號,說明目標在掃描區域邊緣。位置2處有1～5路單元探測到目標信號,說明目標一部分進入掃描區域。位置3處有2～9路單元探測到目標信號,說明目標完全進入掃描區域。中心探測單元5和6脈寬最大,說明目標在掃描區域中心。

表4 不同位置目標尺寸解算結果Table 4 Calculation results of target size at different positions

4 結論

提出了一種多元紅外掃描探測目標尺寸解算和定位方法,通過獲取多路信號的邊緣點和時序關系解算目標尺寸,并通過響應元數和最大脈寬對稱性定位目標。對文中所提方法進行了實驗驗證分析。實驗結果表明與單元紅外掃描探測相比,采用線陣紅外掃描探測按照所述方法可以獲取目標熱區尺寸,實現定位,提高目標識別能力和定位精度。